基于PWM控制的有源濾波在浮吊船上的應用

鄒麗麗，魏同曉

（海南世天郵輪集團有限公司上海分公司，上海 200443）

0 引 言

隨著船舶日益大型化，船舶電力系統的結構越來越復雜，功能越來越強大。為滿足多方面的功能需求，船舶通常會應用大量電力電子裝置，在滿足大型船舶的復雜功能要求的同時，出現了嚴重的諧波問題。當前，有源濾波器已在船上得到應用，為解決船舶電力系統存在的諧波問題提供了新的方案。

1 規范對諧波的要求

本文以某浮吊船為例進行分析。該船入級法國船級社（Bureau Veritas，BV），根據2018 版BV 規范NR467（《鋼質船舶入級規范》）C篇第2 章第2 節2.4.2 條的規定，由靜態變流器供電的交流系統或以靜態變流器為主的系統需滿足：

1）單次諧波不超過標準電壓的5%，直到標準頻率的第15 次諧波，在第100 次諧波時減少到1%；

2）總的諧波畸變不超過8%。

2 諧波控制方式

對于減少諧波影響的技術措施，可從2 個方面考慮：一是從諧波源出發，在源頭上減少諧波的產生；二是安裝濾波裝置。

2.1 減少整流裝置諧波的輸出［4-5］

一般采用增加整流相數的方法，如采用十二相及十二相以上的多相整流電路，根據規范的要求，通過適當控制，大大減少輸出電流中的諧波。若采用該方法不能滿足要求，則必須考慮采取另外加濾波的措施解決。表1 為不同整流裝置的諧波比較。

表1 不同整流裝置的諧波比較

2.2 基于PWM控制的有源濾波器［6-8］

本文采用的濾波器為并聯型有源濾波器，采用的控制方法為脈寬調制（Pulse Width Modulation，PWM）。并聯型有源濾波器與系統并聯等效為一個受控電流源，見圖1。有源濾波器向系統注入與諧波電流大小相等、方向相反的電流，達到濾波的目的。

圖1 有源濾波器的基本拓撲結構圖

PWM逆變器的工作原理是在逆變器輸出的周期內將直流輸入斬成幅值相等、寬度可變的脈沖序列加在負載兩端。通過對脈沖寬度進行調制，對逆變開關進行控制，改變每個工作周期內開關導通占空比，達到調節電壓的目的，從而有效控制逆變器輸出的基波分量和諧波分量，實現諧波治理。用可變脈寬的多脈沖調制，改變逆變開關開通和關斷時刻，以此消除某些次諧波，當前較多采用正弦脈寬調制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM），即通過對一系列不等寬的脈沖進行調制等效正弦波形，其主電路見圖2。

圖2 三相橋式PWM型逆變電路

三相調制信號U、U和U為相位依次相差120°的正弦電壓波，三相載波信號共用1 個正負方向變化的三角形波U。以相為例：在U＞U的各區間，給上橋臂V1 導通信號，給下橋臂V4 關斷信號，于是相對直流電源假象中性點N′的輸出電壓為U=U/2；當U＜U時，給V4 導通信號，給V1 關斷信號，U= -U/2。V1 與V4 的驅動信號始終是互補的。相和相的控制方式與相相同。三相橋式PWM型逆變電路都采用雙極性控制方式，這里以相為例，雙極性PWM控制方式波形見圖3。

圖3 雙極性PWM控制方式波形

3 基于PWM控制的有源濾波器在浮吊船上的應用

3.1 船舶基本參數

本文所述目標船為全回轉浮吊船，總長75 m，型寬25 m，型深5.5 m，設計吃水3.3 m，甲板載荷10 t/m，服務航速6.0 kn，入級BV。

3.2 浮吊供電單線圖

浮吊供電單線圖見圖4。該船的浮吊采用直流傳動，沒有采用移相變壓器，諧波較高，需另外加濾波器。

圖4 浮吊供電單線圖

3.3 船舶有源濾波器配置

該浮吊船為新造船，通過綜合分析確定總線治理方式，系統的諧波源主要是2 種型號的6 臺直流電機，即2 臺452 kW的直流電機和4 臺90 kW的直流電機。根據經驗，該系統的諧波含量在40%左右。

由吊車手臂的動作規律可確定負載不同時工作。因此，根據浮吊的實際運行情況，通常都是1 臺452 kW的直流電機與4 臺90 kW的直流電機同時工作；通過綜合考慮，既能最大程度地減少濾波器的容量，又能滿足諧波限值要求。經分析，給出以下方案：

1）2 臺452 kW的直流電機單一動作，以1 臺直流電機容量治理，電壓等級為690 V，取功率因數為0.9，可得

式（1）和式（2）中：為電機額定功率；為電機額定電壓；φ為功率因數角；為總的諧波電流；為總的電流有效值；為電流諧波總畸變率。

2）4 臺90 kW的直流電機同時動作，需共同治理，電壓等級為440 V。若要在690 V側集中治理，則電壓等級為690 V，取功率因數為0.9，可得

根據以上分析配置諧波治理方案，在690 V電壓總線上進行集中治理，可節省空間、降低施工難度、提高工作效率、方便統一檢測和降低維護工作難度等。綜上分析，有源濾波器參考配置容量見表2，有源濾波器主要技術參數見表3。根據現場實測諧波值，有源濾波器接入前后的諧波含有率對比見表4。對比規范的要求，治理后總的諧波含有率低于8%，滿足規范的要求。

表2 有源濾波器參考配置容量

表3 有源濾波器主要技術參數

表4 有源濾波器接入前后的諧波含有率對比

4 結 語

通過將基于PWM控制的有源濾波器在浮吊船上應用的實測結果與不接入濾波器的實際值相對比可知，有源濾波器對諧波的控制效果良好，能實時有效地抑制諧波，改善電網電能質量，增強電力系統的穩定性，是解決船舶電力系統諧波問題的有效手段之一，可為其他船型的諧波控制提供參考。