基于混合型逆變器控制的船舶電力系統諧波抑制研究

楊 哲，師慶丹

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基于混合型逆變器控制的船舶電力系統諧波抑制研究

楊 哲1，師慶丹2

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

船舶電力系統結構簡單容量小，所帶的非線性負載復雜，電網中諧波含量較高，對電網和設備帶來了危害。以降低諧波為目標，本文采用了一種混合型逆變器控制系統。通過獨立地對大功率低開關頻率逆變器與小功率高開關頻率逆變器進行載波調制，實現了交流驅動與諧波抑制。分析了系統的數學模型，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的仿真模型，并與傳統型逆變器控制系統進行了對比。仿真結果表明：混合型逆變器能夠有效減少特征諧波和高次諧波，在船舶電力系統中有良好的應用前景。

船舶電力系統 諧波抑制 混合型逆變器控制策略 Matlab

0 引言

近幾十年來，船舶電力系統采用了大量的電力電子技術以及電力電子器件。然而船舶電力電子裝置容量的不斷增大給船舶電力系統帶來了諧波問題，直接影響了船舶運行的安全性和經濟性。現代船舶使用的高技術儀器儀表和重要設備對電能質量有著嚴苛的要求，降低諧波含量已經成為當前船舶電力系統面臨的嚴重問題。因此，需要對現代船舶電力系統的結構、運行等方面進行分析，從而找出行之有效的諧波抑制方法。

1 船舶電力系統諧波產生原因

船舶電網中的諧波是由非線性設備和負載產生，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載，如錨機、起貨機等。下面從船舶電力系統的幾個主要諧波源加以分析。

1）電機

目前船舶電力系統主要采用電勵磁同步發電機、永磁發電機、異步電機等機型。發電機作為船舶電網的電源，發出的電壓波形在理論計算時通常假設為正弦波。但是在實際使用中，由于發電機內部的定子和轉子間的氣隙受到鐵心齒、槽和工藝制造的影響，造成發電機中磁場分布不均勻，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

在船舶電力系統中，通常采用6脈動橋式變流裝置。根據變流裝置的原理可知，當直流側電流為恒定值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。

將交流測波形進行傅立葉變換，可以得到

由公式（1）可以得知，諧波次數越小，其對電網電流的影響越大；式中負諧波量即為變流裝置向電網所注入的諧波電流。一般情況下，變流裝置只產生特征諧波，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生特征諧波以外的諧波。

2 船舶電力系統諧波的危害與抑制

2.1 諧波的危害

諧波電流能夠在電網線路中形成諧波壓降[2]，進而產生有功功率和無功功率的損耗；諧波所導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備和線路，影響通訊網絡的正常工作。諧波電流會對導航設備和船用數字電路元件產生影響，破壞觸發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，相應的抑制措施也應運而生。文獻（3）指出在變流裝置中裝設LC濾波器，可以消除低次特征諧波，但是易受電網阻抗和運行狀態的影響。文獻（4）指出可以增加變流裝置的脈動數量，以此降低負載電機電流中的諧波分量，但這種方法占用空間大，費用高。在船舶電力系統中還可以向電網注入諧波電流，通過注入幅值相等，方向相反的諧波電流，以抵消系統中的諧波，如并聯型有源濾波器就是采用這種方法實現的，但是并聯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諧波抑制

3.1 混合型逆變器數學模型

為了降低變流裝置所產生的諧波電流，本文采用了一種新型的混合型逆變器拓撲結構，即大功率低開關頻率逆變模塊與小功率高頻率開關模塊的并聯[5]。這種并聯方式可以應用于容量較大的設備，并且控制策略更加靈活。目前，在國內針對多個相同逆變器模塊并聯的技術已經有很多研究成果，但是這類混合型逆變器的控制技術研究還較少。國外文獻[6]曾提出過用于電流補償的混合并聯技術，雖然其控制結構簡單，但是還存在動態響應不夠快，零序環流抑制困難的問題[7]。針對以上問題，混合型逆變器結合電機PWM控制策略，在同步坐標系下實現了混合型逆變器的協調控制。混合型逆變器拓撲結構圖如圖2所示。

在圖2中，M模塊為主逆變器，工作在低開關頻率，為電機工作提供大部分功率；S為從逆變器，工作在高開關頻率，主要負責諧波補償，在必要時還可提供小部分負載電流。

圖2 混合型逆變器拓撲結構

根據拓撲結構，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1、2、s分別表示主逆變器、從逆變器和電機定子。進一步可以得到在靜止坐標系下的電壓和電流平衡方程。

圖3 混合型逆變器等效電路

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

（3）

根據異步電機按轉子定向的矢量控制原理[8]，可以得到在同步坐標系下解耦的異步電機電壓方程。

將公式（3），（4）進行聯立，可以得到主從逆變器的輸出電壓表達式

通過公式（5）可知，當電機定子電壓保持為設定值時，主、從逆變器為了能夠穩定地跟蹤電機定子電壓，與其有上式關系。進而可知，從逆變器是通過補償諧波電流的方式實現電壓補償的，最終達到快速精準調速的目的。

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的間接矢量控制方式。其系統結構可以分為兩個部分，如圖4所示。

根據圖4可知，第一部分實現系統的矢量控制中的轉速控制和磁鏈控制，通過給地磁鏈計算獲得參考勵磁電流，通過給定轉速與反饋轉速得到參考轉矩電流；第二部分實現對主、從逆變器的調制控制，以第一部分的輸出電流作為參考量，對主逆變采用PWM調制算法。從逆變器對主逆變器諧波進行補償，其參考電流為主逆變器實際電流與矢量控制輸出電流的偏差值。由于功能不同，對從逆變器獨立地采用PWM控制。

4 仿真結果及分析

本文在Matlab軟件中對傳統逆變器控制系統和混合型逆變器控制系統進行了仿真實驗(9)。仿真模型如圖5所示。

（a）傳統逆變器控制系統

在仿真模型中，設定直流電壓650 V，主逆變器采用GTO，開關頻率設定為1 kHz，；從逆變器采用IGBT，開關頻率為10 kHz，。三相異步電機額定電壓380 V，頻率50 Hz，電機極對數，額定功率為20 kW，額定轉速，轉動慣量，給定轉速為，轉子給定磁通0.54 Wb，負載轉矩為。仿真結果如圖6、圖7所示。

圖6為傳統逆變器定子A相電流的仿真結果，圖7為混合型逆變器A相電流仿真結果。對比圖6（a）和圖7（a），傳統逆變器系統中定子電流毛刺較多，而混合型逆變器系統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)，傳統逆變器系統中定子電流畸變率為7.73%，而混合型逆變器系統中畸變率為3.83%，低于5%的標準要求。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 結束語

本文對船舶電力系統諧波的產生原因，危害及傳統的抑制措施進行了介紹，提出了基于混合型逆變器控制系統的諧波抑制方法。對控制系統的數學模型進行了推導說明，并在Matlab軟件中搭建了仿真模型，進行了仿真驗證。通過對傳統逆變器控制系統和混合型逆變器控制系統性能對比分析，采用混合型逆變器控制的異步電機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在船舶電力系統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 傳統逆變器仿真結果

（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果

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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

國家自然科學基金項目：用于交流驅動系統的混合型逆變器優化控制研究（51307180）

楊哲（1989-），男，工程師。研究方向：電力電子與電力傳動。