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电力推进船舶有源滤波器的电压环设计

2021-06-04

相比于普通船舶的推进系统,电力推进船舶具有效率高、机动性能好、噪音低、污染小等优点,因电力推进系统需要采用大量变频装置,其包含二极管、晶闸管等电力电子器件[1],大量电力电子器件是电力推进船舶电网谐波的主要来源。船用电力系统对于谐波比较敏感,电力系统中高次谐波的产生会对计算机系统或者通信系统形成干扰,对船舶的正常运行造成影响[2],因此谐波抑制对于优化电网环境起到了至关重要的作用。目前在船舶电网谐波抑制方面,因谐波治理需求迫切,且随着有源电力滤波器的不断发展,根据现场应用的不断改进,有源电力滤波器种类逐渐增多[3]。为了保证有源电力滤波器的良好运行,直流侧电压需要基本稳定在一个值,但是由于开关器件频繁的开断会产生能量损耗,所以需要对直流侧电压进行干预控制。直流侧电压稳定是谐波补偿的基础,由于能量损耗,使得电容电压不稳定,针对这一问题对直流侧电压进行了PI控制器设计,有效解决了直流侧电压不稳定问题。1电压环控制原理直流母线电容为并联有源电力滤波器的工作提供直流电压,理想情况下直流侧电压会自动保持稳定,但由于变流器存在开关损耗等原因,并受网侧和负载侧能量流动的影响,变流器直流侧电压往往会出现较大波动[2],若不加以控制将影响到补偿装置的正常工作。因此,在变流器工作时,必须将直流侧电容电压控制在一个稳定值上,以保证APF装置良好的补偿性能。对APF直流侧电压控制,可以采用独立电源方式,由二极管整流电路给变流器直流母线电容供电,这种方式虽然能达到电容电压控制的目的,但需增加一套设备,系统也将更加复杂,同时增加系统的成本和功耗。因此,实际应用中通常采用另一种更为简单的方式,即通过对APF主电路进行适当控制,根据能量守恒原理,在指令电流中叠加一定的有功电流分量,使变流器交直流侧之间进行能量交换,从而实现直流侧电压的稳压控制。对于三相三线制系统,三相瞬时无功功率之和为零,APF交直流侧的能量交换取决于瞬时有功功率,瞬时有功功率的变化将直接影响直流侧电压波动[2]。可对瞬时有功电流进行补偿以达到系统有功功率平衡的目的,从而稳定APF直流侧电压,加入直流侧电压控制的FBD谐波检测原理如图1所示。PI控制器根据直流侧电容电压实际值与参考值之间的差值,从电网侧吸收或者发出有功的电流值,来平衡直流侧电容的电压值。PI控制器的设计对于电力推进船舶有两个优点:(1)当电力推进船舶加入大负载时或者参考图1加入直流侧电压控制的检测原理图电压突变时,直流侧电压能够适时的改变;(2)对直流侧的稳压控制有良好的鲁棒性[2]。2电压环控制设计2.1基于PI调节器的电压环控制设计将基波有功电流分量视为扰动,则直流侧电压的控制原理图如图2所示。其中,珋ip为基波有功分量,Gv(s)为电压反馈延时环节,Tv为反馈通道延时时间常数,GDC(s)为直流侧电压与叠加基波有功分量间的传递函数[4]。

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