苏郑奥希



船舶电力系统谐波抑制

苏郑奥希

(上海海事大学，上海201306)

通过有源电力滤波器来抑制柴油电力船系统的系统范围谐波，使有源电力滤波器连接到第二条总线上，通过电流功率检测谐波的方法来获得电路上的谐波，传给有源电力滤波器，使用滞环控制的方法来获取滤波器电流，同时还包含了LCL滤波器的配置，以此来降低两条总线上的谐波，结果表明，这种方法确实可以降低柴油电力船系统的谐波。

有源电力滤波器 滞环控制 谐波电流检测 谐波抑制

0 引言

谐波为任意正弦电压或电流波形上的偏移，通常由带有线性负载的理想电压源产生，在柴油电力船的电力系统中，谐波通常来自于控制推进电机的变频驱动器（VFDs）的二极管整流阶段。根据所使用的不同的变频器，其功率等级，整流器脉冲数和系统设计也会不同，每一个条件都会产生不尽相同的谐波失真水平。

在电力系统中，谐波失真可以通过使用无源滤波器（即电感和电容滤波器）的方法来减缓，来降低谐波电流对系统其余部分的影响。但是，无缘滤波器必须通过更复杂的设计来避免共振所引起的其余谐波分量的增大，特别是当参数发生变化或是系统配置频繁改变时。并且，由一个二极管整流器产生的高次谐波电流分量的振幅取决于其负载所需的有功功率。因此，一组并联的无源滤波器不能有效的适应电力船上推进负载的大范围变化。无源滤波的另一种方法是使用串联连接的宽光谱过滤器。但是，这类滤波器必须安装在每个推进负载中，而且不能减少系统中较小负载所产生的谐波。

有源整流器（ARs）可以替代二极管整流器来滤除VFD负载系统中的高次谐波失真。但是这种解决方法需要高额的话费并且比无源整流器的损耗更高。为了解决所有VFD负载中的谐波问题，使用有源电力滤波器（APFs）则不需要面对使用无缘滤波器或二极管滤波器时出现的高脉冲数和负载的多绕组变压器等问题。有源滤波的通常做法是使用有源电力滤波器来做补偿，具体方法是平衡参考电流和非线性负载上的谐波和无功电流分量。但是，当如船舶系统这类有多个非线性负载分布在多个总线上的系统，一般滤波方法不能够最小化系统中的总谐波失真。在这样的系统配置中，谐波有数个分散的来源，利用APFs来进行全系统范围的谐波抑制是一个值得一试的选择，并且这个方法还未被系统的应用过。

1 船舶电网

在九十年代中期，柴油发电和海洋船舶推进技术被离岸产业和他们的合作伙伴商业化并全面采用。对于海上作业船舶，其需要的功率，即船舶功率曲线，来自于船舶的动力定位（DP）的传输和位置保持或者是抛锚停泊。柴油电力船在遇到突发状况的时候，相比于通过机械齿轮和长轴连接原动机的机械驱动船，柴油动力船的发电系统更加灵活。所以，柴油电力船在耗油量方面是有利于绿色环境的保护的，其燃料消耗和废气排放也是符合功率要求的。柴油电力船还引入了先进的冗余电源电网的设计，例如环形总线设计，其能满足各类船级社的要求设置，比如ABS，英国劳氏船级社，挪威船级社，德国船级社等。这更易于安装低功率的发电机，相比于用冗余机械驱动的船舶减少了发电步骤。

所讨论的电网是基于海洋平台供应船（PSV）电力系统简化等效而成，包含有两条总线和两个推进负载，由封闭式母线断路器来控制。这些负载通常负责功耗的主要部分和主谐波抑制，使得简化合乎情理。在一般操作情况下，船舶由两个发电机运作，分别与对应总线相连，总线1和总线2，假定系统电压失真的最坏情况。推进电动机分别通过一个一个变频器连接到每条总线上。变频器通过一个六脉冲或十二脉冲的二极管整流器来连接总线，并带有一个电压源逆变器来控制电动机驱动螺旋桨。变压器为十二脉冲整流器提供电隔离和相位位移。两条总线之间包含有串联阻抗，有源滤波器与第二条总线相连。

2 利用滞环比较器的瞬时值跟踪指令电流

这个方法原理较为简单，第一步把指令信号电流与实际补偿电流的差值当作滞环比较器的输入，通过滞环比较器和滞环带宽来进行比较，进而产生控制信号，控制信号通过驱动电路控制主电路上的变流器里的各个开关元件的通断，控制的值。它的核心思想为：设定一个输出上限与输出下线，如果输出值大于设定的输出上限，就控制电流里的变流器开关使输出电流减小，反过来，如果数值小于设定输出下限时，就控制变流器开关使输出电流增大，这就可以保持输出值在输出上限和输出下限之间的一个小范围内稳定，滞环带宽指的就是这个输出上限与输出下限之和。

滞环比较的补偿电流能否很好的跟踪指令运算电流取决于滞环比较器的宽度，如果的值取得很大，那么器件开关通断的频率就比较低，虽然这样不会对电力电子开关器件要求很高，但是跟随误差也会随之增大，致使补偿电流中包含较多的谐波电流，如果值设的太小的话，会导致开关频率变得很高，对器件的要求也随之升高，虽然系统的跟随误差变小了，但是器件更易损耗，为了使电流跟随误差范围稳定，来获得优秀的电流跟踪性能，一般使用固定的滞环宽度，这样设定优劣并存，有点是跟随误差减小，缺点是固定环宽必会致使主电路里变流器的开关频率变化大，尤其实在值比较大的时候，环宽固定有可能会导致开关频率变得很高，甚至会导致器件频率超过最高开关频率，进而使器件损毁。

使用滞环比较器的瞬时值比较法有下列优势：输出电压中不包含一定频率的谐波，比较时不需要载波，有着较快的电流响应速度，是一种有效的实时控制办法，和跟踪型控制方法一样是一种闭环控制的办法，电路也易于实现。

3 基于瞬时无功功率理论的谐波检测法

由克拉克变换可得

4 电网仿真

图3为在matlab中的simulink里所做的柴油船系统的仿真模型，两边负载相等都是六脉冲整流器的情况下，连接到电网上。总线1只考虑到连接总线2上的部分负载，总线1上的谐波电流会不受抑制的流过电网，从一条总线到两一条，造成比总线2上更高的总谐波含量。总线2在这种情况下比总线1更好，这得益于其对两条总线上选定谐波的抑制。从图中可以看出，总线1上的波形有较为明显的失真，这是可预料的，是由于总线1上的谐波负载电流没有进行补偿，相比较起来，总线2上波形较为平滑。

而从FFT图形上可以看出，总线2与总线1相比，在5,10,15,20次谐波上，总线2的谐波分量比总线1有着更小的幅值，总线1的谐波畸变总数较高，同时可以看到THD（总谐波含量）总线2是要低于总线1的。

5 结束语

随着科技的快速发展，各种非线性器件被广泛的使用，产生的谐波污染日渐严重，而各种精密仪器等其他领域对电能质量的要求越来越高，有源电力滤波器作为一种能实时动态去除谐波，净化电网质量的有效工具，成为了研究的热点。本文从海上船舶双电动机电网系统出法，利用有源电力滤波器滞环控制的方法，有效降低了电动机经由非线性负载时产生的谐波，本文只是做了初步的研究，还可以通过更精确的谐波检测算法，或是使用模型预测控制等方法来控制有源电力滤波器来加强谐波的滤除。

[1] H. Akagi, E. Watanabe, and M. Aredes, Instantaneous power theory and applications to power conditioning. Wiley, 2007.

[2] M. Patel, Shipboard Electrical Power Systems. Taylor & Francis, 2011.

[3] I. Evans, A. Hoevenaars, and P. Eng, “Meeting harmonic limits on marine vessels,” in IEEE Electric Ship Technologies Symposium, 2007. ESTS ’07, May 2007, pp. 115–121.

[4] S. Gleaves and G. Perla, “Electric propulsion, it’s time to get onboard,” Maritime Reporter and Engineering News, 2009.

[5] R. P. Stratford, “Harmonic Pollution on Power Systems - A Change in Philosophy,” IEEE Trans. Ind. Appl., vol. IA-16, no. 5, pp. 617–623, September/October 1980.

[6] S. M. Peeran and C. W. P. Cascadden, “Application, Design, and Specification of Harmonic Filters for Variable Frequency Drives,” IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 31, no. 4, pp. 841–847, July/August 1995.

[7] C.-J. Wu, J.-C. Chiang, S.-S. Yen, C.-J. Liao, J.-S. Yang, and T.-Y. Guo, “Investigation and Mitigation of Harmonic Amplification Problems Caused by Single-tuned Filters,” IEEE Trans. Power Del., 1998,13(3):800-806.

[8] P. Cort´es, M. P. Kazmierkowski, R. M. Kennel, D. E. Quevedo, and J. Rodr´ıguez, “Predictive control in power electronics and drives,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 55, no. 12, pp. 4312–4324, December 2008.

[9] 王兆安, 杨君, 刘进军．谐波抑制与无功功率补偿[M]. 北京: 机械工业出版社 1998．

[10] 王兆安,李民,卓放. 三相电路瞬时无功功率理论的研究[J]. 电工技术学报, 1992,03:55-59+39.

[11] 漆铭钧,罗安,刘定国,徐先勇,李锋,等. 有源电力滤波器参考电流的预测方法及其实现[J]. 中国电机工程学报, 2009,07:128-134.

[12] 李秉辉. 有源电力滤波器滞环控制优化设计[D].太原理工大学,2015.

[13] 陈丽莎. 并联型有源电力滤波器谐波检测及补偿控制策略仿真研究[D]. 湘潭大学, 2013.

Harmonic Suppression in Ship Power System

Suzheng Aoxi

(Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

TM711

A

1003-4862（2017）09-0005-04

2017-05-15

苏郑奥希(1993-)，男，硕士。研究方向：电力系统中的谐波抑制。