一種用于船舶電網(wǎng)的并聯(lián)型APF仿真分析

趙群

渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧葫蘆島 125003

一種用于船舶電網(wǎng)的并聯(lián)型APF仿真分析

趙群

渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧葫蘆島 125003

非線性電力電子裝置在船舶電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用的同時(shí)，對(duì)船舶電網(wǎng)也造成了一定量的諧波污染。諧波污染不僅會(huì)影響船舶電網(wǎng)中用電設(shè)備的可靠性而且還會(huì)對(duì)其安全運(yùn)行造成隱患，勢(shì)必要對(duì)電網(wǎng)中的諧波進(jìn)行治理。有源電力濾波器（APF）能夠有效對(duì)電網(wǎng)中的諧波進(jìn)行抑制，是目前常用的諧波治理方法。結(jié)合船舶電網(wǎng)的實(shí)際情況建立了可用于船舶電網(wǎng)諧波治理的并聯(lián)APF模型，并對(duì)傳統(tǒng)有源電力濾波器的諧波電流檢測(cè)方法進(jìn)行改進(jìn)，提出運(yùn)用自適應(yīng)濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)諧波電流檢測(cè)方法中的低通濾波器，能夠快速而準(zhǔn)確地對(duì)電網(wǎng)諧波電流進(jìn)行檢測(cè)。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提算法和建立模型的正確性和有效性。

船舶電網(wǎng)；諧波抑制；有源電力濾波器；自適應(yīng)濾波器；瞬時(shí)無(wú)功功率理論

電力電子裝置在近30年來(lái)大量地投入到了船舶電網(wǎng)中，隨著其容量越來(lái)越大，特別是大量的變流器、整流器以及逆變器裝置等非線性電力電子裝置在電網(wǎng)中的比重越來(lái)越大，給船舶電網(wǎng)帶來(lái)了嚴(yán)重的諧波污染，極大地降低了電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量［1］，對(duì)船舶的安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行造成了直接的影響，因此，有必要對(duì)諧波治理的方法進(jìn)行研究與探討。電網(wǎng)諧波的治理方法主要有2種：一種是預(yù)防性措施；另一種是補(bǔ)救性措施［2］。目前應(yīng)用較多的是后者，也就是在電網(wǎng)中使用濾波器，包括無(wú)源濾波器和有源電力濾波器（APF）兩類(lèi)［3-5］。然而，由于無(wú)源濾波器只能吸收電網(wǎng)中固定某次的諧波且受電網(wǎng)環(huán)境影響較大，因此，現(xiàn)如今研究與應(yīng)用較多的是有源電力濾波器。它是一種主動(dòng)對(duì)電網(wǎng)中的諧波進(jìn)行治理的電力電子裝置，能夠在補(bǔ)償諧波的同時(shí)也對(duì)無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償。

APF的補(bǔ)償性能受到諧波電流檢測(cè)精度與速度的影響，傳統(tǒng)ip-iq檢測(cè)算法檢測(cè)效果受到低通濾波器制約，難以同時(shí)獲得較好的檢測(cè)精度與較快的檢測(cè)速度［6］。本文對(duì)傳統(tǒng)檢測(cè)算法進(jìn)行改進(jìn)，利用自適應(yīng)濾波器實(shí)現(xiàn)低通濾波器，很好地改善了檢測(cè)效果，并利用MATLAB的SIMULINK工具對(duì)并聯(lián)型APF進(jìn)行了仿真分析，驗(yàn)證了改進(jìn)的算法和所建模型正確性和有效性。

1 并聯(lián)型APF原理

1.1 并聯(lián)型APF結(jié)構(gòu)

并聯(lián)型APF與諧波源并聯(lián)接入電網(wǎng)，向電網(wǎng)注入補(bǔ)償電流，表現(xiàn)出電流源的特性［7］。其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 并聯(lián)型APF結(jié)構(gòu)

從圖1中可以看出，并聯(lián)型APF主要由4部分構(gòu)成：指令電流運(yùn)算電路、PWM控制信號(hào)發(fā)生電路、主電路驅(qū)動(dòng)電路以及主電路。并聯(lián)型APF的基本工作原理是［8］：首先，并聯(lián)型APF的諧波檢測(cè)電路對(duì)諧波源側(cè)的電網(wǎng)電流進(jìn)行檢測(cè)，運(yùn)算出電網(wǎng)所需補(bǔ)償電流的指令電流；接著，指令電流控制PWM信號(hào)生成電路生成控制主電路逆變器相應(yīng)的PWM控制信號(hào)；最后，主電路電壓型逆變器在控制信號(hào)的作用下，各個(gè)橋臂不斷通、斷，產(chǎn)生補(bǔ)償電流，對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行諧波補(bǔ)償。

式中ilf為電網(wǎng)電流中的基波分量。

1.2 諧波電流檢測(cè)算法及其改進(jìn)方法

諧波電流檢測(cè)算法應(yīng)用與研究最多的是ip-iq算法，它是以H.Akagi在1983年提出的瞬時(shí)無(wú)功功率理論為基礎(chǔ)，計(jì)算三相電路的瞬時(shí)有功電流ip和瞬時(shí)無(wú)功電流iq，進(jìn)而計(jì)算獲得電網(wǎng)中的諧波分量［9］。其諧波檢測(cè)原理圖如圖2所示。

圖2 ip-iq諧波檢測(cè)原理圖

圖2中，ia、ib、ic是電網(wǎng)中負(fù)載三相電流的瞬時(shí)值，式（1）給出了根據(jù)瞬時(shí)無(wú)功功率理論可以得出的瞬時(shí)有功電流ip和瞬時(shí)無(wú)功電流iq。

由上述分析可知，檢測(cè)算法中運(yùn)用到了低通濾波器，這就使得檢測(cè)性能受到了低通濾波器截止頻率的制約，不能夠同時(shí)獲得較快的檢測(cè)速度與較高的檢測(cè)精度，因此有必要對(duì)其進(jìn)行改良。

圖3 LMS自適應(yīng)濾波器原理

LMS自適應(yīng)濾波算法表示為

根據(jù)LMS準(zhǔn)則，有權(quán)值的迭代公式：

式中：μ為控制自適應(yīng)濾波器收斂速度和使系統(tǒng)穩(wěn)定的迭代步長(zhǎng)因子。

在自適應(yīng)濾波器中，視ip（n）的直流分量為濾波器的期望信號(hào)，干擾信號(hào)為ip（n）中的諧波分量總和。濾波器的權(quán)值ω（n）通過(guò)誤差反饋信號(hào)e（n）的控制，跟蹤濾波器的最佳權(quán)值的變化，使得濾波器的輸出y（n）跟蹤ip（n）中直流分量的變化，輸出直流分量，從而實(shí)現(xiàn)低通濾波器功能。

1.3 并聯(lián)型APF控制策略

并聯(lián)型APF原理可知，主電路逆變器若要產(chǎn)生準(zhǔn)確的補(bǔ)償電流，其開(kāi)關(guān)器件必須要在比較精確地控制下進(jìn)行通斷操作，而其控制信號(hào)是由PWM控制電路來(lái)提供的。因此，PWM信號(hào)的產(chǎn)生對(duì)整個(gè)APF而言就是一個(gè)十分關(guān)鍵的組成部分。

一般而言，PWM信號(hào)由指令運(yùn)算電路所發(fā)出的指令電流和主電路生成的補(bǔ)償電流間的某種相互關(guān)系來(lái)產(chǎn)生，這種關(guān)系就是APF的控制策略，這種控制策略能夠控制PWM信號(hào)，以此來(lái)控制補(bǔ)償電流跟蹤指令電流的變化，進(jìn)而保證補(bǔ)償電流的準(zhǔn)確性［13］。

若要對(duì)一個(gè)電網(wǎng)的諧波電流進(jìn)行較為精確地補(bǔ)償，那么就需要并聯(lián)APF產(chǎn)生的補(bǔ)償電流能夠很精

圖中，輸入值ip（n）為負(fù)載有功電流的采樣值；濾波器的參考輸入信號(hào)為直流量1；ω（n）為參考輸入的權(quán)值；y（n）是濾波器的輸出確地跟隨指令電流的變化而變化，APF的控制方式就顯得尤為關(guān)鍵。本文采用目前常用的滯環(huán)比較法來(lái)產(chǎn)生控制主電路的PWM信號(hào)，原理如圖4所示。

圖4 滯環(huán)比較法原理

1.4 直流側(cè)穩(wěn)壓控制

并聯(lián)型APF主電路的逆變器是電壓型逆變器，前述可知其直流側(cè)帶有一個(gè)電容C，充當(dāng)著電壓源的作用。電容C兩端的電壓決定著逆變器產(chǎn)生的補(bǔ)償電流能否準(zhǔn)確地對(duì)電網(wǎng)諧波中諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償，電容C兩端端電壓的穩(wěn)定是并聯(lián)型APF對(duì)電網(wǎng)諧波電流準(zhǔn)確補(bǔ)償?shù)那疤幔瑥亩a(chǎn)生準(zhǔn)確的PWM控制信號(hào)［14］。

電容C兩端的電壓對(duì)逆變器輸出補(bǔ)償電流造成的影響主要有2個(gè)：一個(gè)是在電壓過(guò)低時(shí)容易出現(xiàn)欠補(bǔ)償現(xiàn)象，使得逆變器輸出的補(bǔ)償電流難以保證有較高的精度；另一個(gè)是在電壓較高時(shí)，容易出現(xiàn)過(guò)補(bǔ)償現(xiàn)象，在這種情況下，逆變器輸出的補(bǔ)償電流會(huì)多出額外的諧波電流注入電網(wǎng)，干擾APF對(duì)電網(wǎng)諧波電流的補(bǔ)償。因此，若要獲得較為理想的補(bǔ)償效果，就必須保證電容C兩端的電壓維持在一個(gè)比較穩(wěn)定的值。然而，APF自身并不能維持電容C兩端電壓維持在一個(gè)穩(wěn)定的范圍內(nèi)，需要借助外部措施來(lái)解決這種問(wèn)題，避免過(guò)補(bǔ)償或者欠補(bǔ)償對(duì)補(bǔ)償性能的影響。由于電容C的作用相當(dāng)于一個(gè)電壓源，因此，本文對(duì)直流側(cè)電壓進(jìn)行控制的方法是將直流電容用一個(gè)單獨(dú)的直流電源來(lái)代替，相當(dāng)于直流側(cè)電容C兩端電壓能夠維持在一個(gè)穩(wěn)定的值。

2 并聯(lián)型APF仿真建模分析

2.1 建立仿真模型

船舶電網(wǎng)屬于低壓配電網(wǎng)，三相三線制并聯(lián)APF能夠很好地滿足船舶電網(wǎng)諧波抑制的要求。本文運(yùn)用SIMULINK工具對(duì)并聯(lián)型APF進(jìn)行了仿真建模，仿真模型如圖5所示。

圖5 并聯(lián)型APF仿真模型

從圖5可以看出，本文所建立的仿真驗(yàn)證模型主要分為3個(gè)部分：諧波源、并聯(lián)型APF以及電壓源。其中，電壓源的參數(shù)為380 V、50 Hz；諧波源采用了三相橋式全控整流電路來(lái)進(jìn)行仿真，其仿真模型如圖6所示。

圖6 諧波源模型

從圖6中可以看出，本文所建立的諧波源模型由三相可控硅整流橋構(gòu)成，其中，同步六脈沖發(fā)生器和可控硅整流橋共同組成完整的可控硅整流電路，通過(guò)給定的脈沖發(fā)生器輸入端alpha_deg輸入?yún)?shù)，可以控制整流橋門(mén)極觸發(fā)脈沖的觸發(fā)角大小，本文觸發(fā)角為30°，整流帶阻感為R＝100Ω、電感L＝10mH。

2.2 仿真結(jié)果分析

由于電網(wǎng)的三相負(fù)載對(duì)稱，所以電網(wǎng)三相電壓有著相同的波形不同的相位，只需要對(duì)一相分析即可，本文以A相為例。圖7給出了在APF沒(méi)有對(duì)電網(wǎng)諧波進(jìn)行補(bǔ)償情況下電網(wǎng)A相的電流波形。

圖7 補(bǔ)償前A相電流波形

從圖中可以看出，在未對(duì)電網(wǎng)諧波進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，電網(wǎng)A相電流發(fā)生了明顯的畸變，通過(guò)SIMULINK中的powergui模塊分析后可以知道電網(wǎng)A相電流的諧波畸變率THD＝13.01%。圖8、9給出了本文所建立并聯(lián)型APF投入到電網(wǎng)后所檢測(cè)到的電網(wǎng)諧波電流以及對(duì)電網(wǎng)諧波電流補(bǔ)償后的波形圖。

圖8 電網(wǎng)A相諧波電流

圖9 補(bǔ)償后A相電流波形及其頻譜分析

從圖8、9中可以看出在運(yùn)用本文所建的并聯(lián)型APF對(duì)電網(wǎng)諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償后，A相電流的畸變程度顯著降低，THD＝3.58%，電網(wǎng)電能質(zhì)量得到明顯改善，驗(yàn)證本文所提諧波電流檢測(cè)算法以及所建立的并聯(lián)型APF模型的正確性和有效性。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著船舶電力系統(tǒng)中的非線性電力電子裝置的廣泛應(yīng)用，使得船舶電網(wǎng)中存在著大量的諧波污染，降低了電網(wǎng)的電能質(zhì)量，影響用電設(shè)備的安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。為改善電能質(zhì)量，對(duì)傳統(tǒng)船舶電網(wǎng)諧波治理方法——有源電力濾波器進(jìn)行了研究，提出低通濾波器是制約其性能的主要環(huán)節(jié)，并對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，運(yùn)用LMS自適應(yīng)濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)諧波檢測(cè)算法中的低通濾波器，很好地提高了檢測(cè)性能。最后，針對(duì)船舶電網(wǎng)低壓配電網(wǎng)建立了完整的并聯(lián)型APF模型，仿真結(jié)果表明，所提諧波電流檢測(cè)算法和所建立的并聯(lián)型APF模型的正確性和有效性。

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Simulation analysis of a shunt active power filter（APF）used for the ship power system

ZHAO Qun
Bohai Shipbuiling Vocational College，Huludao 125003，China

Nonlinear power＆electronic devices are widely used in the ship power system，and at the same time，they also cause harmonic pollution to the ship power system.Harmonic pollution affects reliability of the electrical e-quipment of the ship power system，and endangers its safe operation，so the harmonic wavemust be suppressed.The active power filter（APF）can effectively suppress harmonics，it is the frequently－used method at present.Combined with the actual situation of the power system in a ship，a shunt APFmodel is established in this paper for suppressing the harmonic of the power system in a ship.In addition，the traditional detection method for harmonic current of APF is improved.The adaptive filter is used to achieve the function of the low pass filter in the traditional harmonic current detection method，which can detect the harmonic current quickly and accurately.The simulation results show the correctness and effectiveness of the algorithm and themodel.

ship power system；harmonic suppression；active power filter；adaptive filter；instantaneous reactive power theory

TM935

A

1009-671X（2015）02-005-04

10.3969／j.issn.1009-671X.201407001

2014-07-07.

日期：2015-03-25.

趙群（1979-），男，講師.

趙群，E-mail：zhaoqun2011＠163.com.

http：／／www.cnki.net／kcms／detail／23.1191.u.20150325.1316.019.html