CN102082436A - 混合电力滤波器 - Google Patents

Abstract

一种船舶电力系统技术领域的混合电力滤波器，包括：依次串联的有源滤波器、输出滤波器、耦合变压器和无源滤波器组，无源滤波器组的输入端与三相电网相连，输出端与耦合变压器相连，有源滤波器进行动态补偿后经输出滤波器滤除高频毛刺后连接至耦合变压器，输出滤波器用于滤除开关器件的高频毛刺，无源滤波器滤除船舶电网中固定次数的谐波。本发明根据船舶电力系统的特点，利用较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系统无功补偿及其他非特征次谐波的抑制。本发明结构简单，能够较好的治理船舶电力系统中的谐波。

Description

混合电力滤波器

技术领域

本发明涉及的是一种船舶电力系统技术领域的装置，具体是一种混合电力滤波器。

背景技术

近年来，随着非线性负载在大型船舶上日益广泛的应用，使船舶电力系统的谐波污染变得越来越严重，直接影响到船舶运行的经济性、安全性与可靠性。

对于大型船舶电力系统而言，由于采用了大量的非线性电力装置，因而涉及电力电子设备的耗能占船舶电气总能耗的比例越来越高，使大型船舶电网的谐波污染也变得越来越严重。而电力系统与船舶的各个系统均有牵连，它是船舶系统中一个极为重要的组成部分，直接影响着大型船舶运行的性能。

在大型船舶电力系统中，推进系统占有日益重要的地位。发电机发出的三相交流电，经整流后变成直流电，再经可控硅逆变器逆变成频率、电压恒定的交流电，供给船舶电力推进系统。由于采用了大功率可控硅整流逆变器，给船舶电网带来大量的谐波，是造成大型船舶电网谐波干扰的最主要因素。

目前对于大型船舶电力系统的谐波问题，主要的解决方案是安装无源电力滤波器。经文献检索发现，肖鸾等人在《世界海运》2003年1期上发表的“船用变频器谐波抑制方法的探讨”，该文提出：根据实际情况，在大功率换流装置及非线性负载供电母线上设谐波滤波器组，利用已知谐振频率点构成调谐低阻电路，防止谐波电流注入交流电网。在原有抑制基础上再选用AC谐波器组，从变频器电源侧进行谐波抑制，禁止谐波电流注入船舶电网。该滤波器组具有结构简单、运行可靠、维护方便和节省投资等优点，是当前可取的抑制手段。但其滤波效果受电力系统阻抗及自身参数变化影响较大，有时会与电网产生串、并联谐振而使整个滤波系统无法正常工作，还可能使得无源滤波器组过载。而且滤波器老化后参数容易漂移，会发生滤波性能不稳定等问题。而单纯的有源滤波器容量小，设备费用高，不能适用于的船舶电力系统。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种混合电力滤波器，根据船舶电力系统的特点，利用较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系统无功补偿及其他非特征次谐波的抑制。本发明结构简单，能够较好的治理船舶电力系统中的谐波。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：依次串联的有源滤波器、输出滤波器、耦合变压器和无源滤波器组，其中：无源滤波器组的输入端与三相电网相连，输出端与耦合变压器相连，有源滤波器进行动态补偿后经输出滤波器滤除高频毛刺后连接至耦合变压器，输出滤波器用于滤除开关器件的高频毛刺，无源滤波器滤除船舶电网中固定次数的谐波。

所述的无源滤波器组由与主谐波次数相同个数的若干单调谐滤波器并联组成，该单调谐滤波器对n次谐波的w_n＝nw_s的阻抗为：

其中：谐振次数n为：

调谐谐波率：

品质因数：带宽：

基波无功功率：

基波有功功率：

在谐振点处Z_fn＝R_fn，因R_fn很小，n次谐波电流主要由R_fn分流，很少流入电网中，从而滤除该次谐波。

本发明通过以下步骤实现谐波检测：

第一步、通过电流互感器测得船舶电网的三相电流i_u、i_v、i_w；

第二步、通过三相到两相坐标系转换，变换到两相旋转坐标系电流i_p、i_g；使用锁相环对电压锁相，配合正、余弦发生电路得到sinwt、coswt；

第三步、设置截止频率为船舶电网基波频率以上的低通滤波器；

第四步、检测电容电压U_d与设定值

比较，通过比例积分调节得到稳定电容电压值；

第五步、i_p、i_g经过低通滤波器后得到i_pf、i_qf，由i_pf、i_qf经反变换得到三相基波电流i_uf、i_vf、i_wf；

第五步、从三相电流i_u、i_v、i_w中减去三相基波电流i_uf、i_vf、i_wf，可得到谐波电流i_uh、i_vh、i_wh；

第六步、采用三角波比较方式作为控制方法，通过脉冲宽度调制方式控制输出波形。

本发明的有益效果是：

(1)结构简单，实施成本低，滤波效果稳定可靠。

(2)具有自适应功能，实现动态补偿，可对频率和大小变化都变化的谐波及无功进行补偿，有极快的响应。

(3)混合滤波器中的无源滤波器在基波频率下发生谐振，将承受大部分电网电压，可适用于的船舶电网，还有利于减小有源滤波器的容量，降低系统成本。

(4)可同时对谐波和无功进行补偿，不易与船舶电网阻抗发生谐振，可追踪电网频率变化，补偿性能不受电网频率影响。

(5)电压源型逆变器经过耦合变压器输出，逆变器直流侧电压不用很高就能适合高电压等级下的谐波抑制。

(6)本发明提出的混合补偿效果明显，经济成本低，可适用于的船舶电力系统。

附图说明

图1是本发明装置的结构原理图。

图2是混合型滤波器无源滤波示意图。

图3是混合型滤波器谐波电流检测图。

图4是混合型滤波器PWM控制方式图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：依次串联的有源滤波器、输出滤波器、耦合变压器和无源滤波器组，其中：无源滤波器组的输入端与三相电网相连，输出端与耦合变压器相连，有源滤波器进行动态补偿后经输出滤波器滤除高频毛刺后连接至耦合变压器，输出滤波器用于滤除开关器件的高频毛刺，无源滤波器滤除船舶电网中固定次数的谐波。

如图2所示，所述的无源滤波器组由M组单调谐滤波器并联组成，M的数值取决于主要的谐波次数。每一组单调谐滤波器由R，L，C串联组成。每组无源滤波器组一端A端和电网的一相并联，另一端B端连接耦合变压器。

单调谐滤波器对n次谐波的(w_n＝nw_s)的阻抗为：

谐振次数n为：调谐谐波率：

品质因数：

带宽：基波无功功率：

基波有功功率：

在谐振点处，Z_fn＝R_fn，因R_fn很小，n次谐波电流主要由R_fn分流，很少流入电网中，从而滤除该次谐波。

如图3所示，船舶电力系统中的谐波检测方法如下：

$\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_u\\ i_v\\ i_w\end{array}\right]=C\left[\begin{array}{c}{i}_u\\ i_v\\ i_w\end{array}\right]---\left(1\right)$

$\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_u\\ u_v\\ u_w\end{array}\right]=C\left[\begin{array}{c}{u}_u\\ u_v\\ u_w\end{array}\right]$

$\left[\begin{array}{c}{i}_p\\ i_q\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{cc}\sin \mathrm{wt}& -\cos \mathrm{wt}\\ -\cos \mathrm{wt}& -\sin \mathrm{wt}\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_u\\ i_v\\ i_w\end{array}\right]=Q\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\end{array}\right]---\left(2\right)$

根据正余弦发生电路和线电压锁相环电路得到coswt、sinwt，根据公式(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，然后对公式(1)进行反变换，得到i_a、i_b中的基波分量i_pj、i_qj。

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{pj}}\\ i_{\mathrm{qj}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\sin \mathrm{wt}& -\cos \mathrm{wt}\\ -\cos \mathrm{wt}& -\sin \mathrm{wt}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_p\\ i_q\end{array}\right]$

经过旋转坐标变换和两相坐标系变换三相坐标系后，可得i_u、i_v、i_w的基波电流为i_uf、i_vf、i_wf：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{uf}}\\ i_{\mathrm{vf}}\\ i_{\mathrm{wf}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ -\frac{1}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\\ -\frac{1}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{pj}}\\ i_{\mathrm{qj}}\end{array}\right]$

则

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{uh}}\\ i_{\mathrm{vh}}\\ i_{\mathrm{wh}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{i}_u\\ i_v\\ i_w\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{uf}}\\ i_{\mathrm{vf}}\\ i_{\mathrm{wf}}\end{array}\right]---\left(3\right)$

通过公式(3)即可检测出三相瞬时谐波电流i_uh、i_vh、i_wh。所述的谐波检测方法响应速度快，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。

如图4所示，混合型滤波器的有源滤波器是电压型逆变器，通过PWM控制方式输出电压波形。三角波比较控制方式的优点是输出电流谐波含量少，响应快，可避免稳态达到时间长的不足，使混合型滤波器的APF部分具有较快的系统响应和较小的稳态误差。

以某大型船舶电力系统为实验背景，6.6kV母线上电流谐波为3.5％。使用传统的滤波器，谐波含量从原有的3.5％下降为2.36％；采用了本发明中将无源滤波器组和有源滤波器通过耦合变压器相连，然后和电网并联的改进方案，谐波含量从3.5％下降为0。98％，而且可以动态补偿系统，不受电网频率影响，经济成本降低，滤波效果稳定可靠，适用于船舶电力系统。

Claims (4)

1.一种混合电力滤波器，其特征在于，包括：依次串联的有源滤波器、输出滤波器、耦合变压器和无源滤波器组，其中：无源滤波器组的输入端与三相电网相连，输出端与耦合变压器相连，有源滤波器进行动态补偿后经输出滤波器滤除高频毛刺后连接至耦合变压器，输出滤波器用于滤除开关器件的高频毛刺，无源滤波器滤除船舶电网中固定次数的谐波。

2.根据权利要求1所述的混合电力滤波器，其特征是，所述的无源滤波器组由与主谐波次数相同个数的若干单调谐滤波器并联组成。

3.根据权利要求2所述的混合电力滤波器，其特征是，所述的单调谐滤波器对n次谐波的w_n＝nw_s的阻抗为：

其中：谐振次数n为：

调谐谐波率：

品质因数：

带宽：

基波无功功率：

基波有功功率：在谐振点处Z_fn＝R_fn。

4.根据上述任一权利要求所述混合电力滤波器的谐波检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步、通过电流互感器测得船舶电网的三相电流i_u、i_v、i_w；

第二步、通过三相到两相坐标系转换，变换到两相旋转坐标系电流i_p、i_g；使用锁相环对电压锁相，配合正、余弦发生电路得到sinwt、coswt；

第三步、设置截止频率为船舶电网基波频率以上的低通滤波器；

第四步、检测电容电压U_d与设定值

比较，通过比例积分调节得到稳定电容电压值；

第五步、i_p、i_g经过低通滤波器后得到i_pf、i_qf，由i_pf、i_qf经反变换得到三相基波电流i_uf、i_vf、i_wf；

第五步、从三相电流i_u、i_v、i_w中减去三相基波电流i_uf、i_vf、i_wf，可得到谐波电流i_uh、i_vh、i_wh；

第六步、采用三角波比较方式作为控制方法，通过脉冲宽度调制方式控制输出波形。

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