船舶電力推進系統(tǒng)中的諧波抑制

淮亞利

安科瑞電氣股份有限公司    嘉定   201801

1  引言

   船舶綜合全電力推進系統(tǒng)是現(xiàn)行船舶平臺的電力和動力兩大系統(tǒng)發(fā)展的綜合，它適合于不同種類的船舶。世界各國都在針對船舶綜合全電力推進系統(tǒng)進行深入的研究，國外已經(jīng)開發(fā)了多種類型的綜合全電力推進系統(tǒng)并在多型船舶上應用。據(jù)統(tǒng)計，在80年代后期以來，發(fā)達國家新建的客輪、破冰船、渡輪約有30%已采用綜合全電力推進系統(tǒng)，且成流行趨勢；國內(nèi)民用船舶中全電力推進的應用已有多種形式：如江南船廠為國外設計建造的3200噸全電力推進化學品運輸船、勝利油田的“勝利232"號工程船、我國2006年交工的首艘采用綜合全電力推進系統(tǒng)的火車滾裝渡船“中鐵渤海一號"。作為船舶主動力系統(tǒng)的綜合全電力推進系統(tǒng)由于其率、高可靠性、高自動化以及低維護也成為新世紀大型水面船舶青睞的主推進系統(tǒng)。

   船舶綜合全電力推進系統(tǒng)包括：發(fā)電、輸電、配電、變電、拖動、推進、儲能、監(jiān)控和電力管理等諸，多功能多系統(tǒng)的復雜性也帶來了嚴重的諧波污染問題。綜合全電力推進系統(tǒng)各個功能模塊是否運行良好，是否相互協(xié)調(diào)好，關系著整個綜合全電力推進系統(tǒng)是否能具有良好的運行狀態(tài)和優(yōu)異的工作性能。

2  諧波及波形畸變的產(chǎn)生和危害

2.1  諧波來源

       綜合全電力推進系統(tǒng)中產(chǎn)生的諧波來源主要有：

1. 推進同步發(fā)電機。推進同步發(fā)電機產(chǎn)生的諧波電動勢是因轉子和定子之間空氣隙中的磁場非正弦分布所引起的。推進同步發(fā)電機每對磁極下氣隙中的磁場不可能*按正弦分布，這是由磁極結構所決定的。因此，電動勢中必然含有諧波分量。

    2）變壓器。變壓器的勵磁回路具有非線性電感，因此，勵磁電流是非正弦波形，使得電流波形發(fā)生波形畸變。在空載時，非正弦的勵磁電流在變壓器原繞組的漏抗上產(chǎn)生壓降，使變壓器感應電勢中包含諧波分量。變壓器空載合閘時，常常會出現(xiàn)很大的勵磁涌流。在嚴重的情況下，涌流波形強烈畸變，不但幅值可高達數(shù)十倍于額定空載電流，而且正負半波的波形極不對稱。這種涌流持續(xù)時間比較長，屬于準穩(wěn)定的非正弦波。特征諧波是整流設備產(chǎn)生波形畸變的主要成分。由于輸電系統(tǒng)的電壓等級高、輸送功率大，即使百分數(shù)很小的諧波分量也會對低壓設備及弱電設備產(chǎn)生不可忽視的騷擾。

   3）變頻器。船舶綜合全電力推進系統(tǒng)采用變頻進行調(diào)速，而諧波頻率又隨頻率變化，這樣對船舶電網(wǎng)的電源質(zhì)量影響較大。變頻電路輸入電流的諧波分量十分復雜，其頻率不僅和輸入電源頻率、變頻電路的結構有關，而且和變頻電路的輸出頻率有關。

    在上述三個諧波源中推進同步發(fā)電機為諧波電壓源，變壓器為諧波電流源。對于諧波電流源的設備來說，即使供給它們的電壓是理想的正弦波，它們所取用的電流中也會含有諧波成分。諧波的含量取決于它們本身的特性和工作狀況。諧波電流注入船舶電網(wǎng)后，在船舶電網(wǎng)系統(tǒng)的阻抗上引起諧波壓降，也會使電網(wǎng)系統(tǒng)中各點的電壓產(chǎn)生波形畸變。

2.2  諧波危害

   諧波是影響電能質(zhì)量的重要因素之一，它通常是由電網(wǎng)中的非線性元件產(chǎn)生的。船舶電網(wǎng)中的諧波對船舶設備的運行會產(chǎn)生許多不利的影響：

1. 使船舶發(fā)電機的效率降低；

     2）使電氣設備出現(xiàn)過熱，振動和噪音的現(xiàn)象，并產(chǎn)生絕緣老化、使用壽命縮短，甚至發(fā)生故障或燒毀的結果；

     3）諧波還會引起船舶繼電保護和自動控制裝置的可靠性降低，產(chǎn)生誤動作；

     4）諧波對通信設備和電子設備也會產(chǎn)生嚴重干擾。因此，諧波對于船舶電網(wǎng)是一種電磁環(huán)境的污染。

   微電子設備在船舶測量、控制、保護、操作等系統(tǒng)中應用廣泛，它對電流波形有較高的要求，易遭受諧波干擾。綜合全電力推進系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波通過船舶電網(wǎng)對船上包括測量、保護、控制、操作等系統(tǒng)中的儀表、儀器和設備造成影響。如諧波對計算機的干擾主要是影響磁性元件和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的精度和性能，從而影響計算機處理數(shù)據(jù)的質(zhì)量。諧波對船舶照明及生活用電等設備的影響主要表現(xiàn)在增加損耗、降低壽命和運行性能劣化。諧波問題日益突出和嚴重，國內(nèi)外都發(fā)生過因諧波而引發(fā)的重大船舶事故。特別由于變頻驅(qū)動的使用，使電動機絕緣物以及電纜絕緣層迅速老化、甚至燒毀；共模電壓在電機轉軸上感應出高的軸電壓，并形成軸承放電電流從而電腐蝕軸承，使電機在短期內(nèi)報廢；高頻傳導性和輻射性ＥＭＩ使變頻驅(qū)動系統(tǒng)可靠性下降，故障率增加，并影響電網(wǎng)上的其他用電設備。因此，研究變頻器所帶來的負面效應及其解決方法在電力推進系統(tǒng)中具有重要的理論意義和實用價值。

3  綜合電力推進系統(tǒng)諧波限制分析

    為解決電力電子裝置產(chǎn)生的諧波污染和低功率因數(shù)問題，傳統(tǒng)的手段是設置無功補償電容器和LC濾波器，這兩種方法結構簡單，既可以抑制諧波，又可以補償無功功率，一直被廣泛應用。但這種方法的主要缺點是補償特性受電網(wǎng)阻抗和運行狀態(tài)影響，易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，此外，此種補償方法損耗大，又只能補償固定頻率的諧波，難以對變化的無功功率和諧波進行有效的動態(tài)補償。而隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，對無功功率和諧波進行快速動態(tài)補償?shù)男枨笤絹碓酱?。目前的趨勢是采用電力電子裝置進行諧波補償，即采用有源濾波器（Active Power Filter，APF）。

3.1  有源濾波器的優(yōu)勢

有源濾波器的主要優(yōu)點有：

(1)有源濾波裝置是一個高阻抗電流源，它的接入對系統(tǒng)阻抗不會產(chǎn)生影響，因此此類裝置適合系列化、規(guī)?；a(chǎn)。

(2)當電網(wǎng)結構發(fā)生變化時裝置受電網(wǎng)阻抗的影響不大，不存在與電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧波的危險，同時還能抑制串并聯(lián)諧振。

(3)原理上比PPF更為*，用同一臺裝置可同時補償多次諧波電流和非整流倍次的諧波電流，完成各次諧波的治理。

(4)實現(xiàn)動態(tài)補償，可對頻率和大小均變化的諧波及變化的無功功率進行補償，對補償對象的變化有極快的響應速度。

(5)由于裝置本身能完成輸出限制，當線路中的諧波電流突然增大時有源濾波器不會發(fā)生過載，并且能正常發(fā)揮作用，不需要與系統(tǒng)斷開。

(6)具備多種補償功能，可以對無功功率和負序進行補償。

(7)諧波補償特性不受電網(wǎng)頻率變化的影響。

(8)可以對多個諧波源進行集中治理。

3.2  ANAPF系列有源電力濾波裝置

   安科瑞公司ANAPF系列有源電力濾波裝置作為一種用于動態(tài)抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，它能夠?qū)Υ笮『皖l率都變化的諧波以及變化的無功進行補償，可克服LC濾波器等傳統(tǒng)的諧波抑制和無功補償方法的缺點，實現(xiàn)了動態(tài)跟蹤補償，是諧波治理和無功補償?shù)?選擇，是確保海上平臺電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的有力保障。

3.2.1  工作原理

   ANAPF系列有源電力濾波裝置，以并聯(lián)的方式接入電網(wǎng)，通過實時檢測負載的諧波和無功分量，采用PWM變流技術，從變流器中產(chǎn)生一個和當前諧波分量和無功分量對應的反向分量并實時注入電力系統(tǒng)，從而實現(xiàn)諧波治理和無功補償。（見圖1）

圖1  ANAPF有源電力濾波裝置的工作原理圖

3.2.2  技術參數(shù)

3.2.3  功能模塊介紹

1. 控制器模塊APFMC-C100

    主要由：DSP（數(shù)字信號處理器）、FPGA邏輯器件、AD信號采樣電路、DI/DO輸入輸出控制電路、PWM波形控制電路、RS485通訊電路等組成，主要用來完成電壓、電流等信號的采集和處理、指令電流的計算、開關電路的生成、PWM信號的輸出、系統(tǒng)對外通訊與系統(tǒng)保護等功能?？刂葡到y(tǒng)是有源濾波器的核心，它決定了有源電力濾波器系統(tǒng)的主要性能和指標。

1. 變流器模塊APFCOV

   其核心是儲能電容和IGBT模塊。變流器的作用主要是將電網(wǎng)的電壓經(jīng)IGBT功率模塊整流后為儲能電容充電，使母線電壓維持在某個穩(wěn)定的值，在這個過程中變流器主要工作在整流狀態(tài)，當主電路產(chǎn)生補償電流時，變流器又工作在逆變狀態(tài)?？紤]到產(chǎn)品是在電網(wǎng)中長時間運行的，因此直流支撐電容采用薄膜電容，功率模塊采用德國原裝產(chǎn)品，以確保整機質(zhì)量。變流器的選擇根據(jù)補償電流的大小而有所不同。

1. 電抗器模塊APF-RE.DG、APF-RE.SDG

   APF電抗器起濾波作用，濾除APF發(fā)出的電網(wǎng)不需要的諧波。電抗器可分為單相和三相，電流從1到200A等多種規(guī)格。

1. 人機操作界面APF-HMI

  APF柜在工作時，系統(tǒng)可以監(jiān)測其網(wǎng)側電流、APF橋臂電流以及負載側電流，用戶可以通過HMI來對APF的運行模式進行設置，對于運行中出現(xiàn)的問題，可以產(chǎn)生對應的事件記錄。HMI就是我司針對電力系統(tǒng)，工礦企業(yè)，公用設施,智能大廈的電力監(jiān)控需求而設計的一種智能儀表，它采用高亮度TFT-LCD彩屏顯示界面，通過面板按鍵來實現(xiàn)參數(shù)設置和控制，集成全部電力參數(shù)的測量、全面的電能計量和考核管理、多種電力質(zhì)量參數(shù)的分析。

1. 配套的電流采樣互感器AKH-0.66-K

3.2.4  技術優(yōu)勢

• DSP+FPGA全數(shù)字控制方式，具有極快的響應時間；
• 先進的主電路拓撲和控制算法，精度更高、運行更穩(wěn)定；
• 一機多能，既可補諧波，又可兼補無功；
• 模塊化設計，便于生產(chǎn)調(diào)試；
• 便利的并聯(lián)設計，方便擴容；
• 具有完善的橋臂過流、保護功能；
• 使用方便，易于操作和維護。

3.2.5  有源濾波器報價及元件清單

4  ANAPF有源電力濾波裝置的應用實例

本文以某實際大型旅游客輪的綜合電力推進系統(tǒng)為例，其基本參數(shù)如下：

   該船的電力系統(tǒng)主要分兩大部分：6600V中壓電網(wǎng)和440V低壓電網(wǎng)。4臺主發(fā)電機為6600V主電網(wǎng)供電，主推進電機和側推器為其主要負載；440主電網(wǎng)通過變壓器接在6600V電網(wǎng)上，其負載包括主推進電機勵磁系統(tǒng)、舵機、酒店電力服務系統(tǒng)以及其他輔助設備等。

   當ANAPF未投入電網(wǎng)時，電網(wǎng)側和負載側的電壓電流是*相同的，所以下面僅列出了電網(wǎng)側的相電壓和相電流。

   圖2和圖3表明，ANAPF未投入時電網(wǎng)側相電壓幾乎沒有發(fā)生畸變，但相電流的波形畸變十分嚴重。下面是分別對電網(wǎng)側A相相電壓和相電流的傅里葉分析，對畸變程度進行量化（0.02s后的3個周期作為傅里葉分析的對象）。

圖2  ANAPF未投入時電網(wǎng)側相電壓波形

圖3  ANAPF未投入時電網(wǎng)側相電流波形

圖4  ANAPF未投入時電網(wǎng)側A相電壓（左）和相電流波形及傅里葉分析

    圖4的傅里葉分析表明，相電壓的畸變非常小，THD值約有2.68%，而電流的THD值已高達50.56%，諧波含量已經(jīng)很高，可以看到其中5次、7次諧波幅值較大，已分別高達基波幅值的46%和23%。亟需采取諧波治理措施，以免對其他較敏感負載造成影響甚至損毀。

   由ANAPF計算出的補償電流指令信號，因補償電流和諧波電流（以及無功電流）幅值相等相位相反，所以會相互抵消，從而使得電網(wǎng)電流變成只含基波的正弦形狀。圖5和圖6為ANAPF投入電網(wǎng)后電網(wǎng)側的電壓電流波形，與未投入時的波形圖（圖2和圖3）對比可以發(fā)現(xiàn)濾波*，ANAPF投入后的電壓電流波形都十分接近正弦波。

圖5  ANAPF投入后電網(wǎng)側相電壓波形

圖6  ANAPF投入后電網(wǎng)側相電流波形

圖7  ANAPF投入后電網(wǎng)A相電壓（左）和相電流波形及其傅里葉分析

   圖7的傅里葉分析表明，電網(wǎng)側的電壓和電流的畸變程度都減小了，尤其是電流的THD值由先前的50.56%下降至現(xiàn)在的0.79%；電壓的THD值現(xiàn)在約為0.00%。諧波幅值占基波幅值的百分比均小于1.1%，顯然電網(wǎng)側的諧波電壓和諧波電流含量都能滿足相關限制值的要求。以上結論表明，安科瑞ANAPF系列并聯(lián)型有源電力濾波裝置對改善電網(wǎng)側的電壓和電流有著顯著的效果。

5  結語

   目前，有源濾波器已成為電力系統(tǒng)治理諧波污染的主要發(fā)展方向。ANAPF有源電力濾波器作為一種特別適合艦船電網(wǎng)諧波治理的方案，正受到廣泛關注。它的使用，較好地抑制了艦船電網(wǎng)中的諧波污染，極大地改善了電網(wǎng)的電能質(zhì)量，*船級社的有關規(guī)定，在船舶制造業(yè)應用方面將有著廣闊的前景。

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作者簡介：

淮亞利，女，本科，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為智能電網(wǎng)供配電。

   《ANAPF有源電力濾波裝置設計與應用圖集》（圖集號：ACR13CDX701）由安科瑞電氣股份有限公司主編，本圖集結合ANAPF有源電力濾波裝置產(chǎn)品的特點，依據(jù)電氣設計規(guī)范，研究消除供配電系統(tǒng)中的高次諧波問題，達到改善供電質(zhì)量和確保電力系統(tǒng)安全運行的目的。圖集適用于新建、改建、擴建和技改項目中工業(yè)與民用及公共建筑內(nèi)電氣設備的諧波抑制及綜合治理的設計與改造。