基于PWM控制的有源滤波在浮吊船上的应用

2022-07-06邹丽丽魏同晓

船舶与海洋工程 2022年2期

邹丽丽，魏同晓

（海南世天邮轮集团有限公司上海分公司，上海 200443）

0 引言

随着船舶日益大型化，船舶电力系统的结构越来越复杂，功能越来越强大。为满足多方面的功能需求，船舶通常会应用大量电力电子装置，在满足大型船舶的复杂功能要求的同时，出现了严重的谐波问题。当前，有源滤波器已在船上得到应用，为解决船舶电力系统存在的谐波问题提供了新的方案。

1 规范对谐波的要求

本文以某浮吊船为例进行分析。该船入级法国船级社（Bureau Veritas，BV），根据2018 版BV 规范NR467（《钢质船舶入级规范》）C篇第2 章第2 节2.4.2 条的规定，由静态变流器供电的交流系统或以静态变流器为主的系统需满足：

1）单次谐波不超过标准电压的5%，直到标准频率的第15 次谐波，在第100 次谐波时减少到1%；

2）总的谐波畸变不超过8%。

2 谐波控制方式

对于减少谐波影响的技术措施，可从2 个方面考虑：一是从谐波源出发，在源头上减少谐波的产生；二是安装滤波装置。

2.1 减少整流装置谐波的输出［4-5］

一般采用增加整流相数的方法，如采用十二相及十二相以上的多相整流电路，根据规范的要求，通过适当控制，大大减少输出电流中的谐波。若采用该方法不能满足要求，则必须考虑采取另外加滤波的措施解决。表1 为不同整流装置的谐波比较。

表1 不同整流装置的谐波比较

2.2 基于PWM控制的有源滤波器［6-8］

本文采用的滤波器为并联型有源滤波器，采用的控制方法为脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）。并联型有源滤波器与系统并联等效为一个受控电流源，见图1。有源滤波器向系统注入与谐波电流大小相等、方向相反的电流，达到滤波的目的。

图1 有源滤波器的基本拓扑结构图

PWM逆变器的工作原理是在逆变器输出的周期内将直流输入斩成幅值相等、宽度可变的脉冲序列加在负载两端。通过对脉冲宽度进行调制，对逆变开关进行控制，改变每个工作周期内开关导通占空比，达到调节电压的目的，从而有效控制逆变器输出的基波分量和谐波分量，实现谐波治理。用可变脉宽的多脉冲调制，改变逆变开关开通和关断时刻，以此消除某些次谐波，当前较多采用正弦脉宽调制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM），即通过对一系列不等宽的脉冲进行调制等效正弦波形，其主电路见图2。

图2 三相桥式PWM型逆变电路

三相调制信号U、U和U为相位依次相差120°的正弦电压波，三相载波信号共用1 个正负方向变化的三角形波U。以相为例：在U＞U的各区间，给上桥臂V1 导通信号，给下桥臂V4 关断信号，于是相对直流电源假象中性点N′的输出电压为U=U/2；当U＜U时，给V4 导通信号，给V1 关断信号，U= -U/2。V1 与V4 的驱动信号始终是互补的。相和相的控制方式与相相同。三相桥式PWM型逆变电路都采用双极性控制方式，这里以相为例，双极性PWM控制方式波形见图3。

图3 双极性PWM控制方式波形

3 基于PWM控制的有源滤波器在浮吊船上的应用

3.1 船舶基本参数

本文所述目标船为全回转浮吊船，总长75 m，型宽25 m，型深5.5 m，设计吃水3.3 m，甲板载荷10 t/m，服务航速6.0 kn，入级BV。

3.2 浮吊供电单线图

浮吊供电单线图见图4。该船的浮吊采用直流传动，没有采用移相变压器，谐波较高，需另外加滤波器。

图4 浮吊供电单线图

3.3 船舶有源滤波器配置

该浮吊船为新造船，通过综合分析确定总线治理方式，系统的谐波源主要是2 种型号的6 台直流电机，即2 台452 kW的直流电机和4 台90 kW的直流电机。根据经验，该系统的谐波含量在40%左右。

由吊车手臂的动作规律可确定负载不同时工作。因此，根据浮吊的实际运行情况，通常都是1 台452 kW的直流电机与4 台90 kW的直流电机同时工作；通过综合考虑，既能最大程度地减少滤波器的容量，又能满足谐波限值要求。经分析，给出以下方案：

1）2 台452 kW的直流电机单一动作，以1 台直流电机容量治理，电压等级为690 V，取功率因数为0.9，可得

式（1）和式（2）中：为电机额定功率；为电机额定电压；φ为功率因数角；为总的谐波电流；为总的电流有效值；为电流谐波总畸变率。

2）4 台90 kW的直流电机同时动作，需共同治理，电压等级为440 V。若要在690 V侧集中治理，则电压等级为690 V，取功率因数为0.9，可得

根据以上分析配置谐波治理方案，在690 V电压总线上进行集中治理，可节省空间、降低施工难度、提高工作效率、方便统一检测和降低维护工作难度等。综上分析，有源滤波器参考配置容量见表2，有源滤波器主要技术参数见表3。根据现场实测谐波值，有源滤波器接入前后的谐波含有率对比见表4。对比规范的要求，治理后总的谐波含有率低于8%，满足规范的要求。