船舶电力推进系统中的谐波抑制

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 统的电压等级局、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 E M I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 ActivePowerFilter , APFO 3.1有源滤波器的优势 有源滤波器的主要优 点有 ⑴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。 3.2ANAPF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