船舶電力推進系統中的諧波抑制

1  引言

        船舶綜合全電力推進系統是現行船舶平臺的電力和動力兩大系統發展的綜合，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進行深入的研究，國外已經開發了多種類型的綜合全電力推進系統并在多型船舶上應用。據統計，在80年代后期以來，發達國家新建的客輪、破冰船、渡輪約有30%已采用綜合全電力推進系統，且成流行趨勢；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的火車滾裝渡船“中鐵渤海一號”。作為船舶主動力系統的綜合全電力推進系統由于其率、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。

    船舶綜合全電力推進系統包括：發電、輸電、配電、變電、拖動、推進、儲能、監控和電力管理等諸，多功能多系統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各個功能模塊是否運行良好，是否相互協調好，關系著整個綜合全電力推進系統是否能具有良好的運行狀態和優異的工作性能。

2  諧波及波形畸變的產生和危害

2.1  諧波來源

    綜合全電力推進系統中產生的諧波來源主要有：

1）推進同步發電機。推進同步發電機產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。推進同步發電機每對磁下氣隙中的磁場不可能*按正弦分布，這是由磁結構所決定的。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，不但幅值可高達數十倍于額定空載電流，而且正負半波的波形不對稱。這種涌流持續時間比較長，屬于準穩定的非正弦波。特征諧波是整流設備產生波形畸變的主要成分。由于輸電系統的電壓等級高、輸送功率大，即使百分數很小的諧波分量也會對低壓設備及弱電設備產生不可忽視的騷擾。

3）變頻器。船舶綜合全電力推進系統采用變頻進行調速，而諧波頻率又隨頻率變化，這樣對船舶電網的電源質量影響較大。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后，在船舶電網系統的阻抗上引起諧波壓降，也會使電網系統中各點的電壓產生波形畸變。

2.2  諧波危害

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

1）使船舶發電機的效率降低；

2）使電氣設備出現過熱，振動和噪音的現象，并產生絕緣老化、使用壽命縮短，甚至發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，產生誤動作；

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

    微電子設備在船舶測量、控制、保護、操作等系統中應用廣泛，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產生的諧波通過船舶電網對船上包括測量、保護、控制、操作等系統中的儀表、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據處理系統的精度和性能，從而影響計算機處理數據的質量。諧波對船舶照明及生活用電等設備的影響主要表現在增加損耗、降低壽命和運行性能劣化。諧波問題日益突出和嚴重，外都發生過因諧波而引發的重大船舶事故。特別由于變頻驅動的使用，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，使電機在短期內報廢；高頻傳導性和輻射性ＥＭＩ使變頻驅動系統可靠性下降，故障率增加，并影響電網上的其他用電設備。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中具有重要的理論意義和實用價值。

3  綜合電力推進系統諧波限制分析

    為解決電力電子裝置產生的諧波污染和低功率因數問題，傳統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阻抗和運行狀態影響，易和系統發生并聯諧振，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的動態補償。而隨著電力系統的發展，對無功功率和諧波進行快速動態補償的需求越來越大。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  有源濾波器的優勢

有源濾波器的主要優點有：

（1）有源濾波裝置是一個高阻抗電流源，它的接入對系統阻抗不會產生影響，因此此類裝置適合系列化、規模化生產。

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

（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）實現動態補償，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生過載，并且能正常發揮作用，不需要與系統斷開。

（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抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，它能夠對大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進行補償，可克服LC濾波器等傳統的諧波抑制和無功補償方法的缺點，實現了動態跟蹤補償，是諧波治理和無功補償的*選擇，是確保海上平臺電力系統穩定運行的有力保障。

3.2.1  工作原理

    ANAPF系列有源電力濾波裝置，以并聯的方式接入電網，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，從而實現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

3.2.3  功能模塊介紹

u 控制器模塊APFMC-C100

    主要由：DSP（數字信號處理器）、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、系統對外通訊與系統保護等功能。控制系統是有源濾波器的核心，它決定了有源電力濾波器系統的主要性能和指標。

u 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的電壓經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定的值，在這個過程中變流器主要工作在整流狀態，當主電路產生補償電流時，變流器又工作在逆變狀態。考慮到產品是在電網中長時間運行的，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品，以確保整機質量。變流器的選擇根據補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發出的電網不需要的諧波。電抗器可分為單相和三相，電流從1到200A等多種規格。

u 人機操作界面APF-HMI

    APF柜在工作時，系統可以監測其網側電流、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，對于運行中出現的問題，可以產生對應的事件記錄。HMI就是我司針對電力系統，工礦企業，公用設施,智能大廈的電力監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參數設置和控制，集成全部電力參數的測量、全面的電能計量和考核管理、多種電力質量參數的分析。

u 配套的電流采樣互感器AKH-0.66-K

3.2.4  技術優勢

l DSP+FPGA全數字控制方式，具有快的響應時間；

l 的主電路拓撲和控制算法，精度更高、運行更穩定；

l 一機多能，既可補諧波，又可兼補無功；

l 模塊化設計，便于生產調試；

l 便利的并聯設計，方便擴容；

l 具有完善的橋臂過流、保護功能；

l 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為例，其基本參數如下：

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

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

    圖2和圖3表明，ANAPF未投入時電網側相電壓幾乎沒有發生畸變，但相電流的波形畸變十分嚴重。下面是分別對電網側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未投入時電網側相電壓波形

圖3  ANAPF未投入時電網側相電流波形

圖4  ANAPF未投入時電網側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，從而使得電網電流變成只含基波的正弦形狀。圖5和圖6為ANAPF投入電網后電網側的電壓電流波形，與未投入時的波形圖（圖2和圖3）對比可以發現濾波效果，ANAPF投入后的電壓電流波形都十分接近正弦波。

圖5  ANAPF投入后電網側相電壓波形

圖6  ANAPF投入后電網側相電流波形

圖7  ANAPF投入后電網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%下降至現在的0.79%；電壓的THD值現在約為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系列并聯型有源電力濾波裝置對電網側的電壓和電流有著的效果。

5  結語

    目前，有源濾波器已成為電力系統治理諧波污染的主要發展方向。ANAPF有源電力濾波器作為一種特別適合艦船電網諧波治理的方案，正受到廣泛關注。它的使用，較好地抑制了艦船電網中的諧波污染，大地了電網的電能質量，*船級社的有關規定，在船舶制造業應用方面將有著廣闊的前景。

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