有源電力濾波器在艦船電網諧波補償中的應用

圖1 電壓電流波形

圖2 負載電流波動情況

表1 滿載時電流各次諧波含量

表2 電流波動時各次諧波含量

根據上述諧波狀況，對諧波補償的要求如下：
1．補償能力：諧波補償電流不小于100A；
2．補償效果：補償后，電網側電流畸變，滿足CE101的要求；
3．跟蹤特性：動態跟蹤補償，適應負載的波動特性，動態響應時間≯20ms；
4．冷卻方式：風冷
5．故障保護：補償裝置具備基本的故障保護功能，故障保護時，裝置能自動從電網上脫開，不影響船用電網的正常運行。
6．結構：采用1.6m高度的與其它船用電氣設備相同的標準柜型，重量不大于100kg。

3．濾波器總體方案選擇
前已述及，雷達設備諧波主要為電流源，要限制諧波源注入電網的諧波電流，可采取以下方案：
1．對產生諧波的裝置進行改造，使其不產生諧波，且功率因數盡量高?？刹捎迷谳斎雮燃友b變壓器，使整流電路多重化的措施；或采用全控型器件組成PWM整流器，實現功率因數校正的措施。
2．加裝交流無源濾波裝置，裝置由電力電容器、電抗器和電阻器適當組合而成，組成若干單調諧及高通濾波支路，和諧波源并聯運行，以吸收諧波電流，有效地減小諧波量；除起到濾波作用外，還兼顧無功補償的需要。優點是結構簡單，運行可靠，維護方便。
這種濾波方法的主要缺點是補償特性受電網阻抗和運行狀態影響，易和系統發生并聯諧振，導致諧波放大，使LC濾波器過載甚至燒毀。此外，它只能補償固定頻率的諧波，補償效果也不甚理想。
3．加裝交流有源濾波器裝置，裝置由可控電力電子變流器和檢測控制電路組成，其基本原理是從補償對象中檢測出諧波電流，由補償裝置產生一個與該諧波電流大小相等而極性相反的補償電流，與諧波電流相抵，從而使電網電流只含基波分量。這種濾波器能對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償，且補償特性不受電網阻抗的影響，濾波性能和動態特性均比無源方式大為提高。
方案1對負載設備進行改造，由于艦載雷達設備采用已經定型的成熟產品，其戰技指標和結構外形已經確定，產品已通過例行試驗，加之雷達系統供電有多路電源輸入，對其進行改造必然使原有定型系統發生較大的變化，因此采用方案1是不切合實際的。
方案2加裝無源濾波裝置雖然具有結構簡單，運行可靠，維護方便的優點。但由于裝置在艦用電網上運行，該電網由數臺發電機并聯組成，電網容量小，穩定性差，電壓尤其是頻率均會產生一定范圍的波動，加之雷達設備在工作過程中負載電流頻繁變化，使得無源濾波器很容易發生并聯諧振，產生諧波放大，損害諧波裝置，甚至負載設備。因此，方案2存在很大局限性和一定的危險性。
方案3加裝有源濾波裝置，其顯著的優點是能對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償，補償特性不受電網阻抗的影響。與無源濾波器相比，APF具有高度可控性和快速響應性，不僅能補償各次諧波，還可抑制閃變、補償無功，有一機多能的特點。其特性不受系統阻抗的影響，可消除與系統阻抗發生諧振的危險；具有自適應功能，可自動跟蹤補償變化著的諧波，完全能適應艦載電網條件和雷達負載電流頻繁變化的工作狀態。有源濾波裝置采用電力電子變換技術，其體積、重量與無源相比均大幅減小，滿足艦上安裝使用的要求。