有源電力濾波器在艦船電網(wǎng)諧波治理中的應(yīng)用
艦船電網(wǎng)中的非線形設(shè)備產(chǎn)生大量的諧波電流，本文對某型號艦艇電網(wǎng)諧波狀況進(jìn)行了測試和分析，對諧波補(bǔ)償?shù)膸追N方案進(jìn)行了討論，采用有源濾波器方案進(jìn)行諧波補(bǔ)償，簡要介紹了有源電力濾波器裝置的設(shè)計(jì)，最后給出了補(bǔ)償?shù)脑囼?yàn)結(jié)果。
1．前言
艦船電網(wǎng)是由數(shù)臺發(fā)電機(jī)組并聯(lián)發(fā)電組成的獨(dú)立電網(wǎng)。近年來，隨著艦載非線形用電設(shè)備，尤其是雷達(dá)設(shè)備的數(shù)量增多、功率增大，注入艦船電網(wǎng)的諧波電流變大，電流總諧波含量高達(dá)27%，嚴(yán)重超出國軍標(biāo)GJB151A中CE101項(xiàng)目關(guān)于電流諧波限值的要求，并且對其它較敏感的艦載用電設(shè)備造成不良影響或帶來使用隱患。因此，必須采取諧波治理措施，降低電流諧波，使其達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求。
2．艦船電網(wǎng)諧波狀況和補(bǔ)償要求
國產(chǎn)某型號艦艇電網(wǎng)情況：1）電壓：額定380V，持續(xù)波動不超過±10%，短暫波動不超過±15%；2）頻率：額定50Hz：波動不超過±5%；3）相數(shù)：三相三線；4）供電特性：滿足《GB/T13032-91 船用柴油發(fā)電機(jī)組技術(shù)條件》要求。
用電設(shè)備為混合型，包括大功率雷達(dá)系統(tǒng)、電子設(shè)備、傳動冷卻系統(tǒng)和通用用電設(shè)備。其中，注入電網(wǎng)電流諧波最大的是雷達(dá)系統(tǒng)，該設(shè)備容量約300kVA，運(yùn)行過程中，根據(jù)不同的工作模式，負(fù)載在約130~260kW之間變化，總諧波失真約27%。
在雷達(dá)供電系統(tǒng)配電屏處測試，電壓電流波形和負(fù)載電流波動情況如圖1、圖2所示，電流變化時的各單次諧波分布如表1、表2所示?？梢?，除電流總諧波最高達(dá)29%之外，由于工作期間，工作模式的不同，引起負(fù)載電流頻繁變化，導(dǎo)致諧波電流也在頻繁變化，給諧波補(bǔ)償帶來一定難度。
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 3．濾波器總體方案選擇
圖1 電壓電流波形
圖2 負(fù)載電流波動情況
根據(jù)上述諧波狀況，對諧波補(bǔ)償?shù)囊笕缦拢?br />
1．補(bǔ)償能力：諧波補(bǔ)償電流不小于100A；
2．補(bǔ)償效果：補(bǔ)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(bǔ)償，適應(yīng)負(fù)載的波動特性，動態(tài)響應(yīng)時間≯20ms；
4．冷卻方式：風(fēng)冷
5．故障保護(hù)：補(bǔ)償裝置具備基本的故障保護(hù)功能，故障保護(hù)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(yùn)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(biāo)準(zhǔn)柜型，重量不大于100kg。
前已述及，雷達(dá)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(jìn)行改造，使其不產(chǎn)生諧波，且功率因數(shù)盡量高。可采用在輸入側(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(shí)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(dāng)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(yùn)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(bǔ)償?shù)男枰?yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，維護(hù)方便。
這種濾波方法的主要缺點(diǎn)是補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)影響，易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，導(dǎo)致諧波放大，使LC濾波器過載甚至燒毀。此外，它只能補(bǔ)償固定頻率的諧波，補(bǔ)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(bǔ)償對象中檢測出諧波電流，由補(bǔ)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(bǔ)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(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，且補(bǔ)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(fù)載設(shè)備進(jìn)行改造，由于艦載雷達(dá)設(shè)備采用已經(jīng)定型的成熟產(chǎn)品，其戰(zhàn)技指標(biāo)和結(jié)構(gòu)外形已經(jīng)確定，產(chǎn)品已通過例行試驗(yàn)，加之雷達(dá)系統(tǒng)供電有多路電源輸入，對其進(jìn)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(shí)際的。
方案2加裝無源濾波裝置雖然具有結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)。但由于裝置在艦用電網(wǎng)上運(yùn)行，該電網(wǎng)由數(shù)臺發(fā)電機(jī)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(dá)設(shè)備在工作過程中負(fù)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(fù)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(diǎn)是能對頻率和幅值都變化的諧波進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，補(bǔ)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(bǔ)償各次諧波，還可抑制閃變、補(bǔ)償無功，有一機(jī)多能的特點(diǎn)。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(bǔ)償變化著的諧波，完全能適應(yīng)艦載電網(wǎng)條件和雷達(dá)負(fù)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。
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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(fù)載并聯(lián)接入電網(wǎng)，工作時，有源電力濾波器相當(dāng)于受控電流源，它產(chǎn)生與負(fù)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(fù)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(dá)到諧波補(bǔ)償?shù)哪康?。使用時，將裝置安裝在雷達(dá)設(shè)備配電柜旁，從雷達(dá)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(jì)
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(hù)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(fù)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(dú)立工作，產(chǎn)生各自的諧波補(bǔ)償電流，相加后以抑制諧波源負(fù)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(dá)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(hù)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(dǎo)通，提高驅(qū)動電路的抗干擾能力。過流保護(hù)利用集成驅(qū)動模塊內(nèi)部過流保護(hù)功能和逆變橋母線集中檢測保護(hù)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(hù)。
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(shí)現(xiàn)指令運(yùn)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與處理；模擬系統(tǒng)主要實(shí)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(hù)，報警及一些I/O接口電路。
5．系統(tǒng)試驗(yàn)和補(bǔ)償效果
補(bǔ)償裝置已在雷達(dá)地面試驗(yàn)場完成安裝調(diào)試，按照技術(shù)條件要求與雷達(dá)設(shè)備進(jìn)行了聯(lián)機(jī)模擬試驗(yàn)，對裝置投入后電網(wǎng)諧波電流進(jìn)行了詳細(xì)測試和分析。圖5為補(bǔ)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(fù)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(bǔ)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(fù)載特性的要求。
圖5 補(bǔ)償后電壓電流波形
圖6 負(fù)載電流波動時電壓電流波形
表3為補(bǔ)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(biāo)準(zhǔn)CE101項(xiàng)目電流噪聲限值的測試計(jì)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(biāo)。由此可見，補(bǔ)償裝置投入后，對電網(wǎng)諧波電流的補(bǔ)償效果非常明顯。目前補(bǔ)償裝置正在按裝艦要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)和環(huán)境試驗(yàn)，為正式上艦安裝調(diào)試和艦上試驗(yàn)作準(zhǔn)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(xiàng)的指標(biāo)要求。對于與艦船電網(wǎng)相似的獨(dú)立小容量電網(wǎng)的諧波治理具有較好的推廣應(yīng)用價值。
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