基于SAPF的船舶電力系統諧波抑制

李春華，王歌潮，戴躍偉，陳嘉鴻

(1．中國衛星海上測控部，江蘇江陰214431;2．江蘇科技大學 自動化系，江蘇鎮江212003)

0 引言

大量非線性電力電子裝置，如變頻器和整流器等在船舶電力系統中大量使用，給船舶電力系統帶來嚴重的諧波污染，這將導致設備容量和線路損耗增加，降低發電機、電氣設備的運行效率和使用壽命，有可能導致繼電保護和自動控制裝置的誤動作，對通信設備和測控設備產生嚴重干擾，對船舶電力系統的安全和可靠性構成危害［1－3］。

有源電力濾波器 (Active Power Filter，APF)［4－6］是一種用于動態抑制諧波、補償無功的新型裝置，它能對大小和頻率變化的諧波和無功功率同時進行補償，運行靈活，不僅濾波效果好，而且克服了無源濾波器 (Passive Power Filter，PPF)［7］對電網參數敏感、易與電網產生串/并聯諧振、體積龐大等缺點。

目前，由于檢測手段和方法的限制，船舶上諧波分析多為通過檢測工具對個別點進行直接測量，無法對整個船舶電網進行系統分析和研究，從而無法系統分析諧波源，及其相互影響。要實現船舶電網諧波的有效抑制，必須先為船舶電力系統建立一個精準的仿真平臺，方可進而提出滿足要求的系統的諧波抑制方案［8－9］。

本文將以建立的船舶電力系統模型為平臺，設計并聯型有源電力濾波器，包括諧波電流檢測模塊和補償電流的跟蹤控制模塊，并對船舶電力系統中典型強非線性負載的諧波抑制進行仿真，以驗證并聯型有源濾波器對船舶電力系統諧波抑制的有效性。

1 并聯型有源電力濾波器的設計

并聯型有源電力濾波器 (Shunt Active Power Filter，SAPF)［10］的基本工作原理如圖1所示。SAPF是從補償對象中實時檢測出諧波電流i*c，由補償電路產生與諧波電流幅值相等相位相反的補償電流ic，注入電網后與諧波電流相互抵消，從而使電網電流只含基波分量if。并聯型有源電力濾波器 (SAPF)的設計主要包括:諧波電流實時準確的檢測技術和諧波補償電流的跟蹤控制技術。

圖1 并聯型有源電力濾波器SAPF的基本原理Fig.1 The basic principle of SAPF

1.1 諧波電流的檢測

基于瞬時無功功率理論的ip－iq諧波電流檢測方法如圖2所示。將實時檢測到的三相電源電流進行坐標變換，與三相電源電流相減，實時檢測出總諧波電流分量，把電流分解為基波和諧波部分。

將三相電流ia，ib，ic經過3/2變換，變換為靜止 α，β 兩項坐標系的電流 iα，iβ。

將Ua通過鎖相環和正、余弦信號發生電路得到與Ua同相位的正弦信號 sinωt和對應的余弦信號cosωt，獲得變換陣

將2項電流iα與iβ經過坐標變換矩陣Cpq得出該坐標系下的有功和無功電流分量ip與iq。

有功和無功電流分量ip與iq經過低通濾波器濾除交流分量，得到對應的直流分量，直流分量分別對應于基波分量產生的有功和無功電流，被濾除的交流分量對應其高次諧波產生的有功和無功電流。

iαf與 iβf在經過 2/3 變換得到三相的基波電流iaf，ibf，icf。

最后的諧波 iah，ibh，ich為:

由于該方法只使用a相電壓的相位，因此其檢測結果的精度不受電壓畸變的影響。

1.2 諧波電流的跟蹤控制

由SAPF的諧波跟蹤控制模塊實現對檢測到的諧波電流 (指令電流信號i*)的實時跟蹤，目前常用的方法有滯環控制法［11］和三角波比較法［12］。由于滯環控制法電路簡單，響應快，且不需載波，故選擇其作為諧波電流跟蹤控制的方法。圖3為采用了滯環比較器實現諧波電流的跟蹤控制圖。滯環控制法根據給定補償信號i*與測得的諧波補償器輸出電流i的誤差來控制諧波補償器的開關動作。當誤差超過上、下限 (由滯環環寬決定)時開關立即動作，使實際電流始終保持在滯環帶內，圍繞其參考信號上下波動。

圖3 諧波電流跟蹤與控制Fig.3 Harmonic current tracking and control

2 船舶電力系統的模型

船舶電力系統是由船舶電站、輸電網和用電負載等部分構成的容量有限的獨立小型電力系統。在Matlab/simulink環境中搭建了基于SAPF的船舶電力系統諧波抑制仿真模型，如圖4所示。

船舶的電力負荷設備主要包括甲板機械、廚房設備、機艙機械、空調、冷藏、通風、導航、通信和照明等，其中電動機是船舶的主要負載類型。由于強非線性的電力電子器件在船舶上的大量使用，使其成為船網諧波的主要來源，而且大功率負載(例如空調、側推，錨機、纜車等)的運行對船舶電網具有較大沖擊，此處選擇變頻器加大電動機作為典型諧波源。變頻器采用常用的6脈波AC－DC－AC形式，其整流環節將脈動的電信號反饋到電網當中，所以抑制變頻器的諧波主要是控制其整流部分產生的諧波。

圖4 船舶電力系統諧波抑制仿真模型Fig.4 Simulation model of harmonic suppression for marine electric power system

一般而言，P脈波變流器產生的諧波次數為:h=Pn ±1，n=1，2，3，4，…。因此6脈波變頻器的交流電網側一般產生 5，7，11，13，17，19，…次諧波，諧波次數越高，諧波幅值越小。除諧波外，電網側同時會出現非整數倍基波的間諧波。

3 仿真結果分析

為驗證并聯型有源電力濾波器SAPF對船舶電力系統諧波的抑制效果，在基于SAPF的船舶電力系統諧波抑制仿真模型基礎上進行諧波抑制實驗。采用SAPF的船舶電網諧波抑制仿真波形，如圖5所示。由圖5可看出，基于SAPF使電網電流的波形較不使用濾波器時得到較大改善。圖6給出了諧波電流補償前后的頻譜分析，從頻譜分析結果看，補償前電網電流的5，7，11，13次諧波污染嚴重，電流總畸變率達到11.96%，補償后電網電流總畸變率為3.64%，達到了IEEE519及我國船級社對諧波總畸變率的標準為5%以下的要求。

圖5 采用SAPF的電網諧波抑制仿真波形Fig.5 Simulation waveforms of harmonic current suppressed by SAPF

圖6 電網頻譜分析Fig.6 Power grid spectrum analysis

4 結語

針對船舶上大量電力電子設備等強非線性設備的使用給船舶電網帶來的嚴重的諧波污染問題，采用了并聯型有源電力濾波器進行船舶電網的諧波抑制。從分析船舶電網諧波成分入手，設計了諧波電流檢測模塊和補償電流的跟蹤控制模塊，并基于建立的船舶電力系統仿真模型，驗證了并聯型有源濾波器對船舶電力系統諧波抑制的有效性，仿真結果表明SAPF技術可以有效補償船舶電網的諧波成分，并滿足相關標準要求，該技術對于船舶電力系統的諧波治理具有較好的應用價值。

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