0 引　言

船舶电力网络既包括发电机、电源、配电站等电力系统元件，也包括船舶照明、导航、电驱动等用电负载，电力网络的平衡是电力系统和负载共同决定的。由于船舶用电设备多种多样，某些非线性负载会对船舶电力网络的稳定性造成冲击，即会产生谐波干扰。谐波干扰不仅会降低电力网络的稳定性，也会增加电网的无功功率，造成能源浪费，因此目前船舶电网设计时会重点考虑谐波干扰的抑制。

逆变器是电网的重要部件，常见的三电平逆变器在中高压大容量电网中有广泛应用，能够提高系统耐压水平、减小电压谐波损耗。在三电平逆变器的控制策略中，空间矢量脉宽调制（SVPWM）算法不仅具有电能利用率高、调制区间广、便于集成控制等优点，同时具有成本优势。本文首先对船舶电力网络的谐波特性进行建模分析，结合DSP和SVPWM算法建立了船舶电站的有源滤波器，对于降低电力网络的谐波，提升稳定性有重要的意义。

1 船舶电力网络的谐波与无功功率建模分析

船舶电力网络中的谐波源以各种用电设备、变压器、电动机等为主，与电阻元件的负载特性相比，这类设备是一种非线性负载，当船舶电力网络的基波电压作用于这些设备时，电流波形会发生畸变，产生谐波干扰。

船舶电力网络的电压表示为：

$ u\left( t \right) = \frac{{\sqrt 2 }}{2}U\sin \left( {\omega t + \varphi } \right) \text{。} $

式中： $ U $ 为电压的有效值； $ \varphi $ 为初始相位角； $ \omega $ 为角频率。

船舶电网电压一般满足狄力赫里条件^[1]，可分解为：

$ u(\omega t) = \frac{{{a_0}}}{2} + \sum\limits_{n = 1}^\infty {\left( {{a_n}\cos n\omega t + {b_n}\sin n\omega t} \right)} \text{。} $

式中：

$ \begin{gathered} {a_0} = \frac{1}{{2\text{π} }}\int_0^{2\text{π} } u (\omega t){\rm{d}}(\omega t)，\\ {a_n} = \frac{1}{\text{π} }\int_0^{2\text{π} } u (\omega t)\cos n\omega t{\rm{d}}(\omega t) ，(n = 1,2,3 \cdots )，\\ {b_n} = \frac{1}{\text{π} }\int_0^{2\text{π} } u (\omega t)\sin n\omega t{\rm{d}}(\omega t)，(n = 1,2,3 \cdots ) 。\\ \end{gathered} $

在电压模型中，频率为 $ \dfrac{1}{T} $ 的分量为基波，频率为 $ \dfrac{n}{T} $ 的分量为谐波，n次谐波电压的存在率为：

$ C\left( {{D_u}} \right) = \frac{{{U_H}}}{{{U_1}}} \times 100\text{%，} $

式中： $ {U_H} $ 为n次谐波分量的电压有效值； $ {U_1} $ 为基波电压值。

n次谐波电流的存在率为：

$ C\left( {{I_u}} \right) = \frac{{{I_H}}}{{{I_1}}} \times 100\text{%。} $

式中： $ {I_H} $ 为n次谐波分量的电流有效值； $ {I_1} $ 为基波的电流值。

船舶电网的谐波电压信号波形图如图1所示。

谐波电压导致的无功功率会使电网侧电流迅速增加，导致船舶电网的损耗提升。

无功功率的数值：

$ \Delta p = \sqrt {\sum\limits_{n = 2}^\infty {\frac{{U_n^2}}{R}} } \text{。} $

无功功率会导致线路和变压器的压降增大，无功功率产生的冲击会造成电压剧烈波动，严重降低电网的电能质量。

2 基于DSP和SVPWM算法的船用有源滤波器研究 2.1 SVPWM三相逆变器的工作原理

针对船舶电力网络的谐波干扰，本文采用SVPWM三相逆变有源滤波器，其主要优点包括：

1）可控制性强

三相逆变有源滤波器的可控性较强，既能跟踪和补偿电力网络的各个谐波分量，也能够补偿网络的无功功率。

2）自适应能力强

三相逆变有源滤波器不受电网阻抗的影响，当船舶电力网络的阻抗和频率出现波动时^[2]，有源滤波器可根据谐波的幅频特性进行自动调整，消除与系统产生的谐波共振现象。

本文设计的船舶电网SVPWM三相逆变器的电气原理图如图2所示。

可知， $ {T_{a1}} - {T_{a4}}/{T_{b1}} - {T_{b4}}/{T_{c1}} - {T_{c4}} $ 为逆变器的IGBT开关器件^[3]，逆变器的输出三相电压可表示为：

$ {u_{AN}} = \frac{1}{2}{S_a}{U_{dc}},\;{u_{BN}} = \frac{1}{2}{S_b}{U_{dc}},\quad {u_{CN}} = \frac{1}{2}{S_c}{U_{dc}} \text{。} $

式中： ${S}_{a}，{S}_{b}，{S}_{c}$ 均为三相逆变桥的开关状态； $ {U_{dc}} $ 为直流测电容的电压。主电路的瞬时微分方程为：

$ \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {{u_{AN}} + {u_N} = L\dfrac{{{\rm{d}}{i_{ca}}}}{{{\rm{d}}t}} + R{i_{ca}} + {e_a}}，\\ {{u_{BN}} + {u_N} = L\dfrac{{{\rm{d}}{i_{cb}}}}{{{\rm{d}}t}} + R{i_{cb}} + {e_b}}，\\ {{u_{CN}} + {u_N} = L\dfrac{{{\rm{d}}{i_{cc}}}}{{{\rm{d}}t}} + R{i_{cc}} + {e_c}} 。\end{array}} \right. $

式中： ${i_{ca}}，{i_{cb}}，{i_{cc}}$ 分别为三相逆变桥的电流，满足

$ {i_{ca}} + {i_{cb}} + {i_{cc}} = 0 \text{，} $

${e_a}，{e_b}，{e_c}$ 为逆变桥的电势差，存在

$ {e_a} + {e_b} + {e_c} = 0 。$

可得：

$ {u_N} = - \frac{1}{6}\left( {{s_a} + {s_b} + {s_c}} \right){U_{dc}} \text{。} $

以电网零点作为参考点，可得输出电压为：

$ \left[ {\begin{array}{*{20}{l}} {{u_A}} \\ {{u_B}} \\ {{u_C}} \end{array}} \right] = \left[ {\begin{array}{*{20}{l}} {{u_{AN}} + {u_N}} \\ {{u_{BN}} + {u_N}} \\ {{u_{CN}} + {u_N}} \end{array}} \right] = \left[ {\begin{array}{*{20}{l}} {\dfrac{1}{6}\left( {2{S_a} - {S_b} - {S_c}} \right){U_{dc}}} \\ {\dfrac{1}{6}\left( {2{S_b} - {S_a} - {S_c}} \right){U_{dc}}} \\ {\dfrac{1}{6}\left( {2{S_c} - {S_a} - {S_b}} \right){U_{dc}}} \end{array}} \right] 。$

SVPWM三相逆变器的驱动波形图如图3所示。

2.2 基于DSP和SVPWM三相逆变器的有源滤波器设计

针对船舶电力网络的谐波干扰，结合DSP和SVPWM三相逆变器建立一种有源滤波器，主要包括主控板DSP、三相逆变器、上位机、采样电路等，原理图如图4所示。

1）采样电路

船舶电网有源滤波器的采样电路使用AD调理电路，将电流/电压信号转换为DSP兼容的0～3.3 V电压信号。

2）DSP控制器

使用的DSP控制器核心为TMS320F28335，芯片内部采用8路信道采集，32位浮点处理单元，6个DMA通道和18路的PWM输出。利用TMS320F28335芯片的浮点运算能力，用户可快速编写控制算法，实现滤波器的控制功能。

3）电源模块设计

船舶电网有源滤波器的电源模块用于板路上所有的有源器件供电，使用的电源为±12 V电压，采用MC34063系列控制芯片，输出电流较大。图5为电路原理图。

3 基于DSP和SVPWM三相逆变器的有源滤波器仿真

在设计基于DSP和SVPWM三相逆变器的有源滤波器电路时，采用3种故障保护逻辑，分别为：

1）交流侧电源4P空气开关和IGBT驱动板的自身保护逻辑；

2） 硬件保护，包括利用控制器的硬件电路设置，当出现过电压、过电流工况时，将SVPWM的脉冲切断；

3）软件保护，使用DSP控制程序对采样信号进行故障判断。

使用Simulink软件平台对船舶电力网络的有源滤波电路进行仿真，仿真模型的输入为对称非线性负载工况^[4]，图6为有源滤波前后的电路电流波形示意图。

4 结　语

船舶电力网络的供电质量非常重要，网络的负载谐波干扰能对电网的稳定性造成冲击，本文利用DSP控制逻辑和SVPWM逆变器技术，建立一种船舶电网的有源滤波电路，抑制电网的谐波干扰。