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船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中的諧波抑制

瀏覽次數(shù):1382更新日期:2013-09-24

1  引言

        船舶綜合全電力推進(jìn)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(jìn)系統(tǒng)進(jìn)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(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;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號工程船、我國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”。作為船舶主動力系統(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、推進(jìn)、儲能、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)生的諧波電動勢是因轉(zhuǎn)子和定子之間空氣隙中的磁場非正弦分布所引起的。推進(jìn)同步發(fā)電機(jī)每對磁下氣隙中的磁場不可能*按正弦分布,這是由磁結(jié)構(gòu)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(yīng)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(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)半波的波形不對稱。這種涌流持續(xù)時間比較長,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)的電壓等級高、輸送功率大,即使百分?jǐn)?shù)很小的諧波分量也會對低壓設(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(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)中的諧波對船舶設(shè)備的運(yùn)行會產(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)諧波還會引起船舶繼電保護(hù)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(shè)備和電子設(shè)備也會產(chǎn)生嚴(yán)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(shè)備在船舶測量、控制、保護(hù)、操作等系統(tǒng)中應(yīng)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(jìn)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(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,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(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,難以對變化的無功功率和諧波進(jìn)行的動態(tài)補(bǔ)償。而隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展,對無功功率和諧波進(jìn)行快速動態(tài)補(bǔ)償?shù)男枨笤絹碓酱蟆D壳暗内厔菔遣捎秒娏﹄娮友b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

有源濾波器的主要優(yōu)點(diǎn)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)模化生產(chǎn)。

(2)當(dāng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)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(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)動態(tài)補(bǔ)償,可對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,對補(bǔ)償對象的變化有快的響應(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(bǔ)償功能,可以對無功功率和負(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)可以對多個諧波源進(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)時檢測負(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)生一個和當(dāng)前諧波分量和無功分量對應(yīng)的反向分量并實(shí)時注入電力系統(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)

 

接線方式

三相三線或三相四線

接入電壓

3×380V ±10%

接入頻率

50Hz ±2%

動態(tài)補(bǔ)償響應(yīng)時間

動態(tài)響應(yīng)<4ms,全響應(yīng)時間<20ms;

開關(guān)頻率

10kHz

功能設(shè)置

只補(bǔ)償諧波、只補(bǔ)償無功、既補(bǔ)償諧波又補(bǔ)償無功;手動、自動切換。

諧波補(bǔ)償次數(shù)

2-21次

保護(hù)類型

直流過壓 IGBT過流 裝置溫度保護(hù)

過載保護(hù)

自動限流在設(shè)定值,不發(fā)生過載

冷卻方式

智能風(fēng)冷

噪音

< 65db(處于柜內(nèi)并運(yùn)作于額定狀態(tài))

工作環(huán)境溫度

-10℃~+45℃

工作環(huán)境濕度

<85%RH 不凝結(jié)

安裝場合

室內(nèi)安裝

海拔高度

≤1000m(更高海拔需降容使用)

進(jìn)出線方式

下進(jìn)下出

防護(hù)等級

IP21

智能通信接口

RS485/MODBUS-RTU

遠(yuǎn)程監(jiān)控

可選

外形尺寸(mm)

(W×D×H)

30A

50A

7

100A

600×500×1500

600×500×1500

600×500×1800

800×600×2200

重量(kg)

三相四線

三相三線

30A、50A

7、100A

30A、50A

7、100A

280

360

240

290

3.2.3  功能模塊介紹

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(jì)算、開關(guān)電路的生成、PWM信號的輸出、系統(tǒng)對外通訊與系統(tǒng)保護(hù)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(biāo)。

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(dāng)主電路產(chǎn)生補(bǔ)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(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。

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。

人機(jī)操作界面APF-HMI

    APF柜在工作時,系統(tǒng)可以監(jiān)測其網(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APF的運(yùn)行模式進(jìn)行設(shè)置,對于運(yùn)行中出現(xiàn)的問題,可以產(chǎn)生對應(yīng)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(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。

配套的電流采樣互感器AKH-0.66-K

3.2.4  技術(shù)優(yōu)勢

DSP+FPGA全數(shù)字控制方式,具有快的響應(yīng)時間;

的主電路拓?fù)浜涂刂扑惴?,精度更高、運(yùn)行更穩(wěn)定;

一機(jī)多能,既可補(bǔ)諧波,又可兼補(bǔ)無功;

模塊化設(shè)計(jì),便于生產(chǎn)調(diào)試;

便利的并聯(lián)設(shè)計(jì),方便擴(kuò)容;

具有完善的橋臂過流、保護(hù)功能;

使用方便,易于操作和維護(hù)。

3.2.5  有源濾波器報(bào)價及元件清單

 

型號:ANAPF100-400/B

參考價格:12萬元/臺

主要產(chǎn)品明細(xì):

序號

名    稱

型    號

數(shù)量

1

APF電氣柜

800X600X2200

1

2

變流器

APFCOV-CVT100

1

3

控制器

APFMC-C100

1

4

電抗器

APF-RE.(S)DG-100

1

5

有源電流互感器

LT208-S7

3

6

濾波器

DL-1TH1

2

7

斷路器

CVS160FTM160D4P3D

1

8

接觸器

LC1D150M7C

1

9

微型斷路器

NDM1-63C32

1

10

中間繼電器

MY4NAC

2

11

R型變壓器

R320-0.38/0.22

1

12

諧波檢測儀

ACR350EGH

1

13

電線

16mm2

若干

14

電線

4mm2

若干

 

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:

    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(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。

    當(dāng)ANAPF未投入電網(wǎng)時,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。

    圖2和圖3表明,ANAPF未投入時電網(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。下面是分別對電網(wǎng)側(cè)A相相電壓和相電流的傅里葉分析,對畸變程度進(jìn)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(cè)相電壓波形

 

圖3  ANAPF未投入時電網(wǎng)側(cè)相電流波形

圖4  ANAPF未投入時電網(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,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,與未投入時的波形圖(圖2和圖3)對比可以發(fā)現(xiàn)濾波效果,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電網(wǎng)側(cè)的電壓和電流有著的效果。

 

5  結(jié)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(guān)注。它的使用,較好地抑制了艦船電網(wǎng)中的諧波污染,大地了電網(wǎng)的電能質(zhì)量,*船級社的有關(guān)規(guī)定,在船舶制造業(yè)應(yīng)用方面將有著廣闊的前景。

 

參考文獻(xiàn):

[ 1 ] 馮英華,吳旖,楊平西綜合全電力系統(tǒng)主發(fā)電機(jī)諧波損耗分析與算法[ J ]. 船舶工程, 2008, 30 (5) : 12215.

[2姜齊榮,趙東元,陳建業(yè).有源電力濾波器——結(jié)構(gòu)原理控制[M].北京: 科學(xué)出版社,2005.1-2,20-25.

[3] 宋艷瓊.電力推進(jìn)船舶電網(wǎng)諧波抑制方案的探討[J].廣州航海高等??茖W(xué)校學(xué)報(bào),2009,2(17): 11-14.

[4] 馬曉軍,陳建業(yè),韓英鐸,等.單相并聯(lián)型有源濾波器的研究[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版,1997, 37(7): 39-43.

[5] 胡銘,陳珩.有源濾波技術(shù)及其應(yīng)用[J]. 電力系統(tǒng)自動化,2000,24(3),66-70

 

 

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