一種船舶電力濾波器仿真研究

1、一種船舶電力濾波器的仿真研究俞萬能鄭為民胡德福2(1.集美大學(xué)輪機工程學(xué)院，廈門361021； 2.中國船舶重工集團公司第704研究所，上海200031) 摘 要：在小型船舶電力推進系統(tǒng)中，變頻驅(qū)動產(chǎn)生了嚴(yán)重的諧波污染，導(dǎo)致電力系統(tǒng)的容量 大大增加，惡化電網(wǎng)電能質(zhì)量，甚至影響了船舶安全運行.針對電力推進船舶電網(wǎng)存在的諧波污染問 題，設(shè)計了電力濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，制定其控制策略，分析該濾波器的工作原理，并進行計算機仿 真，驗證了該濾波器的有效性.關(guān)鍵詞：電力推進；諧波污染；濾波器；性能仿真中圖分類號：tm712, u665.14文獻(xiàn)標(biāo)識碼：a 文章編號：1000-6982 (2009) 05-00

2、01-04simulation study on one kind of ship power filteryu wan-neng1, zheng wei-min1, hu de-fu2(1. college of marine engineering, jimei university, xiamen 361021, china; 2. no.704 research institute, csic, shanghai 200031, china)abstract: in the small-sized ship electric propulsion system, the serious

3、 harmonic pollution of power system is produced by variable frequency driving, which caused power system fs capacity to increase greatly and worsened the power quality, even ajfected the ships navigation safety. aiming at the serious harmonic pollution of power system in ships with electric propulsi

4、on system, the topology structure of hybrid active power filter (hapf) is improved, and a new control strategy is proposed. the working principle of the hapf is analyzed and simulated by computer, and the effectiveness of the filter is demonstrated.electric propulsion; harmonic pollution; filter; pe

5、rformance simulationkey words:o引言隨著船舶電力推進技術(shù)的不斷發(fā)展，電力電子 裝置在各種用途的船上得到了越來越多的應(yīng)用，由 此引發(fā)的船舶電力系統(tǒng)的諧波污染問題日顯突出， 促使工程技術(shù)人員高度關(guān)注船舶電力濾波技術(shù)及其 應(yīng)用的研究.傳統(tǒng)的濾波方法是采用基于諧振原理的無源濾 波器(lc power filter, pf),它只能濾除設(shè)定次數(shù) 的諧波，tl易與電網(wǎng)產(chǎn)牛串、并聯(lián)諧振有源濾波 器(active power filter, apf)能動態(tài)治理各次諧波, 具有無源濾波裝置所不具備的巨大技術(shù)優(yōu)勢，但是 單一的并聯(lián)有源濾波器其成木較高，功率損耗較大. 所以，將并聯(lián)有源

6、濾波裝置和無源濾波裝置結(jié)合在 一起構(gòu)成混合型有源濾波器(hybrid active power filter, hapf),既克服了單獨使用聯(lián)有源濾波裝置和 無源濾波裝置的不足，又可以有效降低并聯(lián)有源濾 波裝置的成本和容量，具有良好的性價比.根據(jù)有源濾波器與無源濾波器相結(jié)合的方式不 同，產(chǎn)生不同結(jié)構(gòu)的混合有源濾波器，它們各有優(yōu) 缺點.并聯(lián)apf+并聯(lián)pf形式的混合有源濾波器， 結(jié)構(gòu)簡單，apf容量很小，但仍要承受基波電壓. 串聯(lián)apf與并聯(lián)pf形式的混合有源濾波器，串聯(lián) apf相當(dāng)于一個諧波隔離裝置，裝置的補償容量可 以做得很大，但apf串聯(lián)在電路中，絕緣和維護困 難，而r必須承受所有的負(fù)載電

7、流.并聯(lián)諧振注入型 hapf不具備補償無功的能力，串聯(lián)諧振注入型收稿日期：2009-05-05：修回日期：2009-07-27基金項目：廈門市科委基金資助項li(3502z20083018)作者簡介：俞萬能(1970-),男，i専上研究生，研究方向：電力電子裝置及仿真研究.立普阻抗畑川則:hapf要同時獲得較好的諧波補償性能和較小的有 源濾波裝置容量比較困難.將apf與pf串聯(lián)后再并 聯(lián)接入電網(wǎng)的混合有源濾波器絕緣和維護比較方 便，非常適用于高壓系統(tǒng)，但這種方案的結(jié)構(gòu)較為 復(fù)雜，負(fù)載變化對其影響較大，再加上電網(wǎng)諧波的 影響，極大地限制了該結(jié)構(gòu)hapf的應(yīng)用.事實上， 如何將之應(yīng)用于非線性裝置和

8、電力系統(tǒng)的諧波抑 制，還有許多基礎(chǔ)問題需要徹底研究解決已目前大多的研究主要集中于大功率混合有源濾 波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制策略、補償特性、諧振抑制、 諧波檢測方法和控制器設(shè)計3叫很少涉及低壓獨 立電網(wǎng)(中小型電力推進系統(tǒng)船舶電站)的應(yīng)用研 究.當(dāng)前電力推進系統(tǒng)船舶電站的諧波污染問題已 引起越來越多的關(guān)注，因此，根據(jù)小型船舶是低壓 系統(tǒng)，電網(wǎng)的阻抗經(jīng)常變化，負(fù)載波動大的特點， 有必要對中小功率并聯(lián)混合有源濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、 控制策略和電網(wǎng)電感參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響等問 題進行研究，以求獲得治理諧波污染的有效措施.1混合型并聯(lián)有源濾波裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)根據(jù)中小功率電力推進系統(tǒng)在工程應(yīng)用中重點 考慮成本和可靠性

9、等因素，依此設(shè)計中小功率混合 并聯(lián)有源濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示圖中人 為電源電流，人為串聯(lián)電抗器的電流，幾為并聯(lián)有 源濾波器的電流，z為負(fù)載電流，乙為無源濾波器 的電流。而，使以該方式實現(xiàn)的混合型濾波裝置與采用變壓 器藕合連接的方式相比具有體積小、重量輕與節(jié)省 投資等特點.2混合型并聯(lián)有源濾波器控制策略分析為簡化分析，突出主要問題，假設(shè)非線性負(fù)載 等效為諧波電流源z巴圖1中的有源濾波器、無源 濾波器共同等效為理想受控電流源.由圖1可得諧 波時域系統(tǒng)的單相等效電路，如圖2的所示.圖中 幾為電源諧波電流，k為串聯(lián)電抗器的諧波電流， 厶為并聯(lián)有源濾波器的諧波電流，幾為負(fù)載諧波電 流，從為無源濾波

10、器的諧波電流。厶邨立普拉斯變粉*鋼脅碑行分析,s斜應(yīng) 拉平站換算子。吆織等效電齊鴻厶考慮護觥 源讀*加組的等啤容與電感雅ij卓和c,閘廠 的阻逛為氐，濾波器曲阻抗為z初,旳聯(lián)電就*的z/(s) = s&(1)z 加 s) = se +右(2)zdl(s) = sle(3)為使無源濾波器起到濾除絕大部分諧波電流的 目的，混合型濾波器的諧波電流檢測指令信號屮不 能包括負(fù)荷電流屮的諧波分量.為此，采用系統(tǒng)電流 檢測方法，將混合型濾波器的輸出電流控制為：源濾b(s) = k,(s)其中的&關(guān)系到有源濾波器的容量大小.根據(jù)戴維南定理可得：寫靄濾波器與無源單 呷的組合結(jié)構(gòu).無源 i率卑傘

11、單調(diào)諧濾波器及高 j諧況扌q羽任務(wù)，而并聯(lián)型有調(diào)諧濾波器空彈j時個電曲濾波器包括丕同 通濾波器，汞擔(dān) 源濾波器補償剩毆轍碾源磁臀效的降低并聯(lián)有 源濾波器的容量，減少成本，改善整個系統(tǒng)的電能 質(zhì)量.如果僅僅把并聯(lián)有源濾波器和多組單調(diào)諧濾 波器及高通濾波器并聯(lián)在一起，由于并聯(lián)有源濾波 裝置實際上就是一個諧波發(fā)生器，且系統(tǒng)屮存在多 條諧波通道，如電網(wǎng)與apf及apf與pf之間.特 別是apf與pf之間的諧波通道，可能使apf注入 的諧波又流入pf中與并聯(lián)apf+并聯(lián)pf形式 的混合有源濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，本文提出的混 合有源濾波器在元器件上僅增加一串聯(lián)電抗器，保 持了簡單的結(jié)構(gòu)，但又具有混合型補償

12、裝置的諸多 技術(shù)特點.通過串聯(lián)電抗器，極大降低apf諧波對 無源單調(diào)諧濾波器的影響.另外，該方式在有源部分z.s(s) + z皐 s) + z 協(xié)(s)(1 + 2kjzm(s) + zm(s) + z妨(1 + kjzrq) + zm(s) + zm(s)g(s)和無源部分之間不采用變壓器藕合連接的方式，從(5)采用有源濾波器控制策略為：(i + 2k jz出(5) + z 別+ £ (5) = 0(6)則當(dāng)a；,(5)=0,即達(dá)到理想濾波狀況.但由于檢 測誤差、控制時滯等，即使實際上不可能達(dá)到這種 理想的狀態(tài)，但也能大大改善電網(wǎng)的電能質(zhì)量.3混合型并聯(lián)有源濾波器的補償特性分析在中

13、小型電力推進船舶的電力系統(tǒng)中，由于電 網(wǎng)根據(jù)負(fù)載的大小自動控制發(fā)電機組的運行臺數(shù)， 使得電網(wǎng)阻抗經(jīng)常變化眾所周知，無源濾波器pf 對諧波的濾除效果受電網(wǎng)的阻抗zm影響較大，這是 pf的非常嚴(yán)重的缺陷之一，而有源濾波器apf能夠 有效的克服這個缺陷，諧波補償特性受的影響較 小，這是所有apf的共同優(yōu)點.為了驗證所提出混合z$” + z& + z 刖有源濾波器的是否更好具備這個優(yōu)點，下面就對厶力 變化情況下對諧波補償特性進行分析.補償特性評價指標(biāo)為諧波源諧波抑制函數(shù)，定 義為：在電網(wǎng)諧波電壓心為()的條件下，電網(wǎng)諧 波電流幾與諧波源諧波電流ilh的比值.表征濾波器 衰減諧波源產(chǎn)生的諧波電流

14、的能力，也就是濾波器 的諧波補償能力.對并聯(lián)apf+并聯(lián)pf形式的混合 有源濾波器而言，該函數(shù)為：如=_如_(7)5 5=0 zsh + zpjh而對所提出的混合冇源濾波器來說，該函數(shù)為:(8)應(yīng)用matlab7分析乙力對hapf諧波源諧波 抑制函數(shù)的影響.仿真參數(shù)為：5次單調(diào)諧濾波器電 感為imh, q值為32,電容為400pf； 7次單調(diào)諧 濾波器電感為0.7mh, q值為32,電容為300pf； 高通濾波器電感0.4mh,電容為200pf,電阻為10； 串聯(lián)電抗器電感為0.3 mh, q值為32. apf輸岀電 路的參數(shù)為：電感為40.52mh, q值為35,電容為 250 mf.其屮單

15、調(diào)諧濾波器和串聯(lián)電抗的電阻為電 感的內(nèi)阻，由品質(zhì)因索。計算.仿真結(jié)果如圖3、圖 4所示.函數(shù)的差異較大.而從圖旬；中可看出：當(dāng)厶為 0.05mh和0.5 mh時，諧波源諧波抑制函數(shù)的曲線 擬和得很好；當(dāng)厶為5mh和10mh時，諧波源諧 波抑制函數(shù)的變化不大，也就是說電網(wǎng)阻抗的差異 對hapf補償特性的影響不大.同樣是在電網(wǎng)阻抗 較大的情況下，濾波效果稍微好一些.4結(jié)論隨著以變頻調(diào)速技術(shù)為基礎(chǔ)的船舶電力推進系 統(tǒng)獲得迅速發(fā)展，電力推進裝置在民用船舶上的應(yīng) 用受到愈來愈多的關(guān)注.但是變頻驅(qū)動不可避免的 設(shè)備的運行產(chǎn)生不良的影響，因此，消除的諧波影 響已成為電力推進船舶研制的關(guān)鍵技術(shù)問題之一. 本文

16、根據(jù)小型電力推進船舶的電力系統(tǒng)工作特點， 對并聯(lián)apf+并聯(lián)pf形式的混合有源濾波器的拓?fù)?結(jié)構(gòu)進行改進，在有源濾波器和無源并聯(lián)濾波支路 之間增加了一個串聯(lián)電抗器，就可極大降低apf諧 波對無源單調(diào)諧濾波器的影響在建立該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 的諧波分析模型基礎(chǔ)上，給出了控制策略，分析了 電網(wǎng)電感參數(shù)對補償特性的影響仿真結(jié)果表明，所 提出的混合并聯(lián)有源濾波器有較好補償性能.參考文獻(xiàn)：1 王兆安，楊君，劉進軍.諧波抑制與無功功率補償m.北京：機械工業(yè)出版社，1998.2 王軍華，李建貴，汪友華.混合有源電力濾波器研究 現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢j.電氣傳動，2007, 37(12): 3-6.3 譚甜源，羅安，唐欣，等.

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