船舶电力推进系统中的谐波抑制

1引言
船舶综合全电力推进系统是现行船舶平台的电力和动力***系统发展的综合，它适合于不同种类的船舶。世界各国都在针对船舶综合全电力推进系统进行深入的研究，国外已经开发了多种类型的综合全电力推进系统并在多型船舶上应用。据统计，在80年代后期以来，发达国家新建的客轮、破冰船、渡轮约有30%已采用综合全电力推进系统，且成流行趋势；国内民用船舶中全电力推进的应用已有多种形式：如江南船厂为国外设计建造的3200吨全电力推进化学品运输船、胜利油田的“胜利232”号工程船、我国2006年交工的首艘采用综合全电力推进系统的火车滚装渡船“中铁渤海一号”。作为船舶主动力系统的综合全电力推进系统由于其高效率、高可靠性、高自动化以及低维护也成为新世纪大型水面船舶青睐的主推进系统。
船舶综合全电力推进系统包括：发电、输电、配电、变电、拖动、推进、储能、监控和电力管理等诸，多功能多系统的复杂性也带来了严重的谐波污染问题。综合全电力推进系统各个功能模块是否运行良好，是否相互协调好，关系着整个综合全电力推进系统是否能具有良好的运行状态和优异的工作性能。

3综合电力推进系统谐波限制分析
为解决电力电子装置产生的谐波污染和低功率因数问题，传统的手段是设置无功补偿电容器和LC滤波器，这两种方法结构简单，既可以抑制谐波，又可以补偿无功功率，一直被广泛应用。但这种方法的主要缺点是补偿特性受电 阻抗和运行状态影响，易和系统发生并联谐振，此外，此种补偿方法损耗大，又只能补偿固定频率的谐波，难以对变化的无功功率和谐波进行有效的动态补偿。而随着电力系统的发展，对无功功率和谐波进行快速动态补偿的需求越来越大。目前的趋势是采用电力电子装置进行谐波补偿，即采用有源滤波器（Active Power Filter，APF）。

3.1有源滤波器的优势
  有源滤波器的主要优点有：
(1)有源滤波装置是一个高阻抗电流源，它的接入对系统阻抗不会产生影响，因此此类装置适合系列化、规模化生产。
(2)当电 结构发生变化时装置受电 阻抗的影响不大，不存在与电 阻抗发生谐波的危险，同时还能抑制串并联谐振。
(3)原理上比PPF更为优越，用同一台装置可同时补偿多次谐波电流和非整流倍次的谐波电流，完成各次谐波的治理。
(4)实现动态补偿，可对频率和大小均变化的谐波及变化的无功功率进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应速度。
(5)由于装置本身能完成输出限制，当线路中的谐波电流突然增大时有源滤波器不会发生过载，并且能正常发挥作用，不需要与系统断开。
(6)具备多种补偿功能，可以对无功功率和负序进行补偿。
(7)谐波补偿特性不受电 频率变化的影响。
(8)可以对多个谐波源进行集中治理。

3.2ANAPF系列有源电力滤波装置
安科瑞公司ANAPF系列有源电力滤波装置作为一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，可克服LC滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点，实现了动态跟踪补偿，是谐波治理和无功补偿的*佳选择，是确保海上平台电力系统稳定运行的有力保障。
3.2.1工作原理
ANAPF系列有源电力滤波装置，以并联的方式接入电 ，通过实时检测负载的谐波和无功分量，采用PWM变流技术，从变流器中产生一个和当前谐波分量和无功分量对应的反向分量并实时注入电力系统，从而实现谐波治理和无功补偿。（见图1）

3.2.3功能模块介绍
u 控制器模块APFMC-C100
主要由：DSP（数字信号处理器）、FPGA逻辑器件、AD信号采样电路、DI/DO输入输出控制电路、PWM波形控制电路、RS485通讯电路等组成，主要用来完成电压、电流等信号的采集和处理、指令电流的计算、开关电路的生成、PWM信号的输出、系统对外通讯与系统保护等功能。控制系统是有源滤波器的核心，它决定了有源电力滤波器系统的主要性能和指标。
u 变流器模块APFCOV
其核心是储能电容和IGBT模块。变流器的作用主要是将电 的电压经IGBT功率模块整流后为储能电容充电，使母线电压维持在某个稳定的值，在这个过程中变流器主要工作在整流状态，当主电路产生补偿电流时，变流器又工作在逆变状态。考虑到产品是在电 中长时间运行的，因此直流支撑电容采用薄膜电容，功率模块采用德国原装产品，以确保整机质量。变流器的选择根据补偿电流的大小而有所不同。
u 电抗器模块APF-RE.DG、APF-RE.SDG
APF电抗器起滤波作用，滤除APF发出的电 不需要的谐波。电抗器可分为单相和三相，电流从15A到200A等多种规格。
u 人机操作界面APF-HMI
APF柜在工作时，系统可以监测其 侧电流、APF桥臂电流以及负载侧电流，用户可以通过HMI来对APF的运行模式进行设置，对于运行中出现的问题，可以产生对应的事件记录。HMI就是我司针对电力系统，工矿企业，公用设施,智能大厦的电力监控需求而设计的一种智能仪表，它采用高亮度TFT-LCD彩屏显示界面，通过面板按键来实现参数设置和控制，集成全部电力参数的测量、全面的电能计量和考核管理、多种电力质量参数的分析。
u 配套的电流采样互感器AKH-0.66-K
3.2.4技术优势
l DSP+FPGA全数字控制方式，具有极快的响应时间；
l 先进的主电路拓扑和控制算法，精度更高、运行更稳定；
l 一机多能，既可补谐波，又可兼补无功；
l 模块化设计，便于生产调试；
l 便利的并联设计，方便扩容；
l 具有完善的桥臂过流、保护功能；
l 使用方便，易于操作和维护。
3.2.5有源滤波器 价及元件清单

该船的电力系统主要分***部分：6600V中压电 和440V低压电 。4台主发电机为6600V主电 供电，主推进电机和侧推器为其主要负载；440主电 通过变压器接在6600V电 上，其负载包括主推进电机励磁系统、舵机、酒店电力服务系统以及其他辅助设备等。
当ANAPF未投入电 时，电 侧和负载侧的电压电流是完全相同的，所以下面仅列出了电 侧的相电压和相电流。
图2和图3表明，ANAPF未投入时电 侧相电压几乎没有发生畸变，但相电流的波形畸变十分严重。下面是分别对电 侧A相相电压和相电流的傅里叶分析，对畸变程度进行量化（0.02s后的3个周期作为傅里叶分析的对象）。