艦船電網中的非線形設備產生大量的諧波電流，本文對某型號艦艇電網諧波狀況進行了測試和分析，對諧波補償?shù)膸追N方案進行了討論，采用有源濾波器方案進行諧波補償，簡要介紹了有源電力濾波器裝置的設計，最后給出了補償?shù)脑囼灲Y果。
1．前言
艦船電網是由數(shù)臺發(fā)電機組并聯(lián)發(fā)電組成的獨立電網。近年來，隨著艦載非線形用電設備，尤其是雷達設備的數(shù)量增多、功率增大，注入艦船電網的諧波電流變大，電流總諧波含量高達27%，嚴重超出國軍標GJB151A中CE101項目關于電流諧波限值的要求，并且對其它較敏感的艦載用電設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，使其達到相應標準規(guī)范的要求。
2．艦船電網諧波狀況和補償要求
國產某型號艦艇電網情況：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)電機組技術條件》要求。
用電設備為混合型，包括大功率雷達系統(tǒng)、電子設備、傳動冷卻系統(tǒng)和通用用電設備。其中，注入電網電流諧波最大的是雷達系統(tǒng)，該設備容量約300kVA，運行過程中，根據(jù)不同的工作模式，負載在約130~260kW之間變化，總諧波失真約27%。
在雷達供電系統(tǒng)配電屏處測試，電壓電流波形和負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?？梢姡娏骺傊C波最高達29%之外，由于工作期間，工作模式的不同，引起負載電流頻繁變化，導致諧波電流也在頻繁變化，給諧波補償帶來一定難度。
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 負載電流波動情況
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，電網側電流畸變，滿足CE101的要求；
3．跟蹤特性：動態(tài)跟蹤補償，適應負載的波動特性，動態(tài)響應時間≯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，裝置能自動從電網上脫開，不影響船用電網的正常運行。
6．結構：采用1.6m高度的與其它船用電氣設備相同的標準柜型，重量不大于100kg。
前已述及，雷達設備諧波主要為電流源，要限制諧波源注入電網的諧波電流，可采取以下方案：
1．對產生諧波的裝置進行改造，使其不產生諧波，且功率因數(shù)盡量高。可采用在輸入側加裝變壓器，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)點是結構簡單，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對負載設備進行改造，由于艦載雷達設備采用已經定型的成熟產品，其戰(zhàn)技指標和結構外形已經確定，產品已通過例行試驗，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構簡單，運行可靠，維護方便的優(yōu)點。但由于裝置在艦用電網上運行，該電網由數(shù)臺發(fā)電機并聯(lián)組成，電網容量小，穩(wěn)定性差，電壓尤其是頻率均會產生一定范圍的波動，加之雷達設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，產生諧波放大，損害諧波裝置，甚至負載設備。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；具有自適應功能，可自動跟蹤補償變化著的諧波，完全能適應艦載電網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，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載并聯(lián)接入電網，工作時，有源電力濾波器相當于受控電流源，它產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，抵消負載產生的諧波電流，使流入電網的電流接近正弦波，從而達到諧波補償?shù)哪康?。使用時，將裝置安裝在雷達設備配電柜旁，從雷達設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計
有源電力濾波器裝置主要由功率變換主電路、IGBT的驅動與保護電路、控制電路構成。
主電路由兩組三相電壓型PWM變流器構成，這兩個功率模塊公用一組直流電容器；交流側與負載諧波源并聯(lián)連接，如圖4所示。其中的開關元件選用的是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側電流中的諧波成分。
圖4 主電路結構圖
驅動電路以日本三菱公司集成驅動模塊M57959為核心組成，此模塊為厚膜電路，可用于驅動1200V/400A以下或600V/400A以下的IGBT；驅動信號延遲最大僅1.5us；最高工作頻率可達40kHz；內裝用于控制電路和驅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。驅動電路采用＋15V、－10V雙電源供電，可確保IGBT關斷期間不發(fā)生誤導通，提高驅動電路的抗干擾能力。過流保護利用集成驅動模塊內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，驅動板上還設有功率器件過熱、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試，按照技術條件要求與雷達設備進行了聯(lián)機模擬試驗，對裝置投入后電網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側電壓電流波形，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側電壓、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為補償后電網側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的分貝值，與CE101所規(guī)定的限值對比，結果均未超標。由此可見，補償裝置投入后，對電網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構改進和環(huán)境試驗，為正式上艦安裝調試和艦上試驗作準備。
表3 滿載時電流的各次諧波含量
6．結論
有源電力濾波器是一種特別適合艦船電網諧波治理的優(yōu)秀方案。它的使用，較好地抑制了艦船電網中的諧波污染，極大地改善了電網的電能質量，滿足了艦用設備的要求及GJB151A中CE101項的指標要求。對于與艦船電網相似的獨立小容量電網的諧波治理具有較好的推廣應用價值。
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