船舶电力推进系统谐波抑制仿真研究

姜一帆，侯良生，徐青

(上海船舶研究设计院，上海 200120)

0 引 言

近年来电力推进系统在船舶行业迅速发展，大量的电力电子设备应用于现代化船舶上，使电力系统更加节能和高效。然而，电力电子设备中大量非线性部件的使用也产生了大量谐波，降低了电能质量，对船舶设备特别是精密的通讯和控制设备带来不利影响。

大量非线性负载和变频设备是电力推进系统谐波的主要产生源。电力系统对谐波有一定的承受能力，但电网谐波含量超出系统承受能力后，会产生谐波压降，加速电缆绝缘的老化，引起电机发热，铜耗铁耗增加，产生振动与噪声，导致设备使用寿命缩短[1]。当谐波含量持续过高时，会造成晶闸管故障，损害变流装置，严重时将引起控制和保护装置的误动作，降低控制系统的可靠性。

以波形畸变率来衡量谐波的大小，电压畸变率THDu和电流畸变率THDi分别定义为[2]：

式中：UH为谐波电压含量，IH为谐波电流含量，U1、I1分别为基波电压、电流有效值。

在目前的谐波抑制方法中，主动性谐波抑制是从谐波源本身出发消除或减少谐波的产生。多相整流技术是较有效的手段，通常情况下，变频器整流装置的脉波次数越多，变频器自身产生的谐波越少，注入电网中的谐波也越少，进而降低电网谐波含量[3,4]。被动型谐波抑制是在谐波产生之后，通过电力滤波装置来消除谐波，无源电力滤波器(Passive Power Filter，PPF)和有源电力滤波器(Active Power Filter，APF)是该方案中常用的设备[5]。无源电力滤波器因具备技术成熟、价格便宜、结构简单等优点被广泛应用在实船上，但该装置只能抑制固定频率的谐波，对电网参数敏感，谐波抑制性能有限[6]。与无源电力滤波器相比，有源电力滤波器能够对电网中所有阶次的谐波进行实时检测、实时补偿，具有比无源电力滤波器更好的谐波抑制性能[7]。

相较于串联型有源电力滤波装置，并联型有源电力滤波装置(Shunt Active Power Filter，SAPF)投切方便、布置灵活、保护简单，可应用于多种容量的场合。SAPF 在检测谐波电流、生成补偿电流的过程中，电力变换主电路直流侧电压是否稳定对装置谐波抑制效果有很大的影响，因此需要对直流侧电压进行控制[8,9]。

针对上述问题，本文使用SAPF 对电网谐波进行抑制，设计PI 控制器对直流侧电压进行控制，保持并联型有源电力滤波装置电力变换主电路直流侧电压的稳定。在MATLAB/Simulink 平台中构建并联型有源电力滤波装置和等效电网模型，验证PI 控制器的有效性。

1 SAPF 装置的组成及工作原理

1.1 SAPF 装置的组成

并联型滤波装置的基本组成如图1 所示，工作过程主要包括三个环节：谐波电流检测环节、主电路PWM 信号产生环节和主电路直流侧电压控制环节。

图1 并联型有源电力滤波装置基本结构图

指令电流运算电路将检测到电网中谐波电流的分量相位取反后输出至电流跟踪控制电路；电流跟踪控制电路根据指令电流运算电路的输入值和电力变换主电路实际生成的补偿电流值共同作用形成PWM 信号；驱动电路和主电路根据PWM信号使用脉宽调制技术，产生相应的补偿电流注入电网，消除电网谐波[6]。

1.2 基于ip-iq 的谐波电流检测

常用的基于瞬时无功功率的谐波检测方法是p-q 谐波检测方法和ip-iq谐波检测方法，两者在电网电压未发生畸变时对谐波的计算都是精确的。当电压发生畸变后，无论畸变后的电压是否对称，p-q 谐波检测方法计算出的谐波电流都是有误差的，而ip-iq谐波检测方法不需要直接利用电压信息，只需要电压的正余弦信号，因此在电压发生畸变后结果仍然准确[10]。本文使用ip-iq谐波检测方法检测电网谐波。

ip-iq谐波检测方法的结构图如图2 所示。三相电流ia、ib、ic经过坐标变换为静止α、β 两项坐标系下的电流iα、iβ。

图2 ip-iq 谐波检测方法结构原理图

使用a 相电压经过锁相环和正余弦发生电路得到同相位的正弦波信号和余弦波信号，将两项静止电流iα、iβ经过坐标变化矩阵Cpq得到两项静止坐标系下的有功电流和无功电流分量ip、iq。

将被检测电流和基波电流相减即可得到需要的谐波分量iah、ibh、ich。

1.3 直流侧电容电压控制

SAPF 主电路直流侧电容电压的稳定能够保障滤波器的良好运行效果，而直流侧电容在工作过程中会产生一部分能量损耗，导致电压降低，因此必须对直流侧电容的电压进行稳定控制，进而确保装置的正常运行。

船舶电网是三相三线制系统，根据电网特性可知，当SAPF 在补偿谐波时，主电路直流侧电容电压会受到瞬时有功功率变化的影响，电压的变化与交流侧基波电流的有功分量有关[7]。

若三相电源没有谐波，电源电压及负载平衡，则SAPF 主电路直流侧和交流侧的瞬时功率平衡可以表示为[7]：

式中：ua、ub、uc为三相电压；ica、icb、icc为三相补偿电流；Rs、Ls分别为SAPF 主电路的电阻、电感系数；UDC为逆变器直流侧电压。

根据电力系统三相对称的特性，式(9)可以变化为：

式中：Ua为三相电压；Icap、Icaq分别为A 相有功、无功补偿电流的有效值。则有：

则有：

当系统达到稳态时，有：

结合式(12)和(13)可得：

因此，SAPF 在频域内的传递函数可表示为：

根据式(15)可知，可使用比例积分控制逻辑对电容电压的波动进行调整。引入直流侧稳压控制的ip-iq谐波检测电路原理图如图3 所示。

图3 引入直流侧稳压控制的ip-iq 谐波检测电路原理图

主电路直流侧电压的设定值与反馈值的差值输入PI 调节器进行调节，之后与有功电流的基波分量相加，使经ip-iq谐波检测电路得到的补偿指令电流中包含了额定的基波电流成分，能够补偿因能量损耗而导致电容电压降低的影响，进而维持Ud的恒定。

引入直流侧稳压控制的SAPF 装置系统结构图如图4 所示。

图4 SAPF 装置系统结构图

1.4 基于滞环电流控制法的电流跟踪控制方式

如图5 为采用滞环电流控制法的电流跟踪控制模块原理图。

图5 SAPF 装置系统结构图

滞环比较器将给定的补偿信号ic*与测得的谐波补偿器输出电流ic的误差值作为输入值产生PWM 信号，之后PWM 信号通过驱动电路来控制补偿器的开关动作，产生合适的补偿电流[11]。

2 电力推进系统电网模型的建立与谐波分析

我院设计的某型电力推进船电力推进系统拓扑图如图6 所示，为方便分析电网谐波，验证SAPF 装置的谐波抑制效果，本文主要考虑两个推进变频装置和其他非线性负载所产生谐波，建立的电网模型如图7 所示。

图6 电力推进系统拓扑结构图

图7 电力系统谐波分析电网模型

由上述仿真程序得到电网三相电流的波形图如图8(a)所示。使用基于FFT（Fast Fourier Transformation，快速傅里叶变换）方法对电网电流进行谐波分析，得到电网中的谐波含量如图8(b)。

图8 电网电流波形及FFT 分析结果

由仿真结果可知，未对电网谐波进行补偿时，三相电流发生畸变，不再是理想的正弦信号。电流波形畸变率为8.3%，超过了船级社对电网谐波最高5%的要求，需对电网谐波进行抑制。

3 基于SAPF 的谐波抑制方法仿真验证

根据SAPF 装置各部分的数学模型，在Simulink 中搭建相应的仿真模型，组合得到完整的SAPF 装置仿真模块，结合等效电网模型如图9 所示。

图9 SAPF 整体Simulink 仿真模型

运行仿真程序，得到SAPF 装置输出的补偿电流波形如图10(a)所示，经过补偿电流作用后电网三相电流波形如图10(b)所示，电网的电流波形明显的畸变消失。

图10 补偿电流波形及电网三相电流波形图

SAPF 装置主电路直流侧电容电压的波动如图11(a)所示，可以看出直流侧稳压控制模块具有较好的控制效果，稳定运行后直流侧电容电压基本恒定在设定值；对电网三相电流的A 相电流波形进行FFT 分析，得到的分析结果如图11(b)所示电流波形畸变率由8.3%降低至2.92%，证明SAPF 装置具有良好的谐波抑制效果。

图11 电容电压及FFT 分析结果

4 结论

本文对SAPF 装置进行研究，对SAPF 装置各部分的工作原理进行分析，并对主电路直流侧电容电压进行稳压控制。仿真实验结果表明：SAPF 装置具有良好的谐波抑制效果，所设计的应用于直流侧稳压控制的比例积分控制器具有良好的调节作用，能够维持主电路直流侧电容电压的恒定，能够保证SAPF 装置的稳定可靠运行。