基于混合滤波器的大型船舶电力系统谐波抑制分析_图文

1、第45卷第6期 2011年6月上海交通大学学报JO U RN A L OF SH A N GH AI JIA O T O NG U N IV ERSIT Y收稿日期:2010 10 29基金项目:国家科技重大专项子项资助(2008ZX05000 027,2008ZX05027 003作者简介:黄 彬(1983 ,男,湖南长沙市人,博士生,研究方向为电力系统及其自动化.文章编号:1006 2467(201106 0787 06+0797基于混合滤波器的大型船舶电力系统谐波抑制分析黄 彬1, 邰能灵1, 傅晓红2, 王 鹏2, 倪明杰2, 卫 卫2(1.上海交通大学电子信息与电气工程学院,上海20

2、0240;2.中国船舶工业集团公司第七 八研究所,上海200011摘 要:设计了一种新的混合型滤波系统,该系统由大容量无源滤波器和较小容量的有源滤波器共同组成.针对船舶的多工况运行方式导致电力系统拓扑结构及参数发生改变这一状况,提出了在电力系统的特定位置安装混合型滤波器,利用较大容量无源滤波器滤除系统特定次谐波,较小容量有源滤波器用于补偿及系统微调的方案.对某大型船舶电力系统的测试结果表明,新型滤波器具有较高的性价比,能适应大型船舶的多工况运行方式.关键词:混合型滤波器;自适应滤波;参数设计;谐波抑制;船舶谐波中图分类号:T M 76 文献标志码:AA Hybrid Active Filter

3、 for Dam ping H armonic Resonancein Large Shipboard Power SystemH UAN G Bin 1, T A I N eng ling 1, F U X iao hong 2, WA N G P eng 2, N I M ing j ie 2, WE I Wei 2(1.Scho ol o f Electronic,Information and Electr ical Engineering ,Shanghai Jiaotong U niv er sity,Shanghai 200240,China;2.M arine Design &

4、amp;Research Institute o f China,Shang hai 200011,ChinaAbstract:A novel hybrid filtering sy stem w as desig ned.This system is composed of both the large capacity passive filter and the sm all capacity active filter.Considering the fact that the ship s multi co ndition opera tion m ay cause the chan

5、g e o f topolog y str ucture and parameter s in pow er sy stem,hybrid filter s w ere intro duced.T he lar ger capacity passive filter is to remo ve the specific o rder harm onics,and the sm all capacity active filter is to be used in com pensation and system fine tuning.After being v erified in the

6、pow er system of a larg e ship,the new filter is prov en to have hig h perfo rmance to price ratio and is suitable to the multi conditio n operation of larg e ships.Key words:hybrid activ e filter;adaptive filter;param eter design;harmo nic suppression;ships har monic在我国各类大型船舶中,电力推进系统普遍采用二极管进行整流,这种大

7、量应用二极管的变频器是一种强的非线性负载,也是船舶电力系统主要的谐波污染源.如何使这类船舶的电力系统在各种工况下都能获得满意的滤波效果,保证船舶电力系统的安全具有很现实的意义1 2.文献1中研究了传统的船舶电力系统滤波方法,采用基于谐振原理的无源滤波器滤除指定次数的谐波,这种方法容易与电网产生串、并联谐振.当船舶工况发生变化引起系统拓扑结构及参数的变化时,滤波效果就会受到影响,甚至可能给系统造成干扰3.文献2 4研究了有源滤波器,可以动态抑制谐波,补偿无功.但是有源滤波器容量小,设备费用高,不能适用于大容量的船舶电力系统.本文根据某大型船舶电力系统的特点及参数变化的复杂性,提出了在特定位置安装

8、由无源滤波器组及有源滤波器构成的混合型滤波器.测试结果表明,在多工况的船舶运行方式下,该系统具有良好的滤波性能和工程实用性.1 混合型滤波器设计传统的船舶电力系统一般使用无源滤波器抑制谐波.无源滤波器结构简单、成本低、运行稳定、技术相对成熟、容量大,但是只能消除特定次数的谐波,且滤波特性受系统参数的影响较大4 7.有源滤波器是一个高阻抗电流源,它的接入对系统阻抗不会产生影响,实现了动态补偿,可同时补偿多次谐波电流和非整数倍次的谐波电流,对补偿对象的变化有极快的响应速度,但一般容量较小,不能补偿大电流8 11.为了提高性价比和最大限度地降低船舶电网的谐波,本文设计了一种新型的混合型滤波器,可应用

9、于容量大且要求较灵敏补偿的大型船舶电网中,混合型滤波器如图1所示 .图1 混合有源滤波器结构图F ig.1 Co nf igur ation of the hybr id active po wer filter混合型滤波器由有源滤波器、输出滤波器、耦合变压器、无源滤波器等组成12 13.无源滤波器滤除船舶电网中固定次数的谐波,有源滤波器进行动态补偿.耦合变压器起到隔离保护、调节电压等级的作用,输出滤波器滤除开关器件的高频毛刺.整个混合型有源滤波器可以进行高电压、大容量的船舶电力系统谐波治理.某大型电力推进船舶采用24脉变频器,该变频器也是系统主要的谐波源14 17.变频器电网侧有2台变压器,

10、设第1台变压器线电流为I 1;第2台变压器电流为I 2,其原边电流超前第1台15 ,则有电网侧的总电流I =I 1+I 2=83I d (sin t +123sin 23 t +125Z f,n =R f,n +j n n L -1n n C其中:R f,n 为电阻;L 为电感;C 为电容; n 为对应n次谐波的角频率.滤波器利用串联谐振原理构成,谐波次数、品质因数、带宽、基波无功率和有功功率分别为:n=f n /f 1=( n L C -1Q=nX L R f ,n =X CnR f ,nB =f n /Q P Q =U 2X C n2n 2-1P =P Qn n 2-11Q其中:n 为谐波

11、次数;f n 为n 次谐波频率;f 1为基波频率;U 为额定线电压;X L 为感抗;X C 为容抗.在谐振点处,Z f ,n =R f ,n ,因R f ,n 很小,n 次谐波电流主要由R f ,n 分流,很少流入电网中;而对于其他次数的谐波,Z f ,n R f ,n ,滤波器分流很少.因此,理论上只要将滤波器的谐振次数设定为与需要滤除的谐波次数相同,则该次谐波的大部分将流入滤波器,从而起到滤除该次谐波的目的.2 混合型滤波器的有源滤波设计有源滤波器是电压型逆变器,通过脉宽调制(PWM 控制方式输出电压波形.常用的PWM 控制技术有滞环比较方式控制和三角波调制方式控制等18 19.若采用滞环

12、比较电流跟踪型PWM 技术,在同开关频率时输出电流高次谐波成分含量较多,而三角波比较控制方式输出电流谐波含量少,电流响应快.本文采用三角波比较方式的控制方法,其原理框图如图2所示.图中:u 、v 、w 为电网的三相;i *u 、i *v 、i *w 为额定电流值;i u 、i v 、i w 为系统电流值;A 为运算放大器.788上 海 交 通 大 学 学 报第45卷图2 三角波比较方式原理图F ig.2 Schematic diag ram of tr iangular w ave compariso n对电力系统中的谐波检测采用三相瞬时无功理论i p-i q谐波检测方法,原理是电源电压经过一

13、个锁相环(PLL和正、余弦信号发生装置之后得到与其同相位的正、余弦信号.在谐波畸变的情况下,这种方法比p q法(利用系统的电压分离谐波的方法更加精确.设:i a i b =231-1 2-120 32-32i ui vi w=Ci ui vi wu a u b =231-12-120 32-32u uu vu w=Cu uu vu w(1i p i q =23sin t-cos t-cos t-sin t1-12-120 32-32i ui vi w=Yi ai b(2式中:Y= sin t-cos t-cos t-sin t;i a、i b为经过三相变换二相坐标的电流值;u a、u b为经三

14、相变换二相坐标的电压值;u u、u v、u w为系统电压值;i p、i q为经同步旋转坐标变换的电流值.根据正、余弦发生电路和线电压PLL电路得到cos t、sin t,根据式(2得到i p、i q,并经过低通滤波得到其直流分量I pf、I qf,然后对式(1进行反变换,得到i a、i b中的基波分量i pj、i qj,i pji qj=sin t-co s t-cos t-sin ti pi q经过旋转坐标变换和二相坐标系变换三相坐标系后,可得i u、i v、i w的基波电流i uj、i vj、i wj为i uji vji w j=231 0-1232-12-32i pji qj则三相瞬时谐

15、波电流i uh、i vh、i wh为i uhi vhi w h=i ui vi w-i u ji vji wj(3采用三相瞬时无功理论i p-i q谐波检测方法,系统响应速度快,滤波效果好,不受电网频率波动及负载变化的影响,适合于大型船舶电网谐波微调.谐波检测的方法通过电流互感器(CT获得三相电流i u、i v、i w,然后通过三相到二相坐标系转换,变换到二相旋转坐标系.使用PLL对电压锁相,配合正、余弦发生电路得到cos t、sin t.低通滤波器(LPF的截止频率设置为略高于电路频率即可,将电容电压U d与其设定值U*d比较,通过比例积分(PI调节,来稳定电容电压值.经过LPF后得到i p

16、f、i qf,由i pf、i qf经反变换得到三相基波电流i uj、i vj、i wj,从i u、i v、i w中减去基波电流,可得到谐波电流i u h、i vh、i w h.谐波电流检测电路如图3所示.其中, U d=U d-U*d,为经过PI调节后的控制量。图3 谐波电流检测模块F ig.3 Detecting circuit o f har monic current789第6期黄 彬,等:基于混合滤波器的大型船舶电力系统谐波抑制分析 谐波电流i uh 、i vh 、i wh 与设定的三角载波进行比较,通过三角波比较控制方式输出PWM 信号,控制逆变器输出.3 算例分析本文以某实际大型液

17、化天然气(LNG船舶电力系统为例、系统频率为50H z,有2块6.6kV 主配电盘通过联络线互相连接,每块配电盘上均有2台发电机对其供电,其中连至左侧配电盘的发电机均为11MW,而连至右侧配电盘的发电机则分别为11和5.5M W.2块主配电盘分别连接1台24脉变频器,驱动1台14MW 三相同步电动机,组成电力推进系统的主要部分.主配电盘下级连着CA 、CB 2块泵机配电盘以及艏侧推进电动机,并通过2条变压器支路连至450V 低压配电盘.CA 、CB 下级各连接着4台货泵电机和2台压缩机.450V 低压配电盘下级连接应急系统和其他一些低压负荷以及230V 低压系统.电力系统如图4所示 .图4 船

18、舶电力系统及滤波器安装位置示意图Fig.4 Ship po wer system and distributio n o fhybr id active filter结合工程实践及经验分析,在变频器工作的情况下,船舶电网中产生谐波畸变,反之则谐波含量比较少,可以忽略.因此,设计在变频器整流侧安装混合滤波器,在实际应用中为了防止混合型滤波器对系统干扰,还可以考虑通过断路器跟随变频器同步启动和关闭,以适用于各种工况.航行工况是船舶电力系统运行中最常见的工况,在所有工况中比重很大.限于篇幅,本文以船舶的航行工况为例说明滤波器效果,在此工况下电网单相谐波电流参数如表1所示.表1 船舶电力系统谐波电流参

19、数Tab.1 Harm onic current and percentage in ship power system谐波次数i uh /A 谐波含量/%0.34总谐波含量3.50由于47次谐波含量较少,并考虑工况变化,无源滤波器主要用于滤除23次和25次谐波,参数设计略有余量.根据上述分析,选择参数如表2所示.表2 单调谐滤波器参数Tab.2 Parameters of filter with the 23 timesand 25 times tuning调谐次数P Q /(kV AX C / X L / R f,n / 23300145.20.232320.02808混合型滤波器的无源滤

20、波(PF模块的频率响应如图5所示 .图5 混合型滤波器的PF 模块的频率响应Fig.5 F requency response o f the PF mo dule o fhybr id active filter790上 海 交 通 大 学 学 报第45卷 图6 船舶电网母线电压谐波分析Fig.6 H armo nic analysis on bus bar vo ltag ein ship po wer sy stem图7 6.6kV 母线电流谐波分析F ig.7 H ar monic analysis o n 6.6kV bus bar curr ent接入混合型有源滤波器后,6.6kV

21、 母线上的电压谐波含量从原来的3.66%降低到0.88%,电流谐波含量从原来的3.50%下降为0.74%.接入混合型有源滤波器后电压、电流波形及其谐波分析如图8、9所示,滤波前后谐波电流比较如图10所示.接入混合型有源滤波器后谐波电流参数如表3所示 .图8 接入混合型有源滤波器后电压谐波分析F ig.8 Har monic analy sis o n bus bar vo ltag e w it hhy brid active filter图9 接入混合型有源滤波器后电流谐波分析F ig.9 H armo nic analysis on bus bar curr entw ith hybr i

22、d active filter791第6期黄 彬,等:基于混合滤波器的大型船舶电力系统谐波抑制分析792 上 海 交 通 大 学 学 报 第 45 卷 Proceedings of the CSEE, 2002, 22( 1 : 80 84. 4 马晓军, 陈建业, 韩英铎, 等. 单相并联 型有源滤 波器 的研究 J . 清 华 大 学 学 报: 自 然 科 学 版, 1997, 37 ( 7 : 39 43. M A X iao jun, CH EN Jian ye, H A N Ying duo, et al . Analysis of sing le phase shunt act i

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25、 2 17. 4 1. 6 14. 8 HU M ing, CH EN H eng . Active pow er filter tech nolog y and its applicatio n J . Automation of Electric Power Systems, 2000, 24( 3 , 66 70. 7 Fujita H , Y amasaki T , Akag i H. A hybrid act ive fil ter fo r damping of har monic r eso nance in industrial po wer sy st ems J . IEE

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30、 按照本文方案设计的混合型滤波器, 对大型船 舶电网的滤波效果比较明显, 通过使用无源滤波器 滤除特定次数谐波, 有源滤波器进行微调的方法, 可 以较好地抑制船舶电力系统的谐波. 测试结果表明, 混合型滤波器对中高压、 大容量谐波系统的治理有 较好的滤波效果, 在经济性和滤波性能上有明显的 优势, 对改善船舶电网质量和电能谐波污染具有重 要的现实意义. 参考文献: 1 宋艳琼. 电 力 推 进 船 舶 电 网 谐 波 抑 制 方 案 的 探 讨 J . 广州航海高等专科学校学报, 2009, 2( 17 : 11 14. SO NG Yan qiong. D iscussion on meth

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33、串联电阻下降45. 4% . 由于本文采用的印刷机没有自校准功能, 印刷 磷源和电极栅线不能完全对准, 导致电池漏电偏高, 转换效率没有很大提升. 在今后的研究工作中将继 续深入研究对准和扩散技术, 以期明显提高 SE 电 池光电转换效率. 参考文献: 1 Zhao L , L i H L, Z ho u C L , et al. O pt imized resis tiv ity o f p ty pe Si subst rate for H IT sola r cell w ith A l back surface field by com puter simulation J . Sol

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