船舶电力推进系统中的谐波抑制.pdf

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1、船舶电力推进系统中 的谐波抑制 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

2、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

3、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

4、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

5、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 二口 备和电子设备也会产 生严重干扰。因此，十皆 波对于船

6、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

7、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 E MI 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

8、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(ActivePowerFilter,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IWJ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

9、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1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。3.2ANAPF 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

10、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 偿的最佳选择，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1ANAPF有源 电力滤波装置的工作 原理图 3

11、.2.2 技术参数 u 控制器模块 APFMC-C1003.2.3 功 能模块介绍 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 号的米集和处理、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

12、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

13、，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 IDSP+FPGA 全数 字控制方式，具有极快 的响应时间；I 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，既瓦 补谐波，又可兼

14、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 澡作和维护。3.2.5 有源滤波器 报价及元件清单 4ANAPF 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：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。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6

15、600V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。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 2ANAPF 未投 入时电网侧相电压波 形 图 3ANAPF 未投 入时电网侧相电流波 形 图 4ANAPF 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

16、%，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 5ANAPF 投入 后电网

17、侧相电压波形 图 6ANAPF 投入 后电网侧相电流波形 图 7ANAPF 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，极 大地改善了电网的电 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。