杨 哲，师庆丹



基于混合型逆变器控制的船舶电力系统谐波抑制研究

杨 哲1，师庆丹2

(1. 91404部队，河北秦皇岛066000；2. 燕山大学，河北秦皇岛066000)

船舶电力系统结构简单容量小，所带的非线性负载复杂，电网中谐波含量较高，对电网和设备带来了危害。以降低谐波为目标，本文采用了一种混合型逆变器控制系统。通过独立地对大功率低开关频率逆变器与小功率高开关频率逆变器进行载波调制，实现了交流驱动与谐波抑制。分析了系统的数学模型，介绍了控制策略。在Matlab软件中搭建了混合型逆变器控制系统的仿真模型，并与传统型逆变器控制系统进行了对比。仿真结果表明：混合型逆变器能够有效减少特征谐波和高次谐波，在船舶电力系统中有良好的应用前景。

船舶电力系统 谐波抑制 混合型逆变器控制策略 Matlab

0 引言

近几十年来，船舶电力系统采用了大量的电力电子技术以及电力电子器件。然而船舶电力电子装置容量的不断增大给船舶电力系统带来了谐波问题，直接影响了船舶运行的安全性和经济性。现代船舶使用的高技术仪器仪表和重要设备对电能质量有着严苛的要求，降低谐波含量已经成为当前船舶电力系统面临的严重问题。因此，需要对现代船舶电力系统的结构、运行等方面进行分析，从而找出行之有效的谐波抑制方法。

1 船舶电力系统谐波产生原因

船舶电网中的谐波是由非线性设备和负载产生，就非线性特性而言，谐波源可分为三类[1]：一是铁磁饱和型，主要为一些铁心设备，如变压器、电抗器等，铁心的饱和程度越高，谐波电流越大；二是电子开关型，主要是各类交直流变换装置；三是采用变流装置的非线性负载，如锚机、起货机等。下面从船舶电力系统的几个主要谐波源加以分析。

1）电机

目前船舶电力系统主要采用电励磁同步发电机、永磁发电机、异步电机等机型。发电机作为船舶电网的电源，发出的电压波形在理论计算时通常假设为正弦波。但是在实际使用中，由于发电机内部的定子和转子间的气隙受到铁心齿、槽和工艺制造的影响，造成发电机中磁场分布不均匀，从而得不到理想的正弦波，电压波形本身携带一定的谐波。

2）电磁装置

变压器、电流和电压互感器、接触器、制动电磁铁等设备，都含有铁芯和励磁线圈。由于铁芯的饱和性，磁化曲线为非线性，铁芯越趋于饱和，线圈电流畸变越严重。此电流中含有大量谐波，而且衰减缓慢。

图1 矩形波电流

3）变流装置

在船舶电力系统中，通常采用6脉动桥式变流装置。根据变流装置的原理可知，当直流侧电流为恒定值I时，通过6脉动桥式变流装置，交流测输出一系列等间隔的矩形波，其幅值为I，如图1所示。

将交流测波形进行傅立叶变换，可以得到

由公式（1）可以得知，谐波次数越小，其对电网电流的影响越大；式中负谐波量即为变流装置向电网所注入的谐波电流。一般情况下，变流装置只产生特征谐波，但是在交流阻抗不对称或者交流电压畸变等原因下也会产生特征谐波以外的谐波。

2 船舶电力系统谐波的危害与抑制

2.1 谐波的危害

谐波电流能够在电网线路中形成谐波压降[2]，进而产生有功功率和无功功率的损耗；谐波所导致的尖峰电压会加速绝缘电缆的老化，引起浸渍绝缘的局部放电，缩短电缆使用寿命。高次谐波与基波电流叠加，会使电容温升增加、缩短电容使用寿命；高次谐波会干扰通讯设备和线路，影响通讯网络的正常工作。谐波电流会对导航设备和船用数字电路元件产生影响，破坏触发器和存储器中的信息，影响船舶的安全航行。

2.2 谐波的抑制措施

由于各类谐波所带来的不同危害，相应的抑制措施也应运而生。文献（3）指出在变流装置中装设LC滤波器，可以消除低次特征谐波，但是易受电网阻抗和运行状态的影响。文献（4）指出可以增加变流装置的脉动数量，以此降低负载电机电流中的谐波分量，但这种方法占用空间大，费用高。在船舶电力系统中还可以向电网注入谐波电流，通过注入幅值相等，方向相反的谐波电流，以抵消系统中的谐波，如并联型有源滤波器就是采用这种方法实现的，但是并联型有源逆变器控制不够灵活，容量受到限制。

3 基于混合型逆变器交流系统谐波抑制

3.1 混合型逆变器数学模型

为了降低变流装置所产生的谐波电流，本文采用了一种新型的混合型逆变器拓扑结构，即大功率低开关频率逆变模块与小功率高频率开关模块的并联[5]。这种并联方式可以应用于容量较大的设备，并且控制策略更加灵活。目前，在国内针对多个相同逆变器模块并联的技术已经有很多研究成果，但是这类混合型逆变器的控制技术研究还较少。国外文献[6]曾提出过用于电流补偿的混合并联技术，虽然其控制结构简单，但是还存在动态响应不够快，零序环流抑制困难的问题[7]。针对以上问题，混合型逆变器结合电机PWM控制策略，在同步坐标系下实现了混合型逆变器的协调控制。混合型逆变器拓扑结构图如图2所示。

在图2中，M模块为主逆变器，工作在低开关频率，为电机工作提供大部分功率；S为从逆变器，工作在高开关频率，主要负责谐波补偿，在必要时还可提供小部分负载电流。

图2 混合型逆变器拓扑结构

根据拓扑结构，可以得到混合型逆变器工作的等效电路图，如图3所示。下标1、2、s分别表示主逆变器、从逆变器和电机定子。进一步可以得到在静止坐标系下的电压和电流平衡方程。

图3 混合型逆变器等效电路

利用坐标变换，将式（2）变换到同步旋转坐标系下，得到式（3）。式中，为dq轴旋转频率。

（3）

根据异步电机按转子定向的矢量控制原理[8]，可以得到在同步坐标系下解耦的异步电机电压方程。

将公式（3），（4）进行联立，可以得到主从逆变器的输出电压表达式

通过公式（5）可知，当电机定子电压保持为设定值时，主、从逆变器为了能够稳定地跟踪电机定子电压，与其有上式关系。进而可知，从逆变器是通过补偿谐波电流的方式实现电压补偿的，最终达到快速精准调速的目的。

3.2 混合型逆变器控制策略

图4 混合型逆变器控制策略

混合型逆变器采用了磁链开环的间接矢量控制方式。其系统结构可以分为两个部分，如图4所示。

根据图4可知，第一部分实现系统的矢量控制中的转速控制和磁链控制，通过给地磁链计算获得参考励磁电流，通过给定转速与反馈转速得到参考转矩电流；第二部分实现对主、从逆变器的调制控制，以第一部分的输出电流作为参考量，对主逆变采用PWM调制算法。从逆变器对主逆变器谐波进行补偿，其参考电流为主逆变器实际电流与矢量控制输出电流的偏差值。由于功能不同，对从逆变器独立地采用PWM控制。

4 仿真结果及分析

本文在Matlab软件中对传统逆变器控制系统和混合型逆变器控制系统进行了仿真实验(9)。仿真模型如图5所示。

（a）传统逆变器控制系统

在仿真模型中，设定直流电压650 V，主逆变器采用GTO，开关频率设定为1 kHz，；从逆变器采用IGBT，开关频率为10 kHz，。三相异步电机额定电压380 V，频率50 Hz，电机极对数，额定功率为20 kW，额定转速，转动惯量，给定转速为，转子给定磁通0.54 Wb，负载转矩为。仿真结果如图6、图7所示。

图6为传统逆变器定子A相电流的仿真结果，图7为混合型逆变器A相电流仿真结果。对比图6（a）和图7（a），传统逆变器系统中定子电流毛刺较多，而混合型逆变器系统中定子电流毛刺明显减少，电流波形更趋于正弦波。对比图6 (b)和图7 (b)，传统逆变器系统中定子电流畸变率为7.73%，而混合型逆变器系统中畸变率为3.83%，低于5%的标准要求。尤其是特征谐波和高次谐波，得到了很好的抑制，均降到了1%以下。

5 结束语

本文对船舶电力系统谐波的产生原因，危害及传统的抑制措施进行了介绍，提出了基于混合型逆变器控制系统的谐波抑制方法。对控制系统的数学模型进行了推导说明，并在Matlab软件中搭建了仿真模型，进行了仿真验证。通过对传统逆变器控制系统和混合型逆变器控制系统性能对比分析，采用混合型逆变器控制的异步电机定子电流谐波含量得到了改善，尤其是降低了特征谐波和高次谐波。说明了混合型逆变器控制系统在船舶电力系统谐波抑制中具有可行性。

（a）定子A相电流

（b）定子A相电流谐波畸变率

图6 传统逆变器仿真结果

（a）定子A相电流

（b）定子A相电流谐波畸变率

图7 混合型逆变器仿真结果

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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

国家自然科学基金项目：用于交流驱动系统的混合型逆变器优化控制研究（51307180）

杨哲（1989-），男，工程师。研究方向：电力电子与电力传动。