有源电力滤波器在舰船电网谐波治理中的应用

舰船电网中的非线形设备产生大量的谐波电流，本文对某型号舰艇电网谐波状况进行了测试和分析，对谐波补偿的几种方案进行了讨论，采用有源滤波器方案进行谐波补偿，简要介绍了有源电力滤波器装置的设计，最后给出了补偿的试验结果。

1．前言
舰船电网是由数台发电机组并联发电组成的独立电网。近年来，随着舰载非线形用电设备，尤其是雷达设备的数量增多、功率增大，注入舰船电网的谐波电流变大，电流总谐波含量高达27%，严重超出国军标GJB151A中CE101项目关于电流谐波限值的要求，并且对其它较敏感的舰载用电设备造成不良影响或带来使用隐患。因此，必须采取谐波治理措施，降低电流谐波，使其达到相应标准规范的要求。
2．舰船电网谐波状况和补偿要求
国产某型号舰艇电网情况：1）电压：额定380V，持续波动不超过±10%，短暂波动不超过±15%；2）频率：额定50Hz：波动不超过±5%；3）相数：三相三线；4）供电特性：满足《GB/T13032-91 船用柴油发电机组技术条件》要求。
用电设备为混合型，包括大功率雷达系统、电子设备、传动冷却系统和通用用电设备。其中，注入电网电流谐波最大的是雷达系统，该设备容量约300kVA，运行过程中，根据不同的工作模式，负载在约130~260kW之间变化，总谐波失真约27%。
在雷达供电系统配电屏处测试，电压电流波形和负载电流波动情况如图1、图2所示，电流变化时的各单次谐波分布如表1、表2所示。可见，除电流总谐波最高达29%之外，由于工作期间，工作模式的不同，引起负载电流频繁变化，导致谐波电流也在频繁变化，给谐波补偿带来一定难度。

图1 电压电流波形

图2 负载电流波动情况

表1 满载时电流各次谐波含量

表2 电流波动时各次谐波含量

根据上述谐波状况，对谐波补偿的要求如下：
1．补偿能力：谐波补偿电流不小于100A；
2．补偿效果：补偿后，电网侧电流畸变，满足CE101的要求；
3．跟踪特性：动态跟踪补偿，适应负载的波动特性，动态响应时间≯20ms；
4．冷却方式：风冷
5．故障保护：补偿装置具备基本的故障保护功能，故障保护时，装置能自动从电网上脱开，不影响船用电网的正常运行。
6．结构：采用1.6m高度的与其它船用电气设备相同的标准柜型，重量不大于100kg。

3．滤波器总体方案选择
前已述及，雷达设备谐波主要为电流源，要限制谐波源注入电网的谐波电流，可采取以下方案：
1．对产生谐波的装置进行改造，使其不产生谐波，且功率因数尽量高。可采用在输入侧加装变压器，使整流电路多重化的措施；或采用全控型器件组成PWM整流器，实现功率因数校正的措施。
2．加装交流无源滤波装置，装置由电力电容器、电抗器和电阻器适当组合而成，组成若干单调谐及高通滤波支路，和谐波源并联运行，以吸收谐波电流，有效地减小谐波量；除起到滤波作用外，还兼顾无功补偿的需要。优点是结构简单，运行可靠，维护方便。
这种滤波方法的主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，易和系统发生并联谐振，导致谐波放大，使LC滤波器过载甚至烧毁。此外，它只能补偿固定频率的谐波，补偿效果也不甚理想。
3．加装交流有源滤波器装置，装置由可控电力电子变流器和检测控制电路组成，其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，与谐波电流相抵，从而使电网电流只含基波分量。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响，滤波性能和动态特性均比无源方式大为提高。
方案1对负载设备进行改造，由于舰载雷达设备采用已经定型的成熟产品，其战技指标和结构外形已经确定，产品已通过例行试验，加之雷达系统供电有多路电源输入，对其进行改造必然使原有定型系统发生较大的变化，因此采用方案1是不切合实际的。
方案2加装无源滤波装置虽然具有结构简单，运行可靠，维护方便的优点。但由于装置在舰用电网上运行，该电网由数台发电机并联组成，电网容量小，稳定性差，电压尤其是频率均会产生一定范围的波动，加之雷达设备在工作过程中负载电流频繁变化，使得无源滤波器很容易发生并联谐振，产生谐波放大，损害谐波装置，甚至负载设备。因此，方案2存在很大局限性和一定的危险性。
方案3加装有源滤波装置，其显著的优点是能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，补偿特性不受电网阻抗的影响。与无源滤波器相比，APF具有高度可控性和快速响应性，不仅能补偿各次谐波，还可抑制闪变、补偿无功，有一机多能的特点。其特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波，完全能适应舰载电网条件和雷达负载电流频繁变化的工作状态。有源滤波装置采用电力电子变换技术，其体积、重量与无源相比均大幅减小，满足舰上安装使用的要求。