船舶電網(wǎng)諧波優(yōu)化治理設(shè)計(jì)

(浙江欣亞磁電發(fā)展有限公司, 浙江 舟山 316111)

船舶用電設(shè)備容量選擇的設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程比較復(fù)雜，涉及較多安全系數(shù)的選擇，通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在一定范圍內(nèi)選用;同時(shí)為了滿足最大工況還必需留一定余量，結(jié)果會(huì)使所選設(shè)備容量偏大，出現(xiàn)“大馬拉小車(chē)”現(xiàn)象，既不環(huán)保，又浪費(fèi)嚴(yán)重?，F(xiàn)在由于變頻設(shè)備日趨成熟穩(wěn)定，而且價(jià)格也在不斷下降，因此，目前船上電動(dòng)機(jī)在需要調(diào)速的情況下，大多數(shù)選用變頻器來(lái)控制。變頻器使用后的優(yōu)點(diǎn)是：使泵轉(zhuǎn)速下降，出口壓力降低，減少了機(jī)械磨損，降低了維修工作量，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。變頻器的缺點(diǎn)也是眾所周知的，諧波含量比較嚴(yán)重。而船舶電網(wǎng)與陸地電網(wǎng)相比，船舶電網(wǎng)容量太小，更容量受到諧波的影響，在大量使用變頻設(shè)備及一些非線性負(fù)載后，諧波含量就會(huì)超出船級(jí)社規(guī)范所要求的范圍，需要對(duì)諧波進(jìn)行有效合理的治理[1-5]。

1 船舶電網(wǎng)諧波的產(chǎn)生及危害

諧波主要由非線性負(fù)載所產(chǎn)生。船上發(fā)電機(jī)和變壓器因?yàn)樽陨淼囊蛩?，?huì)產(chǎn)生很微小的諧波，這些諧波對(duì)電網(wǎng)的影響可以忽略。大量使用6脈整流變頻器后，產(chǎn)生很大的5次、7次、11次、13次等諧波電流，使得船舶電網(wǎng)的諧波含量變大，可能會(huì)超過(guò)允許范圍。

諧波的危害：損耗增加、溫升增高、使用壽命縮短、加速絕緣老化、產(chǎn)生噪聲、產(chǎn)生諧振、產(chǎn)生測(cè)量誤差、影響繼電保護(hù)、干擾通訊導(dǎo)航電子設(shè)備等。

2 船舶電網(wǎng)諧波的計(jì)算

采用傅里葉級(jí)數(shù)對(duì)非正弦波連續(xù)時(shí)間周期函數(shù)進(jìn)行分析是諧波分析計(jì)算的最基本方法。

諧波計(jì)算可以通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，把發(fā)電機(jī)、變壓器、變頻器、電纜等參數(shù)輸入后，軟件就能自動(dòng)計(jì)算出各次諧波數(shù)值。諧波計(jì)算軟件有：美國(guó)的ETAP、EDSA、丹佛斯 MCT31等。

諧波計(jì)算也可根據(jù)各個(gè)諧波源的每次諧波電流值，通過(guò)GB/T14549的諧波基本計(jì)算公式來(lái)進(jìn)行計(jì)算，或者通過(guò)IEC61000的諧波計(jì)算公式來(lái)進(jìn)行計(jì)算。多個(gè)諧波源可以按如下公式進(jìn)行依次疊加計(jì)算。

(1)

3 濾波器容量計(jì)算及選型

以廣船國(guó)際GSI的一艘50 000 t成品油船為例介紹如何選擇恰當(dāng)?shù)臑V波器容量。該船配置有3臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)組參數(shù)為： AC450 V，60 Hz，910 kW，1 459 A，Xd″10.3%；配有6臺(tái)變頻器，每臺(tái)變頻器參數(shù)為：AC450 V，60 Hz，210 kW，6脈整流，帶輸入電抗器。通過(guò)諧波計(jì)算軟件得出諧波結(jié)果見(jiàn)表1。

根據(jù)船級(jí)社規(guī)范要求，船舶電網(wǎng)的總電壓諧波畸變不能超過(guò)8%，單次電壓諧波畸變不能超過(guò)5%。由表1可見(jiàn)單次電壓諧波畸變和總電壓諧波畸變都超過(guò)了船級(jí)社規(guī)范要求，5次為8.18%，7次為5.7%，都超過(guò)了5%，總電壓諧波畸變?yōu)?1.03%，也超過(guò)了規(guī)范要求的8%。

由于船舶對(duì)電網(wǎng)質(zhì)量要求高，船舶設(shè)備的可靠性尤為重要。無(wú)源電力濾波器雖然具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)，但無(wú)源濾波器的濾波效果并不理想，設(shè)計(jì)不良的無(wú)源濾波器還可能產(chǎn)生諧振，在濾除某些頻率諧波的同時(shí)導(dǎo)致另外一些頻率的諧波被放大，使電容器過(guò)載，甚至損壞。由于各種因素的制約，采用無(wú)源濾波器后，諧波水平仍達(dá)不到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。因此本船決定采用有源電力濾波器(active power filter，APF)，有源電力濾波器是電力諧波治理技術(shù)的最新發(fā)展方向，具有許多無(wú)源濾波器無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于工況變化復(fù)雜的船舶，更要采用有源電力濾波器，可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地對(duì)電網(wǎng)諧波進(jìn)行有效治理。

軟件計(jì)算出的有源電力濾波器APF容量是521.6 A，通常大家都是根據(jù)諧波計(jì)算軟件的結(jié)果來(lái)選配APF。軟件計(jì)算出的APF容量理論上要完全抵消電網(wǎng)所產(chǎn)生的最大諧波，即諧波含量基本為零。而一般工況下諧波很少達(dá)到最大值，即使達(dá)到最大值，也不一定要把諧波治理為零。對(duì)于船廠來(lái)說(shuō)，治理的目的是治理后諧波能滿足船級(jí)社規(guī)范，而成本又能控制在最低。如果根據(jù)軟件計(jì)算結(jié)果來(lái)選配APF，治理效果當(dāng)然是最好，但成本也是最高，在很多諧波含量不太高的工況下，也是一種浪費(fèi)。分析諧波計(jì)算結(jié)果，可以看出需要對(duì)5次和7次諧波進(jìn)行治理。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)來(lái)優(yōu)化計(jì)算有源電力濾波器APF的容量。

單臺(tái)發(fā)電機(jī)漏感,

3臺(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)漏感為

超標(biāo)的5次諧波電流為

=695.3 A

超標(biāo)的7次諧波電流為

=346.3A

如果需要把5次和7次諧波含量降到5%以下，總的電壓諧波畸變降到8%以下，則應(yīng)對(duì)超標(biāo)的5次和7次諧波進(jìn)行治理；經(jīng)過(guò)多次優(yōu)化組合，決定治理后的5次諧波含量為4.5%，7次諧波含量為4.5%，其它次數(shù)諧波含量不變。由此計(jì)算治理后的總電壓諧波畸變?nèi)缦隆?/p>

總電壓諧波畸變?yōu)?/p>

=7.92%<8%

5次諧波治理比例為

=44.99%

7次諧波治理比例為

=21.05%

治理5次諧波需要的容量為

IAPF5=1.3I5K5=13×695.3×44.99%

=406.6A

治理7次諧波需要的容量為

IAPF7=1.3I7K7=13×346.3×21.05%

=94.7A

有源電力濾波器APF總?cè)萘繛?/p>

=417.5A

通過(guò)計(jì)算結(jié)果可知，至少需要配置417.5 A的有源電力濾波器APF，而軟件計(jì)算的APF容量為521.6 A，可見(jiàn)優(yōu)化計(jì)算來(lái)選擇的APF容量減少了100 A左右，至少可以節(jié)省成本人民幣17萬(wàn)元。

如圖1所示，變頻器組分別通過(guò)1 600 A主斷路器連接在主配電板左、右母排，由于有源電力濾波器APF電流與變頻器電流相位相反來(lái)相互抵消，流過(guò)斷路器的電流不會(huì)增加，因此APF輸入點(diǎn)可以連接在變頻器組斷路器的下端，這樣可以不用單獨(dú)為APF配置斷路器。因此左、右各配置一套210 A的有源電力濾波器，總?cè)萘繛?20 A。

圖1 有源濾波器APF安裝示意

4 結(jié)論

有源電力濾波器APF在50 000 t成品油船上安裝使用后，利用諧波測(cè)量?jī)x器對(duì)各種工況的諧波進(jìn)行實(shí)測(cè)，測(cè)出最大5次電壓諧波含量為4.54%，7次電壓諧波含量為4.52%，總電壓諧波含量為7.48%，測(cè)量結(jié)果均滿足船級(jí)社規(guī)范要求。理論優(yōu)化設(shè)計(jì)的5次電壓諧波含量為4.5%，7次電壓諧波含量為4.5%，總電壓諧波含量為7.4%。實(shí)測(cè)結(jié)果與優(yōu)化設(shè)計(jì)治理后的諧波含量非常接近，由此可見(jiàn)此設(shè)計(jì)方案合理可行。

諧波軟件計(jì)算的結(jié)果是把諧波治理到接近零，并沒(méi)有考慮治理效果和控制成本的最佳結(jié)合。因此既要考慮治理后能滿足船級(jí)社要求，又要把成本控制在最低，不能直接根據(jù)軟件計(jì)算容量來(lái)選配有源電力濾波器APF，而是要根據(jù)軟件計(jì)算的諧波含量，然后再優(yōu)化計(jì)算，來(lái)選擇恰當(dāng)?shù)臑V波器容量。

[1] 宋文南，劉寶仁.電力系統(tǒng)諧波分析[M].北京：水利電力出版社，1995.

[2] 趙 勇.配電系統(tǒng)諧波建模識(shí)別和抑制的研究[D].西安：西安交通大學(xué)，2002.

[3] 中國(guó)船級(jí)社.鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2009.

[4] GB/T14594—1993.電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1994.

[5] GB/T26868—2011.濾波裝置設(shè)計(jì)與應(yīng)用導(dǎo)則[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.