船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中的諧波抑制

1  引言

船舶綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)是現(xiàn)行船舶平臺(tái)的電力和動(dòng)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(guó)都在針對(duì)船舶綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行深入的研究，國(guó)外已經(jīng)開發(fā)了多種類型的綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)并在多型船舶上應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在80年代后期以來，發(fā)達(dá)國(guó)家新建的客輪、破冰船、渡輪約有30%已采用綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)，且成流行趨勢(shì)；國(guó)內(nèi)民用船舶中全電力推進(jìn)的應(yīng)用已有多種形式：如江南船廠為國(guó)外設(shè)計(jì)建造的3200噸全電力推進(jìn)化學(xué)品運(yùn)輸船、勝利油田的“勝利232”號(hào)工程船、我國(guó)2006年交工的首艘采用綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)的火車滾裝渡船“中鐵渤海一號(hào)”。作為船舶主動(dòng)力系統(tǒng)的綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)由于其率、高可靠性、高自動(dòng)化以及低維護(hù)也成為新世紀(jì)大型水面船舶青睞的主推進(jìn)系統(tǒng)。

船舶綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)包括：發(fā)電、輸電、配電、變電、拖動(dòng)、推進(jìn)、儲(chǔ)能、監(jiān)控和電力管理等諸，多功能多系統(tǒng)的復(fù)雜性也帶來了嚴(yán)重的諧波污染問題。綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)各個(gè)功能模塊是否運(yùn)行良好，是否相互協(xié)調(diào)好，關(guān)系著整個(gè)綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)是否能具有良好的運(yùn)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(jìn)系統(tǒng)中產(chǎn)生的諧波來源主要有：

1）推進(jìn)同步發(fā)電機(jī)。推進(jìn)同步發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的諧波電動(dòng)勢(shì)是因轉(zhuǎn)子和定子之間空氣隙中的磁場(chǎng)非正弦分布所引起的。推進(jìn)同步發(fā)電機(jī)每對(duì)磁極下氣隙中的磁場(chǎng)不可能*按正弦分布，這是由磁極結(jié)構(gòu)所決定的。因此，電動(dòng)勢(shì)中必然含有諧波分量。

2）變壓器。變壓器的勵(lì)磁回路具有非線性電感，因此，勵(lì)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(shí)，非正弦的勵(lì)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(yīng)電勢(shì)中包含諧波分量。變壓器空載合閘時(shí)，常常會(huì)出現(xiàn)很大的勵(lì)磁涌流。在嚴(yán)重的情況下，涌流波形強(qiáng)烈畸變，不但幅值可高達(dá)數(shù)十倍于額定空載電流，而且正負(fù)半波的波形極不對(duì)稱。這種涌流持續(xù)時(shí)間比較長(zhǎng)，屬于準(zhǔn)穩(wěn)定的非正弦波。特征諧波是整流設(shè)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(jí)高、輸送功率大，即使百分?jǐn)?shù)很小的諧波分量也會(huì)對(duì)低壓設(shè)備及弱電設(shè)備產(chǎn)生不可忽視的騷擾。

3）變頻器。船舶綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)采用變頻進(jìn)行調(diào)速，而諧波頻率又隨頻率變化，這樣對(duì)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(fù)雜，其頻率不僅和輸入電源頻率、變頻電路的結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且和變頻電路的輸出頻率有關(guān)。

在上述三個(gè)諧波源中推進(jìn)同步發(fā)電機(jī)為諧波電壓源，變壓器為諧波電流源。對(duì)于諧波電流源的設(shè)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(huì)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(huì)使電網(wǎng)系統(tǒng)中各點(diǎn)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(duì)船舶設(shè)備的運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生許多不利的影響：

1）使船舶發(fā)電機(jī)的效率降低；

2）使電氣設(shè)備出現(xiàn)過熱，振動(dòng)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(jié)果；

3）諧波還會(huì)引起船舶繼電保護(hù)和自動(dòng)控制裝置的可靠性降低，產(chǎn)生誤動(dòng)作；

4）諧波對(duì)通信設(shè)備和電子設(shè)備也會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。因此，諧波對(duì)于船舶電網(wǎng)是一種電磁環(huán)境的污染。

微電子設(shè)備在船舶測(cè)量、控制、保護(hù)、操作等系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，它對(duì)電流波形有較高的要求，易遭受諧波干擾。綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波通過船舶電網(wǎng)對(duì)船上包括測(cè)量、保護(hù)、控制、操作等系統(tǒng)中的儀表、儀器和設(shè)備造成影響。如諧波對(duì)計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)的質(zhì)量。諧波對(duì)船舶照明及生活用電等設(shè)備的影響主要表現(xiàn)在增加損耗、降低壽命和運(yùn)行性能劣化。諧波問題日益突出和嚴(yán)重，國(guó)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(dòng)的使用，使電動(dòng)機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)軸上感應(yīng)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(jī)在短期內(nèi)報(bào)廢；高頻傳導(dǎo)性和輻射性ＥＭＩ使變頻驅(qū)動(dòng)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(shè)備。因此，研究變頻器所帶來的負(fù)面效應(yīng)及其解決方法在電力推進(jìn)系統(tǒng)中具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

3  綜合電力推進(jìn)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(shè)置無功補(bǔ)償電容器和LC濾波器，這兩種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，既可以抑制諧波，又可以補(bǔ)償無功功率，一直被廣泛應(yīng)用。但這種方法的主要缺點(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，此外，此種補(bǔ)償方法損耗大，又只能補(bǔ)償固定頻率的諧波，難以對(duì)變化的無功功率和諧波進(jìn)行有效的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。而隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)無功功率和諧波進(jìn)行快速動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)男枨笤絹碓酱蟆Ｄ壳暗内厔?shì)是采用電力電子裝置進(jìn)行諧波補(bǔ)償，即采用有源濾波器（Active Power Filter，APF）。

3.1  有源濾波器的優(yōu)勢(shì)

有源濾波器的主要優(yōu)點(diǎn)有：

(1)有源濾波裝置是一個(gè)高阻抗電流源，它的接入對(duì)系統(tǒng)阻抗不會(huì)產(chǎn)生影響，因此此類裝置適合系列化、規(guī)模化生產(chǎn)。

(2)當(dāng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)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(xiǎn)，同時(shí)還能抑制串并聯(lián)諧振。

(3)原理上比PPF更為*，用同一臺(tái)裝置可同時(shí)補(bǔ)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(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，可對(duì)頻率和大小均變化的諧波及變化的無功功率進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)補(bǔ)償對(duì)象的變化有極快的響應(yīng)速度。

(5)由于裝置本身能完成輸出限制，當(dāng)線路中的諧波電流突然增大時(shí)有源濾波器不會(huì)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(bǔ)償功能，可以對(duì)無功功率和負(fù)序進(jìn)行補(bǔ)償。

(7)諧波補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)頻率變化的影響。

(8)可以對(duì)多個(gè)諧波源進(jìn)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(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)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(jìn)行補(bǔ)償，可克服LC濾波器等傳統(tǒng)的諧波抑制和無功補(bǔ)償方法的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償，是諧波治理和無功補(bǔ)償?shù)?選擇，是確保海上平臺(tái)電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)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(shí)時(shí)檢測(cè)負(fù)載的諧波和無功分量，采用PWM變流技術(shù)，從變流器中產(chǎn)生一個(gè)和當(dāng)前諧波分量和無功分量對(duì)應(yīng)的反向分量并實(shí)時(shí)注入電力系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)諧波治理和無功補(bǔ)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(shù)參數(shù)

u 控制器模塊APFMC-C1003.2.3  功能模塊介紹

主要由：DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）、FPGA邏輯器件、AD信號(hào)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(hào)的采集和處理、指令電流的計(jì)算、開關(guān)電路的生成、PWM信號(hào)的輸出、系統(tǒng)對(duì)外通訊與系統(tǒng)保護(hù)等功能。控制系統(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(biāo)。

u 變流器模塊APFCOV

其核心是儲(chǔ)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(chǔ)能電容充電，使母線電壓維持在某個(gè)穩(wěn)定的值，在這個(gè)過程中變流器主要工作在整流狀態(tài)，當(dāng)主電路產(chǎn)生補(bǔ)償電流時(shí)，變流器又工作在逆變狀態(tài)。考慮到產(chǎn)品是在電網(wǎng)中長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的，因此直流支撐電容采用薄膜電容，功率模塊采用德國(guó)原裝產(chǎn)品，以確保整機(jī)質(zhì)量。變流器的選擇根據(jù)補(bǔ)償電流的大小而有所不同。

u 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。

u 人機(jī)操作界面APF-HMI

APF柜在工作時(shí)，系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)其網(wǎng)側(cè)電流、APF橋臂電流以及負(fù)載側(cè)電流，用戶可以通過HMI來對(duì)APF的運(yùn)行模式進(jìn)行設(shè)置，對(duì)于運(yùn)行中出現(xiàn)的問題，可以產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的事件記錄。HMI就是我司針對(duì)電力系統(tǒng)，工礦企業(yè)，公用設(shè)施,智能大廈的電力監(jiān)控需求而設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置和控制，集成全部電力參數(shù)的測(cè)量、全面的電能計(jì)量和考核管理、多種電力質(zhì)量參數(shù)的分析。

u 配套的電流采樣互感器AKH-0.66-K

3.2.4  技術(shù)優(yōu)勢(shì)

l DSP+FPGA全數(shù)字控制方式，具有極快的響應(yīng)時(shí)間；

l *的主電路拓?fù)浜涂刂扑惴ǎ雀摺⑦\(yùn)行更穩(wěn)定；

l 一機(jī)多能，既可補(bǔ)諧波，又可兼補(bǔ)無功；

l 模塊化設(shè)計(jì)，便于生產(chǎn)調(diào)試；

l 便利的并聯(lián)設(shè)計(jì)，方便擴(kuò)容；

l 具有完善的橋臂過流、保護(hù)功能；

l 使用方便，易于操作和維護(hù)。

3.2.5  有源濾波器報(bào)價(jià)及元件清單

4  ANAPF有源電力濾波裝置的應(yīng)用實(shí)例

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

當(dāng)ANAPF未投入電網(wǎng)時(shí)，電網(wǎng)側(cè)和負(fù)載側(cè)的電壓電流是*相同的，所以下面僅列出了電網(wǎng)側(cè)的相電壓和相電流。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(tái)主發(fā)電機(jī)為6600V主電網(wǎng)供電，主推進(jìn)電機(jī)和側(cè)推器為其主要負(fù)載；440主電網(wǎng)通過變壓器接在6600V電網(wǎng)上，其負(fù)載包括主推進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)、舵機(jī)、酒店電力服務(wù)系統(tǒng)以及其他輔助設(shè)備等。

圖2和圖3表明，ANAPF未投入時(shí)電網(wǎng)側(cè)相電壓幾乎沒有發(fā)生畸變，但相電流的波形畸變十分嚴(yán)重。下面是分別對(duì)電網(wǎng)側(cè)A相相電壓和相電流的傅里葉分析，對(duì)畸變程度進(jìn)行量化（0.02s后的3個(gè)周期作為傅里葉分析的對(duì)象）。

圖2  ANAPF未投入時(shí)電網(wǎng)側(cè)相電壓波形

圖3  ANAPF未投入時(shí)電網(wǎng)側(cè)相電流波形

圖4  ANAPF未投入時(shí)電網(wǎng)側(cè)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(dá)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(dá)基波幅值的46%和23%。亟需采取諧波治理措施，以免對(duì)其他較敏感負(fù)載造成影響甚至損毀。

由ANAPF計(jì)算出的補(bǔ)償電流指令信號(hào)，因補(bǔ)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(huì)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(cè)的電壓電流波形，與未投入時(shí)的波形圖（圖2和圖3）對(duì)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(cè)相電壓波形

圖6  ANAPF投入后電網(wǎng)側(cè)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(cè)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(cè)的諧波電壓和諧波電流含量都能滿足相關(guān)限制值的要求。以上結(jié)論表明，安科瑞ANAPF系列并聯(lián)型有源電力濾波裝置對(duì)改善電網(wǎng)側(cè)的電壓和電流有著顯著的效果。

5  結(jié)語(yǔ)

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(guān)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(jí)社的有關(guān)規(guī)定，在船舶制造業(yè)應(yīng)用方面將有著廣闊的前景。