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柴电推进船舶上系统范围谐波抑制

的模型预测控制

Espen Skjong, Jon Are Suul, Member, IEEE, Atle Rygg,Tor Arne Johansen, Senior Member, IEEE, and Marta Molinas, Member, IEEE

摘要：本文提出了系统导向的方法，通过利用单级有源电力滤波器（APF）在多总线电力网络中减轻谐波失真。普遍的研究都是基于控制有源电力滤波器在单级总线电网中进行负载电流谐波局部补偿，或者去减轻电压谐波。然而，有源电力滤波器在一个多总线系统中运行将会对邻近总线中的电压造成影响。因此，从一个系统视角而不仅仅只考虑传统的局部滤波策略去优化有源电力滤波器的运转，是有可能的。基于如此目的，本文中所提及的模型预测控制（MPC）作为一个基本框架，对于整个系统中产生的有源电力滤波器电流参考，将在给定的有源电力滤波器中最小化这种谐波失真。一艘柴电推进船舶，带有两套总线供给分配的谐波负载，其中一套总线安装有一个有源电力滤波器，以作为一种研究情况。是基于有源电力滤波器电流参考最优化的带有线上模型预测控制运作和基于传统方法的有源电力滤波器控制两种分支标记方法的对比。研究结果显示，对于系统范围谐波减轻，采用模型预测控制产生的电流参考比利用有源电力滤波器电流容量的效果好。

关键词：有源电力滤波器（APF）；优化；模型预测控制（MPC）；系统范围谐波减轻；总谐波失真（THD）[1]；水平点，基准点（BM （bench mark）

I 前言

谐波是来源于纯正弦电压或电流通过带有线性负载的理想电压源产生的波型偏差^[1]。在一个柴电推进船舶动力系统中，对于控制推进电动机，主要的谐波源通常来自可变频率装置（VFDs）二级整流器阶段。很多可变频装置（VFDs）于今天的应用主要是根据其功率水平、整流脉冲数量和系统设计，它们每一个都产生不同的谐波失真水平^[2]—[4]。

谐波失真在电力系统中能通过安装无源滤波器解决（例如，感性或者容性滤波器），那将减少谐波负载电流对系统其他部分的影响。对于已知的谐波频谱的大容量非线性负载，通常应用于主导低阶成分调整谐波滤波器[5][6]。这样的结构还可以包括高通滤波器以用于减轻更宽范围的高阶谐波。然而，无源滤波器必须仔细设计，以避免造成其他谐波分量的放大共振，尤其是当安装暴露于参数变化或在系统配置变化频繁时[7]。更进一步讲，由二极管整流器产生的谐波电流组件的振幅将决定于有源电力滤波器所需的负载。因此，一套并联连接的无源滤波器在电动船舶上不能有效地适应船上推进负载大范围的变动。另外，替代无源谐波抑制另一种方法是应用串联连接的宽谱滤波器[3]。然而，此种宽谱滤波器必须得安装在每个推进负载上，并且在系统中也将不能减轻由小型可变频率装置产生的谐波。

在系统中占有主导地位的可变频率装置（VFD）负载的高谐波失真水平也能通过应用有源整流器(ARs)代替二极管整流器来避免。但是，这种解决方案比起无源滤波器仍然是高花费，并且有更大的损失。对于可变频装置（VFD）负载，不依靠无源整流器或者带有高脉冲数值的二极管整理器及复杂的多绕组转换器，也可有另外的选择来解决谐波，那就是利用有源电力滤波器（APFs）。在处理有缘滤波问题上，通常的做法是通过将电流参考等于所述非线性负载的高次谐波和无功电流分量，以用于对有源电力滤波器（APFs）进行局部补偿[1]。但是，当这些多用非线性负载分配于系统中的多总线，比如船舶电网，在系统中用局部滤波的方法最小化总谐波失真将不再可能。在这样的网络结构中，带有几个和分散的谐波来源，对于控制有源电力滤波器（APFs）——带有系统范围谐波抑制目标的方法，尚未系统地运用。

在系统中，优化技术可以提供一个整体的框架用于产生最佳的电流参考波形，应用于具有最小化全系统总谐波失真目标的有源电力滤波器（APF）。最近重大的研究努力直接朝向模型预测控制（MPC）应用，以对电力电子转换器进行局部补偿，包括有源电力滤波器（APFs）。但是，模型预测控制携带一个有源电力滤波器在系统范围内的谐波抑制利用潜能，仍然需要继续开发。

本文中，对于系统范围并联连接电压源转换器（VSC）谐波调节，模型预测控制应用贯穿整个研究过程，基于在[10]—[12]中提出的最初想法，作为有源电力滤波器（APF）控制。先前所提及在这个主题上的研究，初步探索了对于最小化船舶电网中负载总线中的总谐波电压失真（THDv）时，基于理想电流源简单模型的模型预测控制的容量。尽管这些结果在[10]–[12]中表明有源电力滤波器（APF）通过系统范围模型预测控制途径在主要总线中产生的电流参考，相比局部滤波途径，能够提高总谐波电压失真（THDv），但是精确负载模型和有源电力滤波器应用将会变的不可控。在本文中，对于所提出的最佳谐波抑制，一个经修改和完善的闭环模型预测控制（MPC），在MATLAB/ Simulink环境中，演示了船舶电力网模型的实现，以及详细地描述了可变频率装置（VFD）整流器和有源电力滤波器(APF)模型。本文中所提出的系统范围控制途径的有源电力滤波器（APF）性能与传统局部滤波器和一个在^[13]中提出的自组解决方案相比较。在先前研究工作中观察到的趋势是被认可的，当模型预测控制方法被用来计算有源电力滤波器电流参考值而持续提高了系统总谐波电压失真（THDv）水平。更加进一步说，比起在^[13]中提到的解决方法，模型预测控制（MPC）结果更加突出了他的优点，即为更高的灵活性和自由度、施加有源电力滤波器电流饱和度（约束）以及具有在两个以上总线的复杂电力网中为有源电力滤波器(APF)找到一个最佳电流参考的能力。

II 海洋船舶电力网络

随着工业合作伙伴掌舵能源解决方案，柴油发电和推进的海洋船舶商业化和离岸工业在20世纪90年代中期被完全采纳。对于一个远离岸边运行的船舶，能量的需求，由船舶暂时分配，例如位置保持与动力定位（DP）或抛锚。相比于原动机是直接通过机械齿轮和长轴连接到所述螺旋桨机械驱动船舶，柴电推进船舶已经引进了一个按需要而灵活运作的电力发电机。因此，柴油电动操作已经致力于在燃油消耗中培养绿色环保理念，因此，其废气排放也是根据其功率需要的^[2]。柴油电动发电机已经引进了超前的冗余电力网设计，例如环形总线设计，其中满足要求按类别设置的实体，如ABS，英国劳氏船级社和挪威船级社GL ^[14]。这有利于增加安装低额定功率发电机的数量，相比带有冗余机械驱动的船舶，促进了无级发电机。

根据这一调查工作的电网是基于海洋平台供应船（PSV）电力系统的简化等效以及采用两个总线和两个推进器负载模型，及封闭母线联络断路器操作等。这样的简化仅仅是根据那些在功率消耗中占据主导地位的典型性负载和那些在谐波失真中占据主导地位的负载。在电力网中一个简单的功率消耗配置图如下图1所示。在工况运行调查中，船舶仅有两个发电机在运行，其中一个连接每个总线——分别为总线1和总线2，因为这是在系统中所假设的最糟糕的的情况。一个推进电动机通过一个可变频率装置连接每个总线供给。可变频率装置有6个脉冲或者12个脉冲二极管整流器连接到总线，并且一个电压源逆变器控制电动机驱动螺旋桨。一个变压器含有隔离和相移以防止12脉冲整流器。串联阻抗包括在两个总线之间。最终，有源电力滤波器连接到总线2，如图2所示。表1列出了基于电网在研究中最重要的细节，其中，采用PU基值被称为发电机评级。

图1. 在电力网中一个简单的功率消耗配置图，包括两台发电机，两个负载和一个有源 电力滤波器

表一 基于与发电机额定值PU的电力网参数

在船舶电力网系统中，所允许的最大总谐波失真是根据实体种类来调节的。

挪威船级社（DNV）和德国劳氏船级社（GL）遵循IEC61000-2-42级，这意味着

该电压总谐波失真（THDv）不得超过8％^[15]。另外，考虑到所有频率高达50倍的电源频率，挪威船级社（DNV）和德国劳氏船级社（GL）要求任何一个次谐波电压分量不得超过5％。同样，英国劳氏船级社要求在任何直流配电板或者分配电板的总谐波失真（THDv）不得低于基准的8％（除非有特殊的说明）。在这要求内，在高于25倍的供给频率的频率应没有电压分量超过该基本电源电压的1.5％[16]。美国船级社（ABS）要求总谐波失真（THDv）不应超过5%，在公共耦合（PCC）的任何点测量，及任何单独的的谐波电压不超过基波电压值的3％。所考虑的谐波范围应该达到50次谐波[17]。法国船级社(BV)有相似的规则和条例[18]。然而，在任何特定的基准点分类实体并没有提供一套明确的关于总要求谐波电流失真（THDi）,由于存在系统阻抗，在船舶电网中作为谐波电流失真不像电压失真那样更容易传播。因此，本文的着重点是研究系统中主要总线上谐波电压失真，计划遵守美国船级社（ABS）的分类要求。

III 模型预测控制

本文中，利用模型预测控制（MPC），主要是用来实现对电网全系统的选择性谐波抑制的有源电力滤波器（APF）的最优控制，通过在有源电力滤波器（APFs）产生有源电力滤波器（APF）电流参考[10]–[12]。模型预测控制的主要意图是去计算一个过程或者系统控制动作，从而利用一个模型（通常是典型模型）去预测这个系统的将来的动作。模型根据当前系统的测量值被初始化，并且每个采样间隔的控制动作是根据在线求解约束有限域上的最优问题得到[19]。控制动作来源于最优解中产生的优先控制序列，并且给到系统中形成闭环控制。根据模型预测控制（MPC）的计算成本，或许在该模型的初始化和所得计算控制序列之间，会有不可忽略的时间延迟，在执行时这也是必须要加以考虑的。

模型预测控制（MPC）的精确性和计算成本取决于系统模型和实际时间的实用性和精确度。完美地建立一个系统模型在很多时候是不可能的。另外，如果可能的话，建立所有的动态模型，通常会导致需要更高计算成本和很大、复杂的模型，也就是经常需要更多的测量。因此，当计划进度表时，必须在精确度和计算成本之间做一个折衷。通常，应用于模型预测控制（MPC）的模型应该尽可能的简单，当包含所有需要的动态模型时应该使控制目标在控制视界和离散化范围内。这视界的宽度是取决于控制目标，以及离散化水平的，关于所选择的最快动态应该被控制。可靠的嵌入式多用途模型预测控制（MPCs）在[20]中给出。

在相关文献中，已经介绍的模型预测控制（MPC）带有很好的时效性应用[21]–[23]，并且一些研究也已经进行了探讨应用优化，以及模型预测控制（MPC）在电气工程领域的应用[9][24][25]。模型预测控制（MPC）在这个领域的构想描述是基于[10], [11]和[12]的模型和方法。然而，目标功能的实现和构建进一步提高是得益于在研究优化滤波电流发射中模型预测控制（MPC）的灵活性。接下来，在模型预测控制（MPC）构想之前提出标准化格式，及MPC的开发中使用的电力网模型和有源滤波器约束进行了讨论。

A.电力网络模型

正如所提到的，模型预测控制（MPC）取决于计算系统中最优控制动作。在柴电推进船舶中690V主汇流排和负载通常是三相三线制系统。因此，对于零相序电流将没有通道，并且当忽略零相序组件的系统可在alpha;beta;坐标中建立（通过用克拉克转换）[1]。这就将意味着模型预测控制（MPC）问题构建相比于在abc坐标中建立模型减少了一个维度，并且这也有利于减少计算成本（对于实际时间实现）。然而，在alpha;beta;坐标中的表示意味着在alpha;轴上的有源电力滤波器（APF）电流限制将取决于电流，反之在beta;轴上，亦然。由于诸如限制性功能没有包含在用于研究模型预测控制（MPC）软件中，模型预测控制（MPC）构想将基于abc坐标。在下面，下标a、b、c用于表示每个电流电压组件的abc相。载体v和i用于表示电压和电流，分别在abc坐标中给出。

图2 用于设计谐波抑制模型预测控制的简单电力网络

图2详近地表明了在第II部分中讨论的船舶电力网模型，所有的参数都是取于表格1。在图中所示的并联电容器包括去耦表示的电感电流的状态，但也可以考虑作为电缆和母线电容的等效表示。电容器电压状态将用于评价在系统中汇流排电压总谐波失真（THDv）。

在本研究中，在阻抗后带有固定电压幅值的简化发电机模型被用于建模和仿真。根据[26]，所选择发电机每单元阻抗的正常范围在同步电动机的瞬变电抗内。也假设了一个恒定的基本频率模型，例如，,此处f为正常基波频率。实际上，船舶电力系统频率不是恒定的，并且由于物理结构，同步发电机将具有电压动态控制器，以及小的内部电压失真。然而，应用简化模型可以认为足够去演示达到模型预测控制（MPC）稳态系统范围的优化，而不依赖于大型机械和机电时间常数模拟。模型预测控制（MPC）部分能够抵制未建模干扰，因为内部的系统模型将通过闭环反馈不断更新。此外，只要在控制系统中谐波分析是频率自适应，模型预测控制（MPC）可以很容易地控制系统中的频率变化。如果有必要，就像在[10]中提出的，一个简单的动态模型也能够嵌入模型预测控制。

假设6脉冲整流器是海船电力推进系统的一部分，该载荷将从发电机引入非线性条件绘制的顺序——第5，7，11，13等谐波电流[1]。因此，用于模型预测控制的负载模型可以作为理想电流源, 其中包括假定的谐波分量，带有相移和振幅作为谐波抑制。在（1）负载模型中标记，不包括基本电流组件。

（1）

如果海船电力网包括在发电机其他谐波组件中占据主导地位的元件，负载模型和谐

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