楊 哲，師慶丹

?

基于混合型逆變器控制的船舶電力系統(tǒng)諧波抑制研究

楊 哲1，師慶丹2

(1. 91404部隊(duì)，河北秦皇島066000；2. 燕山大學(xué)，河北秦皇島066000)

船舶電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單容量小，所帶的非線性負(fù)載復(fù)雜，電網(wǎng)中諧波含量較高，對電網(wǎng)和設(shè)備帶來了危害。以降低諧波為目標(biāo)，本文采用了一種混合型逆變器控制系統(tǒng)。通過獨(dú)立地對大功率低開關(guān)頻率逆變器與小功率高開關(guān)頻率逆變器進(jìn)行載波調(diào)制，實(shí)現(xiàn)了交流驅(qū)動與諧波抑制。分析了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，介紹了控制策略。在Matlab軟件中搭建了混合型逆變器控制系統(tǒng)的仿真模型，并與傳統(tǒng)型逆變器控制系統(tǒng)進(jìn)行了對比。仿真結(jié)果表明：混合型逆變器能夠有效減少特征諧波和高次諧波，在船舶電力系統(tǒng)中有良好的應(yīng)用前景。

船舶電力系統(tǒng) 諧波抑制 混合型逆變器控制策略 Matlab

0 引言

近幾十年來，船舶電力系統(tǒng)采用了大量的電力電子技術(shù)以及電力電子器件。然而船舶電力電子裝置容量的不斷增大給船舶電力系統(tǒng)帶來了諧波問題，直接影響了船舶運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性?，F(xiàn)代船舶使用的高技術(shù)儀器儀表和重要設(shè)備對電能質(zhì)量有著嚴(yán)苛的要求，降低諧波含量已經(jīng)成為當(dāng)前船舶電力系統(tǒng)面臨的嚴(yán)重問題。因此，需要對現(xiàn)代船舶電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行等方面進(jìn)行分析，從而找出行之有效的諧波抑制方法。

1 船舶電力系統(tǒng)諧波產(chǎn)生原因

船舶電網(wǎng)中的諧波是由非線性設(shè)備和負(fù)載產(chǎn)生，就非線性特性而言，諧波源可分為三類[1]：一是鐵磁飽和型，主要為一些鐵心設(shè)備，如變壓器、電抗器等，鐵心的飽和程度越高，諧波電流越大；二是電子開關(guān)型，主要是各類交直流變換裝置；三是采用變流裝置的非線性負(fù)載，如錨機(jī)、起貨機(jī)等。下面從船舶電力系統(tǒng)的幾個主要諧波源加以分析。

1）電機(jī)

目前船舶電力系統(tǒng)主要采用電勵磁同步發(fā)電機(jī)、永磁發(fā)電機(jī)、異步電機(jī)等機(jī)型。發(fā)電機(jī)作為船舶電網(wǎng)的電源，發(fā)出的電壓波形在理論計算時通常假設(shè)為正弦波。但是在實(shí)際使用中，由于發(fā)電機(jī)內(nèi)部的定子和轉(zhuǎn)子間的氣隙受到鐵心齒、槽和工藝制造的影響，造成發(fā)電機(jī)中磁場分布不均勻，從而得不到理想的正弦波，電壓波形本身攜帶一定的諧波。

2）電磁裝置

變壓器、電流和電壓互感器、接觸器、制動電磁鐵等設(shè)備，都含有鐵芯和勵磁線圈。由于鐵芯的飽和性，磁化曲線為非線性，鐵芯越趨于飽和，線圈電流畸變越嚴(yán)重。此電流中含有大量諧波，而且衰減緩慢。

圖1 矩形波電流

3）變流裝置

在船舶電力系統(tǒng)中，通常采用6脈動橋式變流裝置。根據(jù)變流裝置的原理可知，當(dāng)直流側(cè)電流為恒定值I時，通過6脈動橋式變流裝置，交流測輸出一系列等間隔的矩形波，其幅值為I，如圖1所示。

將交流測波形進(jìn)行傅立葉變換，可以得到

由公式（1）可以得知，諧波次數(shù)越小，其對電網(wǎng)電流的影響越大；式中負(fù)諧波量即為變流裝置向電網(wǎng)所注入的諧波電流。一般情況下，變流裝置只產(chǎn)生特征諧波，但是在交流阻抗不對稱或者交流電壓畸變等原因下也會產(chǎn)生特征諧波以外的諧波。

2 船舶電力系統(tǒng)諧波的危害與抑制

2.1 諧波的危害

諧波電流能夠在電網(wǎng)線路中形成諧波壓降[2]，進(jìn)而產(chǎn)生有功功率和無功功率的損耗；諧波所導(dǎo)致的尖峰電壓會加速絕緣電纜的老化，引起浸漬絕緣的局部放電，縮短電纜使用壽命。高次諧波與基波電流疊加，會使電容溫升增加、縮短電容使用壽命；高次諧波會干擾通訊設(shè)備和線路，影響通訊網(wǎng)絡(luò)的正常工作。諧波電流會對導(dǎo)航設(shè)備和船用數(shù)字電路元件產(chǎn)生影響，破壞觸發(fā)器和存儲器中的信息，影響船舶的安全航行。

2.2 諧波的抑制措施

由于各類諧波所帶來的不同危害，相應(yīng)的抑制措施也應(yīng)運(yùn)而生。文獻(xiàn)（3）指出在變流裝置中裝設(shè)LC濾波器，可以消除低次特征諧波，但是易受電網(wǎng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)的影響。文獻(xiàn)（4）指出可以增加變流裝置的脈動數(shù)量，以此降低負(fù)載電機(jī)電流中的諧波分量，但這種方法占用空間大，費(fèi)用高。在船舶電力系統(tǒng)中還可以向電網(wǎng)注入諧波電流，通過注入幅值相等，方向相反的諧波電流，以抵消系統(tǒng)中的諧波，如并聯(lián)型有源濾波器就是采用這種方法實(shí)現(xiàn)的，但是并聯(lián)型有源逆變器控制不夠靈活，容量受到限制。

3 基于混合型逆變器交流系統(tǒng)諧波抑制

3.1 混合型逆變器數(shù)學(xué)模型

為了降低變流裝置所產(chǎn)生的諧波電流，本文采用了一種新型的混合型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即大功率低開關(guān)頻率逆變模塊與小功率高頻率開關(guān)模塊的并聯(lián)[5]。這種并聯(lián)方式可以應(yīng)用于容量較大的設(shè)備，并且控制策略更加靈活。目前，在國內(nèi)針對多個相同逆變器模塊并聯(lián)的技術(shù)已經(jīng)有很多研究成果，但是這類混合型逆變器的控制技術(shù)研究還較少。國外文獻(xiàn)[6]曾提出過用于電流補(bǔ)償?shù)幕旌喜⒙?lián)技術(shù)，雖然其控制結(jié)構(gòu)簡單，但是還存在動態(tài)響應(yīng)不夠快，零序環(huán)流抑制困難的問題[7]。針對以上問題，混合型逆變器結(jié)合電機(jī)PWM控制策略，在同步坐標(biāo)系下實(shí)現(xiàn)了混合型逆變器的協(xié)調(diào)控制。混合型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

在圖2中，M模塊為主逆變器，工作在低開關(guān)頻率，為電機(jī)工作提供大部分功率；S為從逆變器，工作在高開關(guān)頻率，主要負(fù)責(zé)諧波補(bǔ)償，在必要時還可提供小部分負(fù)載電流。

圖2 混合型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以得到混合型逆變器工作的等效電路圖，如圖3所示。下標(biāo)1、2、s分別表示主逆變器、從逆變器和電機(jī)定子。進(jìn)一步可以得到在靜止坐標(biāo)系下的電壓和電流平衡方程。

圖3 混合型逆變器等效電路

利用坐標(biāo)變換，將式（2）變換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，得到式（3）。式中，為dq軸旋轉(zhuǎn)頻率。

（3）

根據(jù)異步電機(jī)按轉(zhuǎn)子定向的矢量控制原理[8]，可以得到在同步坐標(biāo)系下解耦的異步電機(jī)電壓方程。

將公式（3），（4）進(jìn)行聯(lián)立，可以得到主從逆變器的輸出電壓表達(dá)式

通過公式（5）可知，當(dāng)電機(jī)定子電壓保持為設(shè)定值時，主、從逆變器為了能夠穩(wěn)定地跟蹤電機(jī)定子電壓，與其有上式關(guān)系。進(jìn)而可知，從逆變器是通過補(bǔ)償諧波電流的方式實(shí)現(xiàn)電壓補(bǔ)償?shù)模罱K達(dá)到快速精準(zhǔn)調(diào)速的目的。

3.2 混合型逆變器控制策略

圖4 混合型逆變器控制策略

混合型逆變器采用了磁鏈開環(huán)的間接矢量控制方式。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以分為兩個部分，如圖4所示。

根據(jù)圖4可知，第一部分實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的矢量控制中的轉(zhuǎn)速控制和磁鏈控制，通過給地磁鏈計算獲得參考勵磁電流，通過給定轉(zhuǎn)速與反饋轉(zhuǎn)速得到參考轉(zhuǎn)矩電流；第二部分實(shí)現(xiàn)對主、從逆變器的調(diào)制控制，以第一部分的輸出電流作為參考量，對主逆變采用PWM調(diào)制算法。從逆變器對主逆變器諧波進(jìn)行補(bǔ)償，其參考電流為主逆變器實(shí)際電流與矢量控制輸出電流的偏差值。由于功能不同，對從逆變器獨(dú)立地采用PWM控制。

4 仿真結(jié)果及分析

本文在Matlab軟件中對傳統(tǒng)逆變器控制系統(tǒng)和混合型逆變器控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)(9)。仿真模型如圖5所示。

（a）傳統(tǒng)逆變器控制系統(tǒng)

在仿真模型中，設(shè)定直流電壓650 V，主逆變器采用GTO，開關(guān)頻率設(shè)定為1 kHz，；從逆變器采用IGBT，開關(guān)頻率為10 kHz，。三相異步電機(jī)額定電壓380 V，頻率50 Hz，電機(jī)極對數(shù)，額定功率為20 kW，額定轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)動慣量，給定轉(zhuǎn)速為，轉(zhuǎn)子給定磁通0.54 Wb，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為。仿真結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6為傳統(tǒng)逆變器定子A相電流的仿真結(jié)果，圖7為混合型逆變器A相電流仿真結(jié)果。對比圖6（a）和圖7（a），傳統(tǒng)逆變器系統(tǒng)中定子電流毛刺較多，而混合型逆變器系統(tǒng)中定子電流毛刺明顯減少，電流波形更趨于正弦波。對比圖6 (b)和圖7 (b)，傳統(tǒng)逆變器系統(tǒng)中定子電流畸變率為7.73%，而混合型逆變器系統(tǒng)中畸變率為3.83%，低于5%的標(biāo)準(zhǔn)要求。尤其是特征諧波和高次諧波，得到了很好的抑制，均降到了1%以下。

5 結(jié)束語

本文對船舶電力系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生原因，危害及傳統(tǒng)的抑制措施進(jìn)行了介紹，提出了基于混合型逆變器控制系統(tǒng)的諧波抑制方法。對控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了推導(dǎo)說明，并在Matlab軟件中搭建了仿真模型，進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。通過對傳統(tǒng)逆變器控制系統(tǒng)和混合型逆變器控制系統(tǒng)性能對比分析，采用混合型逆變器控制的異步電機(jī)定子電流諧波含量得到了改善，尤其是降低了特征諧波和高次諧波。說明了混合型逆變器控制系統(tǒng)在船舶電力系統(tǒng)諧波抑制中具有可行性。

（a）定子A相電流

（b）定子A相電流諧波畸變率

圖6 傳統(tǒng)逆變器仿真結(jié)果

（a）定子A相電流

（b）定子A相電流諧波畸變率

圖7 混合型逆變器仿真結(jié)果

[1] 肖樂明. 船舶電力系統(tǒng)高次諧波危害與抑制研究 [J]. 中國航海, 2006, 1: 86-90.

[2] 趙懷軍, 宋倩楠, 邱宗明, 等. 艦船電力系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生、危害和抑制 [J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2007, 29(4): 61-65.

[3] 葉萍. 船舶電力系統(tǒng)諧波的危害與治理 [J]. 船電技術(shù), 2011, 31(11): 58-61.

[4] 沈愛弟, 黃學(xué)武. 現(xiàn)代傳播電力推進(jìn)中的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù) [J]. 航海技術(shù), 2004,(11): 43-45.

[5] Trzynadlowski A M, Patriciu N, Blaabjerg F, et al. A hybrid, current-source/voltage-source power inverter circuit[J]. Power Electronics, IEEE Transactions on, 2001, 16(6): 866-871.

[6] Kwak S, Toliyat H A. A hybrid converter system for high-performance large induction motor drives[J]. Energy Conversion, IEEE Transactions on, 2005, 20(3): 504-511.

[7] 魏永清, 張曉鋒, 喬嗚忠. 用于電機(jī)傳動系統(tǒng)的多逆變器并聯(lián)控制技術(shù) [J]. 電機(jī)與控制學(xué)報, 2010, 14(2): 36-40.

[8] 張春喜. 異步電機(jī) SVPWM 矢量控制仿真分析 [J]. 電機(jī)與控制學(xué)報, 2008, 12(2): 160-163.

[9] 吳興華. 變流裝置及其諧波仿真分析 [J]. 自動化技術(shù)與應(yīng)用, 2007, 26(11): 81-82.

Research on Harmonic Suppression of Marine Power System Based on Hybrid Inverter Control

Yang Zhe1, Shi Qingdan2

(1. Unit 91404 of PLA, Qinhuangdao 066000, Hebei, China; 2. Yanshan University, Qinhuangdao 066000, Hebei, China)

TM343

A

1003-4862（2017）09-0072-05

2017-06-15

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目：用于交流驅(qū)動系統(tǒng)的混合型逆變器優(yōu)化控制研究（51307180）

楊哲（1989-），男，工程師。研究方向：電力電子與電力傳動。