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          電力推進船舶有源濾波器的電壓環設計

          2021-06-04

          相比于普通船舶的推進系統,電力推進船舶具有效率高、機動性能好、噪音低、污染小等優點,因電力推進系統需要采用大量變頻裝置,其包含二極管、晶閘管等電力電子器件[1],大量電力電子器件是電力推進船舶電網諧波的主要來源。船用電力系統對于諧波比較敏感,電力系統中高次諧波的產生會對計算機系統或者通信系統形成干擾,對船舶的正常運行造成影響[2],因此諧波抑制對于優化電網環境起到了至關重要的作用。目前在船舶電網諧波抑制方面,因諧波治理需求迫切,且隨著有源電力濾波器的不斷發展,根據現場應用的不斷改進,有源電力濾波器種類逐漸增多[3]。為了保證有源電力濾波器的良好運行,直流側電壓需要基本穩定在一個值,但是由于開關器件頻繁的開斷會產生能量損耗,所以需要對直流側電壓進行干預控制。直流側電壓穩定是諧波補償的基礎,由于能量損耗,使得電容電壓不穩定,針對這一問題對直流側電壓進行了PI控制器設計,有效解決了直流側電壓不穩定問題。1電壓環控制原理直流母線電容為并聯有源電力濾波器的工作提供直流電壓,理想情況下直流側電壓會自動保持穩定,但由于變流器存在開關損耗等原因,并受網側和負載側能量流動的影響,變流器直流側電壓往往會出現較大波動[2],若不加以控制將影響到補償裝置的正常工作。因此,在變流器工作時,必須將直流側電容電壓控制在一個穩定值上,以保證APF裝置良好的補償性能。對APF直流側電壓控制,可以采用獨立電源方式,由二極管整流電路給變流器直流母線電容供電,這種方式雖然能達到電容電壓控制的目的,但需增加一套設備,系統也將更加復雜,同時增加系統的成本和功耗。因此,實際應用中通常采用另一種更為簡單的方式,即通過對APF主電路進行適當控制,根據能量守恒原理,在指令電流中疊加一定的有功電流分量,使變流器交直流側之間進行能量交換,從而實現直流側電壓的穩壓控制。對于三相三線制系統,三相瞬時無功功率之和為零,APF交直流側的能量交換取決于瞬時有功功率,瞬時有功功率的變化將直接影響直流側電壓波動[2]??蓪λ矔r有功電流進行補償以達到系統有功功率平衡的目的,從而穩定APF直流側電壓,加入直流側電壓控制的FBD諧波檢測原理如圖1所示。PI控制器根據直流側電容電壓實際值與參考值之間的差值,從電網側吸收或者發出有功的電流值,來平衡直流側電容的電壓值。PI控制器的設計對于電力推進船舶有兩個優點:(1)當電力推進船舶加入大負載時或者參考圖1加入直流側電壓控制的檢測原理圖電壓突變時,直流側電壓能夠適時的改變;(2)對直流側的穩壓控制有良好的魯棒性[2]。2電壓環控制設計2.1基于PI調節器的電壓環控制設計將基波有功電流分量視為擾動,則直流側電壓的控制原理圖如圖2所示。其中,珋ip為基波有功分量,Gv(s)為電壓反饋延時環節,Tv為反饋通道延時時間常數,GDC(s)為直流側電壓與疊加基波有功分量間的傳遞函數[4]。

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