有源电力滤波器在舰船电网谐波治理中的应用

舰船电网中的非线形设备产生大量的谐波电流，本文对某型号舰艇电网谐波状况进行了测试和分析，对谐波补偿的几种方案进行了讨论，采用有源滤波器方案进行谐波补偿，简要介绍了有源电力滤波器装置的设计，最后给出了补偿的试验结果。

    1．前言
    舰船电网是由数台发电机组并联发电组成的独立电网。近年来，随着舰载非线形用电设备，尤其是雷达设备的数量增多、功率增大，注入舰船电网的谐波电流变大，电流总谐波含量高达27%，严重超出国军标GJB151A中CE101项目关于电流谐波限值的要求，并且对其它较敏感的舰载用电设备造成不良影响或带来使用隐患。因此，必须采取谐波治理措施，降低电流谐波，使其达到相应标准规范的要求。
    2．舰船电网谐波状况和补偿要求
    国产某型号舰艇电网情况：1）电压：额定380V，持续波动不超过±10%，短暂波动不超过±15%；2）频率：额定50Hz：波动不超过±5%；3）相数：三相三线；4）供电特性：满足《GB/T13032-91 船用柴油发电机组技术条件》要求。
    用电设备为混合型，包括大功率雷达系统、电子设备、传动冷却系统和通用用电设备。其中，注入电网电流谐波最大的是雷达系统，该设备容量约300kVA，运行过程中，根据不同的工作模式，负载在约130~260kW之间变化，总谐波失真约27%。
    在雷达供电系统配电屏处测试，电压电流波形和负载电流波动情况如图1、图2所示，电流变化时的各单次谐波分布如表1、表2所示。可见，除电流总谐波最高达29%之外，由于工作期间，工作模式的不同，引起负载电流频繁变化，导致谐波电流也在频繁变化，给谐波补偿带来一定难度。

图1  电压电流波形

图2  负载电流波动情况

表1 满载时电流各次谐波含量

表2 电流波动时各次谐波含量
        
    根据上述谐波状况，对谐波补偿的要求如下：
    1．补偿能力：谐波补偿电流不小于100A；
    2．补偿效果：补偿后，电网侧电流畸变，满足CE101的要求；
    3．跟踪特性：动态跟踪补偿，适应负载的波动特性，动态响应时间≯20ms；
    4．冷却方式：风冷
    5．故障保护：补偿装置具备基本的故障保护功能，故障保护时，装置能自动从电网上脱开，不影响船用电网的正常运行。
    6．结构：采用1.6m高度的与其它船用电气设备相同的标准柜型，重量不大于100kg。

    3．滤波器总体方案选择
    前已述及，雷达设备谐波主要为电流源，要限制谐波源注入电网的谐波电流，可采取以下方案：
    1．对产生谐波的装置进行改造，使其不产生谐波，且功率因数尽量高。可采用在输入侧加装变压器，使整流电路多重化的措施；或采用全控型器件组成PWM整流器，实现功率因数校正的措施。
    2．加装交流无源滤波装置，装置由电力电容器、电抗器和电阻器适当组合而成，组成若干单调谐及高通滤波支路，和谐波源并联运行，以吸收谐波电流，有效地减小谐波量；除起到滤波作用外，还兼顾无功补偿的需要。优点是结构简单，运行可靠，维护方便。
    这种滤波方法的主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，易和系统发生并联谐振，导致谐波放大，使LC滤波器过载甚至烧毁。此外，它只能补偿固定频率的谐波，补偿效果也不甚理想。
    3．加装交流有源滤波器装置，装置由可控电力电子变流器和检测控制电路组成，其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，与谐波电流相抵，从而使电网电流只含基波分量。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响，滤波性能和动态特性均比无源方式大为提高。
    方案1对负载设备进行改造，由于舰载雷达设备采用已经定型的成熟产品，其战技指标和结构外形已经确定，产品已通过例行试验，加之雷达系统供电有多路电源输入，对其进行改造必然使原有定型系统发生较大的变化，因此采用方案1是不切合实际的。
    方案2加装无源滤波装置虽然具有结构简单，运行可靠，维护方便的优点。但由于装置在舰用电网上运行，该电网由数台发电机并联组成，电网容量小，稳定性差，电压尤其是频率均会产生一定范围的波动，加之雷达设备在工作过程中负载电流频繁变化，使得无源滤波器很容易发生并联谐振，产生谐波放大，损害谐波装置，甚至负载设备。因此，方案2存在很大局限性和一定的危险性。
    方案3加装有源滤波装置，其显著的优点是能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，补偿特性不受电网阻抗的影响。与无源滤波器相比，APF具有高度可控性和快速响应性，不仅能补偿各次谐波，还可抑制闪变、补偿无功，有一机多能的特点。其特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波，完全能适应舰载电网条件和雷达负载电流频繁变化的工作状态。有源滤波装置采用电力电子变换技术，其体积、重量与无源相比均大幅减小，满足舰上安装使用的要求。

[!--empirenews.page--]
  综上所述，方案3既能满足舰载特殊的使用条件，又不影响原有定型系统，是各方案中的最佳选择。
    有源滤波器原理如图3所示，图中有源电力滤波器和负载并联接入电网，工作时，有源电力滤波器相当于受控电流源，它产生与负载谐波电流大小相等、方向相反的谐波电流注入电网，抵消负载产生的谐波电流，使流入电网的电流接近正弦波，从而达到谐波补偿的目的。使用时，将装置安装在雷达设备配电柜旁，从雷达设备供电回路前端接入即可。

 

图3  有源电力滤波器原理图

    4．有源电力滤波器装置设计
    有源电力滤波器装置主要由功率变换主电路、IGBT的驱动与保护电路、控制电路构成。
    主电路由两组三相电压型PWM变流器构成，这两个功率模块公用一组直流电容器；交流侧与负载谐波源并联连接，如图4所示。其中的开关元件选用的是IGBT。工作时，各组PWM变流模块根据电流跟随控制电路所发出的指令信号独立工作，产生各自的谐波补偿电流，相加后以抑制谐波源负载注入电网侧电流中的谐波成分。

图4 主电路结构图
    驱动电路以日本三菱公司集成驱动模块M57959为核心组成，此模块为厚膜电路，可用于驱动1200V/400A以下或600V/400A以下的IGBT；驱动信号延迟最大仅1.5us；最高工作频率可达40kHz；内装用于控制电路和驱动电路之间隔离的光耦和保护电路，能在短路和过流情况下作出迅速的反应。驱动电路采用＋15V、－10V双电源供电，可确保IGBT关断期间不发生误导通，提高驱动电路的抗干扰能力。过流保护利用集成驱动模块内部过流保护功能和逆变桥母线集中检测保护双重方式完成；此外，驱动板上还设有功率器件过热、直流母线过压、直流母线欠压3种保护。
    控制电路是以双DSP为核心的数字、模拟混合控制电路。采用数字电路实现指令运算等功能可以免受温飘及元件老化的影响，提高系统的稳定性，便于系统升级。数字系统主要实现数据采集与处理；模拟系统主要实现电流跟踪控制，控制脉冲的生成，各种输入信号的调理，保护，报警及一些I/O接口电路。
    5．系统试验和补偿效果
    补偿装置已在雷达地面试验场完成安装调试，按照技术条件要求与雷达设备进行了联机模拟试验，对装置投入后电网谐波电流进行了详细测试和分析。图5为补偿装置投入后电网侧电压电流波形，电流波形明显接近正弦，与图1相比大为改善；图6为负载电流波动时电网侧电压、电流波形，可见，在波动过程中，补偿效果仍然可以保证，说明系统响应特性完全可满足负载特性的要求。

图5  补偿后电压电流波形

图6  负载电流波动时电压电流波形

    表3为补偿后电网侧电流各单次谐波含量，与图1、2相比，总谐波含量由原来的29.70%下降到7.71%。按照GJB151A标准CE101项目电流噪声限值的测试计算方法，将各次谐波电流折算成相应的分贝值，与CE101所规定的限值对比，结果均未超标。由此可见，补偿装置投入后，对电网谐波电流的补偿效果非常明显。目前补偿装置正在按装舰要求进行结构改进和环境试验，为正式上舰安装调试和舰上试验作准备。

表3  满载时电流的各次谐波含量
    6．结论
    有源电力滤波器是一种特别适合舰船电网谐波治理的优秀方案。它的使用，较好地抑制了舰船电网中的谐波污染，极大地改善了电网的电能质量，满足了舰用设备的要求及GJB151A中CE101项的指标要求。对于与舰船电网相似的独立小容量电网的谐波治理具有较好的推广应用价值。