船舶电力推进系统中的谐波抑制.doc

DD 恒温试验箱 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。3.1有源滤波器的优势有源滤波器的主要优点有：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。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。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。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。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。具备多种补偿功能，可以对无功功率和负序进行补偿。谐波补偿特性不受电网频率变化的影响。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。图1ANAPF有源电力滤波装置的工作原理图3.2.2技术参数u控制器模块APFMC-C1003.2.3功能模块介绍主要由：DSP、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.SDGAPF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-HMIAPF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-K3.2.4技术优势lDSP+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。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。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。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，它適合於不同種類的船舶。世界各國都在針對船舶綜合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，它適合於不同種類的船舶。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，國外已經開發瞭多種類型的綜合全電力推進系統並在多型船舶上應用。據統計，在80年代後期以來，發達國傢新建的客輪、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；國內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於其高效率、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瞭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佈所引起的。推進同步發電機每對磁極下氣隙中的磁場不可能完全按正弦分佈，這是由磁極結構所決定的。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湧流。在嚴重的情況下，湧流波形強烈畸變，不但幅值可高達數十倍於額定空載電流，而且正負半波的波形極不對稱。這種湧流持續時間比較長，屬於準穩定的非正弦波。特征諧波是整流設備產生波形畸變的主要成分。由於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。對於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。諧波的含量取決於它們本身的特性和工作狀況。諧波電流註入船舶電網後，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，並產生絕緣老化、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幹擾。因此，諧波對於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，易遭受諧波幹擾。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。如諧波對計算機的幹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，國內外都發生過因諧波而引發的重大船舶事故。特別由於變頻驅動的使用，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，並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使變頻驅動系統可靠性下降，故障率增加，並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，易和系統發生並聯諧振，此外，此種補償方法損耗大，又隻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有效的動態補償。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。3.1有源濾波器的優勢有源濾波器的主要優點有：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。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，同時還能抑制串並聯諧振。原理上比PPF更為優越，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。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極快的響應速度。由於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，並且能正常發揮作用，不需要與系統斷開。具備多種補償功能，可以對無功功率和負序進行補償。諧波補償特性不受電網頻率變化的影響。可以對多個諧波源進行集中治理。3.2ANAPF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於動態抑制諧波、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，實現瞭動態跟蹤補償，是諧波治理和無功補償的最佳選擇，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，以並聯的方式接入電網，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並實時註入電力系統，從而實現諧波治理和無功補償。圖1ANAPF有源電力濾波裝置的工作原理圖3.2.2技術參數u控制器模塊APFMC-C1003.2.3功能模塊介紹主要由：DSP、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，它決定瞭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功率模塊整流後為儲能電容充電，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.SDGAPF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15A到200A等多種規格。u人機操作界面APF-HMIAPF櫃在工作時，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，對於運行中出現的問題，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-K3.2.4技術優勢lDSP+FPGA全數字控制方式，具有極快的響應時間；l先進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，便於生產調試；l便利的並聯設計，方便擴容；l具有完善的橋臂過流、保護功能；l使用方便，易於操作和維護。3.2.5有源濾波器報價及元件清單4ANAPF有源電力濾波裝置的應用實例本文以某實際大型旅遊客輪的綜合電力推進系統為例，其基本參數如下：當ANAPF未投入電網時，電網側和負載側的電壓電流是完全相同的，所以下面僅列出瞭電網側的相電壓和相電流。該船的電力