船舶電力推進系統諧波抑制仿真研究

姜一帆，侯良生，徐青

(上海船舶研究設計院，上海 200120)

0 引 言

近年來電力推進系統在船舶行業迅速發展，大量的電力電子設備應用于現代化船舶上，使電力系統更加節能和高效。然而，電力電子設備中大量非線性部件的使用也產生了大量諧波，降低了電能質量，對船舶設備特別是精密的通訊和控制設備帶來不利影響。

大量非線性負載和變頻設備是電力推進系統諧波的主要產生源。電力系統對諧波有一定的承受能力，但電網諧波含量超出系統承受能力后，會產生諧波壓降，加速電纜絕緣的老化，引起電機發熱，銅耗鐵耗增加，產生振動與噪聲，導致設備使用壽命縮短[1]。當諧波含量持續過高時，會造成晶閘管故障，損害變流裝置，嚴重時將引起控制和保護裝置的誤動作，降低控制系統的可靠性。

以波形畸變率來衡量諧波的大小，電壓畸變率THDu和電流畸變率THDi分別定義為[2]：

式中：UH為諧波電壓含量，IH為諧波電流含量，U1、I1分別為基波電壓、電流有效值。

在目前的諧波抑制方法中，主動性諧波抑制是從諧波源本身出發消除或減少諧波的產生。多相整流技術是較有效的手段，通常情況下，變頻器整流裝置的脈波次數越多，變頻器自身產生的諧波越少，注入電網中的諧波也越少，進而降低電網諧波含量[3,4]。被動型諧波抑制是在諧波產生之后，通過電力濾波裝置來消除諧波，無源電力濾波器(Passive Power Filter，PPF)和有源電力濾波器(Active Power Filter，APF)是該方案中常用的設備[5]。無源電力濾波器因具備技術成熟、價格便宜、結構簡單等優點被廣泛應用在實船上，但該裝置只能抑制固定頻率的諧波，對電網參數敏感，諧波抑制性能有限[6]。與無源電力濾波器相比，有源電力濾波器能夠對電網中所有階次的諧波進行實時檢測、實時補償，具有比無源電力濾波器更好的諧波抑制性能[7]。

相較于串聯型有源電力濾波裝置，并聯型有源電力濾波裝置(Shunt Active Power Filter，SAPF)投切方便、布置靈活、保護簡單，可應用于多種容量的場合。SAPF 在檢測諧波電流、生成補償電流的過程中，電力變換主電路直流側電壓是否穩定對裝置諧波抑制效果有很大的影響，因此需要對直流側電壓進行控制[8,9]。

針對上述問題，本文使用SAPF 對電網諧波進行抑制，設計PI 控制器對直流側電壓進行控制，保持并聯型有源電力濾波裝置電力變換主電路直流側電壓的穩定。在MATLAB/Simulink 平臺中構建并聯型有源電力濾波裝置和等效電網模型，驗證PI 控制器的有效性。

1 SAPF 裝置的組成及工作原理

1.1 SAPF 裝置的組成

并聯型濾波裝置的基本組成如圖1 所示，工作過程主要包括三個環節：諧波電流檢測環節、主電路PWM 信號產生環節和主電路直流側電壓控制環節。

圖1 并聯型有源電力濾波裝置基本結構圖

指令電流運算電路將檢測到電網中諧波電流的分量相位取反后輸出至電流跟蹤控制電路；電流跟蹤控制電路根據指令電流運算電路的輸入值和電力變換主電路實際生成的補償電流值共同作用形成PWM 信號；驅動電路和主電路根據PWM信號使用脈寬調制技術，產生相應的補償電流注入電網，消除電網諧波[6]。

1.2 基于ip-iq 的諧波電流檢測

常用的基于瞬時無功功率的諧波檢測方法是p-q 諧波檢測方法和ip-iq諧波檢測方法，兩者在電網電壓未發生畸變時對諧波的計算都是精確的。當電壓發生畸變后，無論畸變后的電壓是否對稱，p-q 諧波檢測方法計算出的諧波電流都是有誤差的，而ip-iq諧波檢測方法不需要直接利用電壓信息，只需要電壓的正余弦信號，因此在電壓發生畸變后結果仍然準確[10]。本文使用ip-iq諧波檢測方法檢測電網諧波。

ip-iq諧波檢測方法的結構圖如圖2 所示。三相電流ia、ib、ic經過坐標變換為靜止α、β 兩項坐標系下的電流iα、iβ。

圖2 ip-iq 諧波檢測方法結構原理圖

使用a 相電壓經過鎖相環和正余弦發生電路得到同相位的正弦波信號和余弦波信號，將兩項靜止電流iα、iβ經過坐標變化矩陣Cpq得到兩項靜止坐標系下的有功電流和無功電流分量ip、iq。

將被檢測電流和基波電流相減即可得到需要的諧波分量iah、ibh、ich。

1.3 直流側電容電壓控制

SAPF 主電路直流側電容電壓的穩定能夠保障濾波器的良好運行效果，而直流側電容在工作過程中會產生一部分能量損耗，導致電壓降低，因此必須對直流側電容的電壓進行穩定控制，進而確保裝置的正常運行。

船舶電網是三相三線制系統，根據電網特性可知，當SAPF 在補償諧波時，主電路直流側電容電壓會受到瞬時有功功率變化的影響，電壓的變化與交流側基波電流的有功分量有關[7]。

若三相電源沒有諧波，電源電壓及負載平衡，則SAPF 主電路直流側和交流側的瞬時功率平衡可以表示為[7]：

式中：ua、ub、uc為三相電壓；ica、icb、icc為三相補償電流；Rs、Ls分別為SAPF 主電路的電阻、電感系數；UDC為逆變器直流側電壓。

根據電力系統三相對稱的特性，式(9)可以變化為：

式中：Ua為三相電壓；Icap、Icaq分別為A 相有功、無功補償電流的有效值。則有：

則有：

當系統達到穩態時，有：

結合式(12)和(13)可得：

因此，SAPF 在頻域內的傳遞函數可表示為：

根據式(15)可知，可使用比例積分控制邏輯對電容電壓的波動進行調整。引入直流側穩壓控制的ip-iq諧波檢測電路原理圖如圖3 所示。

圖3 引入直流側穩壓控制的ip-iq 諧波檢測電路原理圖

主電路直流側電壓的設定值與反饋值的差值輸入PI 調節器進行調節，之后與有功電流的基波分量相加，使經ip-iq諧波檢測電路得到的補償指令電流中包含了額定的基波電流成分，能夠補償因能量損耗而導致電容電壓降低的影響，進而維持Ud的恒定。

引入直流側穩壓控制的SAPF 裝置系統結構圖如圖4 所示。

圖4 SAPF 裝置系統結構圖

1.4 基于滯環電流控制法的電流跟蹤控制方式

如圖5 為采用滯環電流控制法的電流跟蹤控制模塊原理圖。

圖5 SAPF 裝置系統結構圖

滯環比較器將給定的補償信號ic*與測得的諧波補償器輸出電流ic的誤差值作為輸入值產生PWM 信號，之后PWM 信號通過驅動電路來控制補償器的開關動作，產生合適的補償電流[11]。

2 電力推進系統電網模型的建立與諧波分析

我院設計的某型電力推進船電力推進系統拓撲圖如圖6 所示，為方便分析電網諧波，驗證SAPF 裝置的諧波抑制效果，本文主要考慮兩個推進變頻裝置和其他非線性負載所產生諧波，建立的電網模型如圖7 所示。

圖6 電力推進系統拓撲結構圖

圖7 電力系統諧波分析電網模型

由上述仿真程序得到電網三相電流的波形圖如圖8(a)所示。使用基于FFT（Fast Fourier Transformation，快速傅里葉變換）方法對電網電流進行諧波分析，得到電網中的諧波含量如圖8(b)。

圖8 電網電流波形及FFT 分析結果

由仿真結果可知，未對電網諧波進行補償時，三相電流發生畸變，不再是理想的正弦信號。電流波形畸變率為8.3%，超過了船級社對電網諧波最高5%的要求，需對電網諧波進行抑制。

3 基于SAPF 的諧波抑制方法仿真驗證

根據SAPF 裝置各部分的數學模型，在Simulink 中搭建相應的仿真模型，組合得到完整的SAPF 裝置仿真模塊，結合等效電網模型如圖9 所示。

圖9 SAPF 整體Simulink 仿真模型

運行仿真程序，得到SAPF 裝置輸出的補償電流波形如圖10(a)所示，經過補償電流作用后電網三相電流波形如圖10(b)所示，電網的電流波形明顯的畸變消失。

圖10 補償電流波形及電網三相電流波形圖

SAPF 裝置主電路直流側電容電壓的波動如圖11(a)所示，可以看出直流側穩壓控制模塊具有較好的控制效果，穩定運行后直流側電容電壓基本恒定在設定值；對電網三相電流的A 相電流波形進行FFT 分析，得到的分析結果如圖11(b)所示電流波形畸變率由8.3%降低至2.92%，證明SAPF 裝置具有良好的諧波抑制效果。

圖11 電容電壓及FFT 分析結果

4 結論

本文對SAPF 裝置進行研究，對SAPF 裝置各部分的工作原理進行分析，并對主電路直流側電容電壓進行穩壓控制。仿真實驗結果表明：SAPF 裝置具有良好的諧波抑制效果，所設計的應用于直流側穩壓控制的比例積分控制器具有良好的調節作用，能夠維持主電路直流側電容電壓的恒定，能夠保證SAPF 裝置的穩定可靠運行。