基于SAPF的船舶电力系统谐波抑制

李春华，王歌潮，戴跃伟，陈嘉鸿

(1．中国卫星海上测控部，江苏江阴214431;2．江苏科技大学 自动化系，江苏镇江212003)

0 引言

大量非线性电力电子装置，如变频器和整流器等在船舶电力系统中大量使用，给船舶电力系统带来严重的谐波污染，这将导致设备容量和线路损耗增加，降低发电机、电气设备的运行效率和使用寿命，有可能导致继电保护和自动控制装置的误动作，对通信设备和测控设备产生严重干扰，对船舶电力系统的安全和可靠性构成危害［1－3］。

有源电力滤波器 (Active Power Filter，APF)［4－6］是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型装置，它能对大小和频率变化的谐波和无功功率同时进行补偿，运行灵活，不仅滤波效果好，而且克服了无源滤波器 (Passive Power Filter，PPF)［7］对电网参数敏感、易与电网产生串/并联谐振、体积庞大等缺点。

目前，由于检测手段和方法的限制，船舶上谐波分析多为通过检测工具对个别点进行直接测量，无法对整个船舶电网进行系统分析和研究，从而无法系统分析谐波源，及其相互影响。要实现船舶电网谐波的有效抑制，必须先为船舶电力系统建立一个精准的仿真平台，方可进而提出满足要求的系统的谐波抑制方案［8－9］。

本文将以建立的船舶电力系统模型为平台，设计并联型有源电力滤波器，包括谐波电流检测模块和补偿电流的跟踪控制模块，并对船舶电力系统中典型强非线性负载的谐波抑制进行仿真，以验证并联型有源滤波器对船舶电力系统谐波抑制的有效性。

1 并联型有源电力滤波器的设计

并联型有源电力滤波器 (Shunt Active Power Filter，SAPF)［10］的基本工作原理如图1所示。SAPF是从补偿对象中实时检测出谐波电流i*c，由补偿电路产生与谐波电流幅值相等相位相反的补偿电流ic，注入电网后与谐波电流相互抵消，从而使电网电流只含基波分量if。并联型有源电力滤波器 (SAPF)的设计主要包括:谐波电流实时准确的检测技术和谐波补偿电流的跟踪控制技术。

图1 并联型有源电力滤波器SAPF的基本原理Fig.1 The basic principle of SAPF

1.1 谐波电流的检测

基于瞬时无功功率理论的ip－iq谐波电流检测方法如图2所示。将实时检测到的三相电源电流进行坐标变换，与三相电源电流相减，实时检测出总谐波电流分量，把电流分解为基波和谐波部分。

将三相电流ia，ib，ic经过3/2变换，变换为静止 α，β 两项坐标系的电流 iα，iβ。

将Ua通过锁相环和正、余弦信号发生电路得到与Ua同相位的正弦信号 sinωt和对应的余弦信号cosωt，获得变换阵

将2项电流iα与iβ经过坐标变换矩阵Cpq得出该坐标系下的有功和无功电流分量ip与iq。

有功和无功电流分量ip与iq经过低通滤波器滤除交流分量，得到对应的直流分量，直流分量分别对应于基波分量产生的有功和无功电流，被滤除的交流分量对应其高次谐波产生的有功和无功电流。

iαf与 iβf在经过 2/3 变换得到三相的基波电流iaf，ibf，icf。

最后的谐波 iah，ibh，ich为:

由于该方法只使用a相电压的相位，因此其检测结果的精度不受电压畸变的影响。

1.2 谐波电流的跟踪控制

由SAPF的谐波跟踪控制模块实现对检测到的谐波电流 (指令电流信号i*)的实时跟踪，目前常用的方法有滞环控制法［11］和三角波比较法［12］。由于滞环控制法电路简单，响应快，且不需载波，故选择其作为谐波电流跟踪控制的方法。图3为采用了滞环比较器实现谐波电流的跟踪控制图。滞环控制法根据给定补偿信号i*与测得的谐波补偿器输出电流i的误差来控制谐波补偿器的开关动作。当误差超过上、下限 (由滞环环宽决定)时开关立即动作，使实际电流始终保持在滞环带内，围绕其参考信号上下波动。

图3 谐波电流跟踪与控制Fig.3 Harmonic current tracking and control

2 船舶电力系统的模型

船舶电力系统是由船舶电站、输电网和用电负载等部分构成的容量有限的独立小型电力系统。在Matlab/simulink环境中搭建了基于SAPF的船舶电力系统谐波抑制仿真模型，如图4所示。

船舶的电力负荷设备主要包括甲板机械、厨房设备、机舱机械、空调、冷藏、通风、导航、通信和照明等，其中电动机是船舶的主要负载类型。由于强非线性的电力电子器件在船舶上的大量使用，使其成为船网谐波的主要来源，而且大功率负载(例如空调、侧推，锚机、缆车等)的运行对船舶电网具有较大冲击，此处选择变频器加大电动机作为典型谐波源。变频器采用常用的6脉波AC－DC－AC形式，其整流环节将脉动的电信号反馈到电网当中，所以抑制变频器的谐波主要是控制其整流部分产生的谐波。

图4 船舶电力系统谐波抑制仿真模型Fig.4 Simulation model of harmonic suppression for marine electric power system

一般而言，P脉波变流器产生的谐波次数为:h=Pn ±1，n=1，2，3，4，…。因此6脉波变频器的交流电网侧一般产生 5，7，11，13，17，19，…次谐波，谐波次数越高，谐波幅值越小。除谐波外，电网侧同时会出现非整数倍基波的间谐波。

3 仿真结果分析

为验证并联型有源电力滤波器SAPF对船舶电力系统谐波的抑制效果，在基于SAPF的船舶电力系统谐波抑制仿真模型基础上进行谐波抑制实验。采用SAPF的船舶电网谐波抑制仿真波形，如图5所示。由图5可看出，基于SAPF使电网电流的波形较不使用滤波器时得到较大改善。图6给出了谐波电流补偿前后的频谱分析，从频谱分析结果看，补偿前电网电流的5，7，11，13次谐波污染严重，电流总畸变率达到11.96%，补偿后电网电流总畸变率为3.64%，达到了IEEE519及我国船级社对谐波总畸变率的标准为5%以下的要求。

图5 采用SAPF的电网谐波抑制仿真波形Fig.5 Simulation waveforms of harmonic current suppressed by SAPF

图6 电网频谱分析Fig.6 Power grid spectrum analysis

4 结语

针对船舶上大量电力电子设备等强非线性设备的使用给船舶电网带来的严重的谐波污染问题，采用了并联型有源电力滤波器进行船舶电网的谐波抑制。从分析船舶电网谐波成分入手，设计了谐波电流检测模块和补偿电流的跟踪控制模块，并基于建立的船舶电力系统仿真模型，验证了并联型有源滤波器对船舶电力系统谐波抑制的有效性，仿真结果表明SAPF技术可以有效补偿船舶电网的谐波成分，并满足相关标准要求，该技术对于船舶电力系统的谐波治理具有较好的应用价值。

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