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船舶电力推进系统中的谐波抑制

2013-04-03 12:22:34 来源：安科瑞王海芹

1  引言
       船舶综合全电力推进系统是现行船舶平台的电力和动力两大系统发展的综合，它适合于不同种类的船舶。世界各国都在针对船舶综合全电力推进系统进行深入的研究，国外已经开发了多种类型的综合全电力推进系统并在多型船舶上应用。据统计，在80年代后期以来，发达国家新建的客轮、破冰船、渡轮约有30%已采用综合全电力推进系统，且成流行趋势；国内民用船舶中全电力推进的应用已有多种形式：如江南船厂为国外设计建造的3200吨全电力推进化学品运输船、胜利油田的“胜利232”号工程船、我国2006年交工的首艘采用综合全电力推进系统的火车滚装渡船“中铁渤海一号”。作为船舶主动力系统的综合全电力推进系统由于其高效率、高可靠性、高自动化以及低维护也成为新世纪大型水面船舶青睐的主推进系统。
船舶综合全电力推进系统包括：发电、输电、配电、变电、拖动、推进、储能、监控和电力管理等诸，多功能多系统的复杂性也带来了严重的谐波污染问题。综合全电力推进系统各个功能模块是否运行良好，是否相互协调好，关系着整个综合全电力推进系统是否能具有良好的运行状态和优异的工作性能。

2  谐波及波形畸变的产生和危害
2.1  谐波来源
    综合全电力推进系统中产生的谐波来源主要有：
1）推进同步发电机。推进同步发电机产生的谐波电动势是因转子和定子之间空气隙中的磁场非正弦分布所引起的。推进同步发电机每对磁极下气隙中的磁场不可能完全按正弦分布，这是由磁极结构所决定的。因此，电动势中必然含有谐波分量。
2）变压器。变压器的励磁回路具有非线性电感，因此，励磁电流是非正弦波形，使得电流波形发生波形畸变。在空载时，非正弦的励磁电流在变压器原绕组的漏抗上产生压降，使变压器感应电势中包含谐波分量。变压器空载合闸时，常常会出现很大的励磁涌流。在严重的情况下，涌流波形强烈畸变，不但幅值可高达数十倍于额定空载电流，而且正负半波的波形极不对称。这种涌流持续时间比较长，属于准稳定的非正弦波。特征谐波是整流设备产生波形畸变的主要成分。由于输电系统的电压等级高、输送功率大，即使百分数很小的谐波分量也会对低压设备及弱电设备产生不可忽视的骚扰。
3）变频器。船舶综合全电力推进系统采用变频进行调速，而谐波频率又随频率变化，这样对船舶电网的电源质量影响较大。变频电路输入电流的谐波分量十分复杂，其频率不仅和输入电源频率、变频电路的结构有关，而且和变频电路的输出频率有关。
在上述三个谐波源中推进同步发电机为谐波电压源，变压器为谐波电流源。对于谐波电流源的设备来说，即使供给它们的电压是理想的正弦波，它们所取用的电流中也会含有谐波成分。谐波的含量取决于它们本身的特性和工作状况。谐波电流注入船舶电网后，在船舶电网系统的阻抗上引起谐波压降，也会使电网系统中各点的电压产生波形畸变。
2.2  谐波危害
      谐波是影响电能质量的重要因素之一，它通常是由电网中的非线性元件产生的。船舶电网中的谐波对船舶设备的运行会产生许多不利的影响：
1）使船舶发电机的效率降低；
2）使电气设备出现过热，振动和噪音的现象，并产生绝缘老化、使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁的结果；
3）谐波还会引起船舶继电保护和自动控制装置的可靠性降低，产生误动作；
4）谐波对通信设备和电子设备也会产生严重干扰。因此，谐波对于船舶电网是一种电磁环境的污染。
       微电子设备在船舶测量、控制、保护、操作等系统中应用广泛，它对电流波形有较高的要求，易遭受谐波干扰。综合全电力推进系统产生的谐波通过船舶电网对船上包括测量、保护、控制、操作等系统中的仪表、仪器和设备造成影响。如谐波对计算机的干扰主要是影响磁性元件和数据处理系统的精度和性能，从而影响计算机处理数据的质量。谐波对船舶照明及生活用电等设备的影响主要表现在增加损耗、降低寿命和运行性能劣化。谐波问题日益突出和严重，国内外都发生过因谐波而引发的重大船舶事故。特别由于变频驱动的使用，使电动机绝缘物以及电缆绝缘层迅速老化、甚至烧毁；共模电压在电机转轴上感应出高的轴电压，并形成轴承放电电流从而电腐蚀轴承，使电机在短期内报废；高频传导性和辐射性ＥＭＩ使变频驱动系统可靠性下降，故障率增加，并影响电网上的其他用电设备。因此，研究变频器所带来的负面效应及其解决方法在电力推进系统中具有重要的理论意义和实用价值。

3  综合电力推进系统谐波限制分析
为解决电力电子装置产生的谐波污染和低功率因数问题，传统的手段是设置无功补偿电容器和LC滤波器，这两种方法结构简单，既可以抑制谐波，又可以补偿无功功率，一直被广泛应用。但这种方法的主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，易和系统发生并联谐振，此外，此种补偿方法损耗大，又只能补偿固定频率的谐波，难以对变化的无功功率和谐波进行有效的动态补偿。而随着电力系统的发展，对无功功率和谐波进行快速动态补偿的需求越来越大。目前的趋势是采用电力电子装置进行谐波补偿，即采用有源滤波器（Active Power Filter，APF）。

3.1  有源滤波器的优势
有源滤波器的主要优点有：
(1)有源滤波装置是一个高阻抗电流源，它的接入对系统阻抗不会产生影响，因此此类装置适合系列化、规模化生产。
(2)当电网结构发生变化时装置受电网阻抗的影响不大，不存在与电网阻抗发生谐波的危险，同时还能抑制串并联谐振。
(3)原理上比PPF更为优越，用同一台装置可同时补偿多次谐波电流和非整流倍次的谐波电流，完成各次谐波的治理。
(4)实现动态补偿，可对频率和大小均变化的谐波及变化的无功功率进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应速度。
(5)由于装置本身能完成输出限制，当线路中的谐波电流突然增大时有源滤波器不会发生过载，并且能正常发挥作用，不需要与系统断开。
(6)具备多种补偿功能，可以对无功功率和负序进行补偿。
(7)谐波补偿特性不受电网频率变化的影响。
(8)可以对多个谐波源进行集中治理。

3.2  ANAPF系列有源电力滤波装置
       安科瑞公司ANAPF系列有源电力滤波装置作为一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，可克服LC滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点，实现了动态跟踪补偿，是谐波治理和无功补偿的*佳选择，是确保海上平台电力系统稳定运行的有力保障。
3.2.1  工作原理
       ANAPF系列有源电力滤波装置，以并联的方式接入电网，通过实时检测负载的谐波和无功分量，采用PWM变流技术，从变流器中产生一个和当前谐波分量和无功分量对应的反向分量并实时注入电力系统，从而实现谐波治理和无功补偿。（见图1）

图1 ANAPF有源电力滤波装置的工作原理图
3.2.2 技术参数

接线方式	三相三线或三相四线
接入电压	3×380V ±10%
接入频率	50Hz ±2%
动态补偿响应时间	动态响应＜4ms，全响应时间＜20ms；
开关频率	10kHz
功能设置	只补偿谐波、只补偿无功、既补偿谐波又补偿无功；手动、自动切换。
谐波补偿次数	2-21次
保护类型	直流过压　IGBT过流　装置温度保护
过载保护	自动限流在设定值，不发生过载
冷却方式	智能风冷
噪音	＜ 65db(处于柜内并运作于额定状态)
工作环境温度	-10℃～+45℃
工作环境湿度	＜85%RH 不凝结
安装场合	室内安装
海拔高度	≤1000m（更高海拔需降容使用）
进出线方式	下进下出
防护等级	IP21
智能通信接口	RS485/MODBUS-RTU
远程监控	可选
外形尺寸(mm) (W×D×H)	30A	50A	75A	100A
	600×500×1500	600×500×1500	600×500×1800	800×600×2200
重量(kg)	三相四线		三相三线
	30A、50A	75A、100A	30A、50A	75A、100A
	280	360	240	290

3.2.3  功能模块介绍
u 控制器模块APFMC-C100
       主要由：DSP（数字信号处理器）、FPGA逻辑器件、AD信号采样电路、DI/DO输入输出控制电路、PWM波形控制电路、RS485通讯电路等组成，主要用来完成电压、电流等信号的采集和处理、指令电流的计算、开关电路的生成、PWM信号的输出、系统对外通讯与系统保护等功能。控制系统是有源滤波器的核心，它决定了有源电力滤波器系统的主要性能和指标。
u 变流器模块APFCOV
       其核心是储能电容和IGBT模块。变流器的作用主要是将电网的电压经IGBT功率模块整流后为储能电容充电，使母线电压维持在某个稳定的值，在这个过程中变流器主要工作在整流状态，当主电路产生补偿电流时，变流器又工作在逆变状态。考虑到产品是在电网中长时间运行的，因此直流支撑电容采用薄膜电容，功率模块采用德国原装产品，以确保整机质量。变流器的选择根据补偿电流的大小而有所不同。
u 电抗器模块APF-RE.DG、APF-RE.SDG
       APF电抗器起滤波作用，滤除APF发出的电网不需要的谐波。电抗器可分为单相和三相，电流从15A到200A等多种规格。
u 人机操作界面APF-HMI
       APF柜在工作时，系统可以监测其网侧电流、APF桥臂电流以及负载侧电流，用户可以通过HMI来对APF的运行模式进行设置，对于运行中出现的问题，可以产生对应的事件记录。HMI就是我司针对电力系统，工矿企业，公用设施,智能大厦的电力监控需求而设计的一种智能仪表，它采用高亮度TFT-LCD彩屏显示界面，通过面板按键来实现参数设置和控制，集成全部电力参数的测量、全面的电能计量和考核管理、多种电力质量参数的分析。
u 配套的电流采样互感器AKH-0.66-K
3.2.4  技术优势
l DSP+FPGA全数字控制方式，具有极快的响应时间；
l 先进的主电路拓扑和控制算法，精度更高、运行更稳定；
l 一机多能，既可补谐波，又可兼补无功；
l 模块化设计，便于生产调试；
l 便利的并联设计，方便扩容；
l 具有完善的桥臂过流、保护功能；
l 使用方便，易于操作和维护。
3.2.5  有源滤波器报价及元件清单

型号：ANAPF100-400/B
参考价格：12万元/台
主要产品明细：
序号	名称	型号	数量
1	APF电气柜	800X600X2200	1
2	变流器	APFCOV-CVT100	1
3	控制器	APFMC-C100	1
4	电抗器	APF-RE.(S)DG-100	1
5	有源电流互感器	LT208-S7	3
6	滤波器	DL-1TH1	2
7	断路器	CVS160FTM160D4P3D	1
8	接触器	LC1D150M7C	1
9	微型断路器	NDM1-63C32	1
10	中间继电器	MY4NAC	2
11	R型变压器	R320-0.38/0.22	1
12	谐波检测仪	ACR350EGH	1
13	电线	16mm2	若干
14	电线	4mm2	若干

4 ANAPF有源电力滤波装置的应用实例
本文以某实际大型旅游客轮的综合电力推进系统为例，其基本参数如下：

吨位	77000GRT
船长	261m
型宽	33.60m
吃水	7.95m
乘客及船员	3000人
巡航船速	18.5knots
主发电机	11.1MW*4
应急发电机	600kW*2
推进电机	同步电动机14MW*2
螺旋桨	直连定距桨*2
舵	2
螺旋桨转速	0-145rpm
侧推器	船首尾各2个

     该船的电力系统主要分两大部分：6600V中压电网和440V低压电网。4台主发电机为6600V主电网供电，主推进电机和侧推器为其主要负载；440主电网通过变压器接在6600V电网上，其负载包括主推进电机励磁系统、舵机、酒店电力服务系统以及其他辅助设备等。
     当ANAPF未投入电网时，电网侧和负载侧的电压电流是完全相同的，所以下面仅列出了电网侧的相电压和相电流。
     图2和图3表明，ANAPF未投入时电网侧相电压几乎没有发生畸变，但相电流的波形畸变十分严重。下面是分别对电网侧A相相电压和相电流的傅里叶分析，对畸变程度进行量化（0.02s后的3个周期作为傅里叶分析的对象）。

图2 ANAPF未投入时电网侧相电压波形

图3 ANAPF未投入时电网侧相电流波形

图4 ANAPF未投入时电网侧A相电压（左）和相电流波形及傅里叶分析

图4的傅里叶分析表明，相电压的畸变非常小，THD值约有2.68%，而电流的THD值已高达50.56%，谐波含量已经很高，可以看到其中5次、7次谐波幅值较大，已分别高达基波幅值的46%和23%。亟需采取谐波治理措施，以免对其他较敏感负载造成影响甚至损毁。
由ANAPF计算出的补偿电流指令信号，因补偿电流和谐波电流（以及无功电流）幅值相等相位相反，所以会相互抵消，从而使得电网电流变成只含基波的正弦形状。图5和图6为ANAPF投入电网后电网侧的电压电流波形，与未投入时的波形图（图2和图3）对比可以发现滤波效果显著，ANAPF投入后的电压电流波形都十分接近正弦波。

图5 ANAPF投入后电网侧相电压波形

图6 ANAPF投入后电网侧相电流波形

图7  ANAPF投入后电网A相电压（左）和相电流波形及其傅里叶分析

      图7的傅里叶分析表明，电网侧的电压和电流的畸变程度都减小了，尤其是电流的THD值由先前的50.56%下降至现在的0.79%；电压的THD值现在约为0.00%。谐波幅值占基波幅值的百分比均小于1.1%，显然电网侧的谐波电压和谐波电流含量都能满足相关限制值的要求。以上结论表明，安科瑞ANAPF系列并联型有源电力滤波装置对改善电网侧的电压和电流有着显著的效果。

5  结语
      目前，有源滤波器已成为电力系统治理谐波污染的主要发展方向。ANAPF有源电力滤波器作为一种特别适合舰船电网谐波治理的优秀方案，正受到广泛关注。它的使用，较好地抑制了舰船电网中的谐波污染，*地改善了电网的电能质量，完全满足船级社的有关规定，在船舶制造业应用方面将有着广阔的前景。

参考文献：
[ 1 ] 冯英华,吴旖,杨平西. 综合全电力系统主发电机谐波损耗分析与算法[ J ]. 船舶工程, 2008, 30 (5) : 12215.
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[5] 胡铭,陈珩.有源滤波技术及其应用[J]. 电力系统自动化,2000,24(3),66-70

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