有源電力濾波器在艦船電網諧波補償中的應用

圖3 有源電力濾波器原理圖

4．有源電力濾波器裝置設計
有源電力濾波器裝置主要由功率變換主電路、IGBT的驅動與保護電路、控制電路構成。
主電路由兩組三相電壓型PWM變流器構成，這兩個功率模塊公用一組直流電容器；交流側與負載諧波源并聯連接，如圖4所示。其中的開關元件選用的是IGBT。工作時，各組PWM變流模塊根據電流跟隨控制電路所發出的指令信號獨立工作，產生各自的諧波補償電流，相加后以抑制諧波源負載注入電網側電流中的諧波成分。

圖4 主電路結構圖
驅動電路以日本三菱公司集成驅動模塊M57959為核心組成，此模塊為厚膜電路，可用于驅動1200V/400A以下或600V/400A以下的IGBT；驅動信號延遲最大僅1.5us；最高工作頻率可達40kHz；內裝用于控制電路和驅動電路之間隔離的光耦和保護電路，能在短路和過流情況下作出迅速的反應。驅動電路采用＋15V、－10V雙電源供電，可確保IGBT關斷期間不發生誤導通，提高驅動電路的抗干擾能力。過流保護利用集成驅動模塊內部過流保護功能和逆變橋母線集中檢測保護雙重方式完成；此外，驅動板上還設有功率器件過熱、直流母線過壓、直流母線欠壓3種保護。
控制電路是以雙DSP為核心的數字、模擬混合控制電路。采用數字電路實現指令運算等功能可以免受溫飄及元件老化的影響，提高系統的穩定性，便于系統升級。數字系統主要實現數據采集與處理；模擬系統主要實現電流跟蹤控制，控制脈沖的生成，各種輸入信號的調理，保護，報警及一些I/O接口電路。
5．系統試驗和補償效果
補償裝置已在雷達地面試驗場完成安裝調試，按照技術條件要求與雷達設備進行了聯機模擬試驗，對裝置投入后電網諧波電流進行了詳細測試和分析。圖5為補償裝置投入后電網側電壓電流波形，電流波形明顯接近正弦，與圖1相比大為改善；圖6為負載電流波動時電網側電壓、電流波形，可見，在波動過程中，補償效果仍然可以保證，說明系統響應特性完全可滿足負載特性的要求。

圖5 補償后電壓電流波形

圖6 負載電流波動時電壓電流波形

表3為補償后電網側電流各單次諧波含量，與圖1、2相比，總諧波含量由原來的29.70%下降到7.71%。按照GJB151A標準CE101項目電流噪聲限值的測試計算方法，將各次諧波電流折算成相應的分貝值，與CE101所規定的限值對比，結果均未超標。由此可見，補償裝置投入后，對電網諧波電流的補償效果非常明顯。目前補償裝置正在按裝艦要求進行結構改進和環境試驗，為正式上艦安裝調試和艦上試驗作準備。

表3 滿載時電流的各次諧波含量
6．結論
有源電力濾波器是一種特別適合艦船電網諧波治理的優秀方案。它的使用，較好地抑制了艦船電網中的諧波污染，極大地改善了電網的電能質量，滿足了艦用設備的要求及GJB151A中CE101項的指標要求。對于與艦船電網相似的獨立小容量電網的諧波治理具有較好的推廣應用價值。