有源電力濾波器在艦船電網(wǎng)諧波補償中的應(yīng)用

圖1  電壓電流波形

圖2  負載電流波動情況

表1 滿載時電流各次諧波含量

表2 電流波動時各次諧波含量
        
    根據(jù)上述諧波狀況，對諧波補償?shù)囊笕缦拢?br />    1．補償能力：諧波補償電流不小于100A；
    2．補償效果：補償后，電網(wǎng)側(cè)電流畸變，滿足CE101的要求；
    3．跟蹤特性：動態(tài)跟蹤補償，適應(yīng)負載的波動特性，動態(tài)響應(yīng)時間≯20ms；
    4．冷卻方式：風冷
    5．故障保護：補償裝置具備基本的故障保護功能，故障保護時，裝置能自動從電網(wǎng)上脫開，不影響船用電網(wǎng)的正常運行。
    6．結(jié)構(gòu)：采用1.6m高度的與其它船用電氣設(shè)備相同的標準柜型，重量不大于100kg。

    3．濾波器總體方案選擇
    前已述及，雷達設(shè)備諧波主要為電流源，要限制諧波源注入電網(wǎng)的諧波電流，可采取以下方案：
    1．對產(chǎn)生諧波的裝置進行改造，使其不產(chǎn)生諧波，且功率因數(shù)盡量高?？刹捎迷谳斎雮?cè)加裝變壓器，使整流電路多重化的措施；或采用全控型器件組成PWM整流器，實現(xiàn)功率因數(shù)校正的措施。
    2．加裝交流無源濾波裝置，裝置由電力電容器、電抗器和電阻器適當組合而成，組成若干單調(diào)諧及高通濾波支路，和諧波源并聯(lián)運行，以吸收諧波電流，有效地減小諧波量；除起到濾波作用外，還兼顧無功補償?shù)男枰?yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，維護方便。
    這種濾波方法的主要缺點是補償特性受電網(wǎng)阻抗和運行狀態(tài)影響，易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，導致諧波放大，使LC濾波器過載甚至燒毀。此外，它只能補償固定頻率的諧波，補償效果也不甚理想。
    3．加裝交流有源濾波器裝置，裝置由可控電力電子變流器和檢測控制電路組成，其基本原理是從補償對象中檢測出諧波電流，由補償裝置產(chǎn)生一個與該諧波電流大小相等而極性相反的補償電流，與諧波電流相抵，從而使電網(wǎng)電流只含基波分量。這種濾波器能對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償，且補償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響，濾波性能和動態(tài)特性均比無源方式大為提高。
    方案1對負載設(shè)備進行改造，由于艦載雷達設(shè)備采用已經(jīng)定型的成熟產(chǎn)品，其戰(zhàn)技指標和結(jié)構(gòu)外形已經(jīng)確定，產(chǎn)品已通過例行試驗，加之雷達系統(tǒng)供電有多路電源輸入，對其進行改造必然使原有定型系統(tǒng)發(fā)生較大的變化，因此采用方案1是不切合實際的。
    方案2加裝無源濾波裝置雖然具有結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，維護方便的優(yōu)點。但由于裝置在艦用電網(wǎng)上運行，該電網(wǎng)由數(shù)臺發(fā)電機并聯(lián)組成，電網(wǎng)容量小，穩(wěn)定性差，電壓尤其是頻率均會產(chǎn)生一定范圍的波動，加之雷達設(shè)備在工作過程中負載電流頻繁變化，使得無源濾波器很容易發(fā)生并聯(lián)諧振，產(chǎn)生諧波放大，損害諧波裝置，甚至負載設(shè)備。因此，方案2存在很大局限性和一定的危險性。
    方案3加裝有源濾波裝置，其顯著的優(yōu)點是能對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償，補償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響。與無源濾波器相比，APF具有高度可控性和快速響應(yīng)性，不僅能補償各次諧波，還可抑制閃變、補償無功，有一機多能的特點。其特性不受系統(tǒng)阻抗的影響，可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險；具有自適應(yīng)功能，可自動跟蹤補償變化著的諧波，完全能適應(yīng)艦載電網(wǎng)條件和雷達負載電流頻繁變化的工作狀態(tài)。有源濾波裝置采用電力電子變換技術(shù)，其體積、重量與無源相比均大幅減小，滿足艦上安裝使用的要求。[!--empirenews.page--]
    綜上所述，方案3既能滿足艦載特殊的使用條件，又不影響原有定型系統(tǒng)，是各方案中的最佳選擇。
    有源濾波器原理如圖3所示，圖中有源電力濾波器和負載并聯(lián)接入電網(wǎng)，工作時，有源電力濾波器相當于受控電流源，它產(chǎn)生與負載諧波電流大小相等、方向相反的諧波電流注入電網(wǎng)，抵消負載產(chǎn)生的諧波電流，使流入電網(wǎng)的電流接近正弦波，從而達到諧波補償?shù)哪康?。使用時，將裝置安裝在雷達設(shè)備配電柜旁，從雷達設(shè)備供電回路前端接入即可。

圖3  有源電力濾波器原理圖

    4．有源電力濾波器裝置設(shè)計
    有源電力濾波器裝置主要由功率變換主電路、IGBT的驅(qū)動與保護電路、控制電路構(gòu)成。
    主電路由兩組三相電壓型PWM變流器構(gòu)成，這兩個功率模塊公用一組直流電容器；交流側(cè)與負載諧波源并聯(lián)連接，如圖4所示。其中的開關(guān)元件選用的是IGBT。工作時，各組PWM變流模塊根據(jù)電流跟隨控制電路所發(fā)出的指令信號獨立工作，產(chǎn)生各自的諧波補償電流，相加后以抑制諧波源負載注入電網(wǎng)側(cè)電流中的諧波成分。

圖4 主電路結(jié)構(gòu)圖
    驅(qū)動電路以日本三菱公司集成驅(qū)動模塊M57959為核心組成，此模塊為厚膜電路，可用于驅(qū)動1200V/400A以下或600V/400A以下的IGBT；驅(qū)動信號延遲最大僅1.5us；最高工作頻率可達40kHz；內(nèi)裝用于控制電路和驅(qū)動電路之間隔離的光耦和保護電路，能在短路和過流情況下作出迅速的反應(yīng)。驅(qū)動電路采用＋15V、－10V雙電源供電，可確保IGBT關(guān)斷期間不發(fā)生誤導通，提高驅(qū)動電路的抗干擾能力。過流保護利用集成驅(qū)動模塊內(nèi)部過流保護功能和逆變橋母線集中檢測保護雙重方式完成；此外，驅(qū)動板上還設(shè)有功率器件過熱、直流母線過壓、直流母線欠壓3種保護。
    控制電路是以雙DSP為核心的數(shù)字、模擬混合控制電路。采用數(shù)字電路實現(xiàn)指令運算等功能可以免受溫飄及元件老化的影響，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，便于系統(tǒng)升級。數(shù)字系統(tǒng)主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與處理；模擬系統(tǒng)主要實現(xiàn)電流跟蹤控制，控制脈沖的生成，各種輸入信號的調(diào)理，保護，報警及一些I/O接口電路。
    5．系統(tǒng)試驗和補償效果
    補償裝置已在雷達地面試驗場完成安裝調(diào)試，按照技術(shù)條件要求與雷達設(shè)備進行了聯(lián)機模擬試驗，對裝置投入后電網(wǎng)諧波電流進行了詳細測試和分析。圖5為補償裝置投入后電網(wǎng)側(cè)電壓電流波形，電流波形明顯接近正弦，與圖1相比大為改善；圖6為負載電流波動時電網(wǎng)側(cè)電壓、電流波形，可見，在波動過程中，補償效果仍然可以保證，說明系統(tǒng)響應(yīng)特性完全可滿足負載特性的要求。

圖5  補償后電壓電流波形

圖6  負載電流波動時電壓電流波形

    表3為補償后電網(wǎng)側(cè)電流各單次諧波含量，與圖1、2相比，總諧波含量由原來的29.70%下降到7.71%。按照GJB151A標準CE101項目電流噪聲限值的測試計算方法，將各次諧波電流折算成相應(yīng)的分貝值，與CE101所規(guī)定的限值對比，結(jié)果均未超標。由此可見，補償裝置投入后，對電網(wǎng)諧波電流的補償效果非常明顯。目前補償裝置正在按裝艦要求進行結(jié)構(gòu)改進和環(huán)境試驗，為正式上艦安裝調(diào)試和艦上試驗作準備。

表3  滿載時電流的各次諧波含量
    6．結(jié)論
    有源電力濾波器是一種特別適合艦船電網(wǎng)諧波治理的優(yōu)秀方案。它的使用，較好地抑制了艦船電網(wǎng)中的諧波污染，極大地改善了電網(wǎng)的電能質(zhì)量，滿足了艦用設(shè)備的要求及GJB151A中CE101項的指標要求。對于與艦船電網(wǎng)相似的獨立小容量電網(wǎng)的諧波治理具有較好的推廣應(yīng)用價值。