艦船電網(wǎng)中的非線形設(shè)備產(chǎn)生大量的諧波電流,，本文對(duì)某型號(hào)艦艇電網(wǎng)諧波狀況進(jìn)行了測試和分析，對(duì)諧波補(bǔ)償的幾種方案進(jìn)行了討論,，采用有源濾波器方案進(jìn)行諧波補(bǔ)償,，簡要介紹了有源電力濾波器裝置的設(shè)計(jì)，最后給出了補(bǔ)償?shù)脑囼?yàn)結(jié)果,。
1．前言
艦船電網(wǎng)是由數(shù)臺(tái)發(fā)電機(jī)組并聯(lián)發(fā)電組成的獨(dú)立電網(wǎng),。近年來，隨著艦載非線形用電設(shè)備,，尤其是雷達(dá)設(shè)備的數(shù)量增多,、功率增大，注入艦船電網(wǎng)的諧波電流變大,，電流總諧波含量高達(dá)27%,，嚴(yán)重超出國軍標(biāo)GJB151A中CE101項(xiàng)目關(guān)于電流諧波限值的要求，并且對(duì)其它較敏感的艦載用電設(shè)備造成不良影響或帶來使用隱患,。因此,，必須采取諧波治理措施，降低電流諧波,，使其達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求,。
2．艦船電網(wǎng)諧波狀況和補(bǔ)償要求
國產(chǎn)某型號(hào)艦艇電網(wǎng)情況：1）電壓：額定380V，持續(xù)波動(dòng)不超過±10%,，短暫波動(dòng)不超過±15%,；2）頻率：額定50Hz：波動(dòng)不超過±5%；3）相數(shù)：三相三線,；4）供電特性：滿足《GB/T13032-91 船用柴油發(fā)電機(jī)組技術(shù)條件》要求,。
用電設(shè)備為混合型，包括大功率雷達(dá)系統(tǒng),、電子設(shè)備,、傳動(dòng)冷卻系統(tǒng)和通用用電設(shè)備。其中,，注入電網(wǎng)電流諧波最大的是雷達(dá)系統(tǒng),，該設(shè)備容量約300kVA，運(yùn)行過程中,，根據(jù)不同的工作模式,，負(fù)載在約130~260kW之間變化，總諧波失真約27%,。
在雷達(dá)供電系統(tǒng)配電屏處測試,，電壓電流波形和負(fù)載電流波動(dòng)情況如圖1,、圖2所示，電流變化時(shí)的各單次諧波分布如表1,、表2所示,?？梢?，除電流總諧波最高達(dá)29%之外，由于工作期間,，工作模式的不同,，引起負(fù)載電流頻繁變化，導(dǎo)致諧波電流也在頻繁變化,，給諧波補(bǔ)償帶來一定難度,。
圖1 電壓電流波形
圖2 負(fù)載電流波動(dòng)情況
表1 滿載時(shí)電流各次諧波含量
表2 電流波動(dòng)時(shí)各次諧波含量
根據(jù)上述諧波狀況，對(duì)諧波補(bǔ)償?shù)囊笕缦拢?/p>
補(bǔ)償能力：諧波補(bǔ)償電流不小于100A,；
補(bǔ)償效果：補(bǔ)償后,，電網(wǎng)側(cè)電流畸變，滿足CE101的要求,；
跟蹤特性：動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償,，適應(yīng)負(fù)載的波動(dòng)特性，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間≯20ms,；
冷卻方式：風(fēng)冷
故障保護(hù)：補(bǔ)償裝置具備基本的故障保護(hù)功能,，故障保護(hù)時(shí)，裝置能自動(dòng)從電網(wǎng)上脫開,，不影響船用電網(wǎng)的正常運(yùn)行,。
結(jié)構(gòu)：采用1.6m高度的與其它船用電氣設(shè)備相同的標(biāo)準(zhǔn)柜型，重量不大于100kg,。
3．濾波器總體方案選擇
前已述及,，雷達(dá)設(shè)備諧波主要為電流源，要限制諧波源注入電網(wǎng)的諧波電流,，可采取以下方案：
1．對(duì)產(chǎn)生諧波的裝置進(jìn)行改造,，使其不產(chǎn)生諧波，且功率因數(shù)盡量高,?？刹捎迷谳斎雮?cè)加裝變壓器，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(shí)現(xiàn)功率因數(shù)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(dāng)組合而成,，組成若干單調(diào)諧及高通濾波支路，和諧波源并聯(lián)運(yùn)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(bǔ)償?shù)男枰?。?yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠,，維護(hù)方便,。
這種濾波方法的主要缺點(diǎn)是補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)影響，易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振,，導(dǎo)致諧波放大,，使LC濾波器過載甚至燒毀。此外,，它只能補(bǔ)償固定頻率的諧波,，補(bǔ)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(bǔ)償對(duì)象中檢測出諧波電流，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個(gè)與該諧波電流大小相等而極性相反的補(bǔ)償電流,，與諧波電流相抵,，從而使電網(wǎng)電流只含基波分量。這種濾波器能對(duì)頻率和幅值都變化的諧波進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償,，且補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響,，濾波性能和動(dòng)態(tài)特性均比無源方式大為提高。
方案1對(duì)負(fù)載設(shè)備進(jìn)行改造,，由于艦載雷達(dá)設(shè)備采用已經(jīng)定型的成熟產(chǎn)品,，其戰(zhàn)技指標(biāo)和結(jié)構(gòu)外形已經(jīng)確定，產(chǎn)品已通過例行試驗(yàn),，加之雷達(dá)系統(tǒng)供電有多路電源輸入,，對(duì)其進(jìn)行改造必然使原有定型系統(tǒng)發(fā)生較大的變化，因此采用方案1是不切合實(shí)際的,。
方案2加裝無源濾波裝置雖然具有結(jié)構(gòu)簡單,，運(yùn)行可靠，維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn),。但由于裝置在艦用電網(wǎng)上運(yùn)行,，該電網(wǎng)由數(shù)臺(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)組成，電網(wǎng)容量小,，穩(wěn)定性差,，電壓尤其是頻率均會(huì)產(chǎn)生一定范圍的波動(dòng),，加之雷達(dá)設(shè)備在工作過程中負(fù)載電流頻繁變化，使得無源濾波器很容易發(fā)生并聯(lián)諧振,，產(chǎn)生諧波放大,，損害諧波裝置，甚至負(fù)載設(shè)備,。因此,，方案2存在很大局限性和一定的危險(xiǎn)性。