船舶電網(wǎng)諧波優(yōu)化治理設(shè)計

(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)計計算過程比較復(fù)雜，涉及較多安全系數(shù)的選擇，通常根據(jù)經(jīng)驗在一定范圍內(nèi)選用;同時為了滿足最大工況還必需留一定余量，結(jié)果會使所選設(shè)備容量偏大，出現(xiàn)“大馬拉小車”現(xiàn)象，既不環(huán)保，又浪費嚴(yán)重?，F(xiàn)在由于變頻設(shè)備日趨成熟穩(wěn)定，而且價格也在不斷下降，因此，目前船上電動機(jī)在需要調(diào)速的情況下，大多數(shù)選用變頻器來控制。變頻器使用后的優(yōu)點是：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，延長了設(shè)備的使用壽命。變頻器的缺點也是眾所周知的，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，諧波含量就會超出船級社規(guī)范所要求的范圍，需要對諧波進(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)和變壓器因為自身的因素，會產(chǎn)生很微小的諧波，這些諧波對電網(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，可能會超過允許范圍。

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)諧波的計算

采用傅里葉級數(shù)對非正弦波連續(xù)時間周期函數(shù)進(jìn)行分析是諧波分析計算的最基本方法。

諧波計算可以通過軟件來實現(xiàn)，把發(fā)電機(jī)、變壓器、變頻器、電纜等參數(shù)輸入后，軟件就能自動計算出各次諧波數(shù)值。諧波計算軟件有：美國的ETAP、EDSA、丹佛斯 MCT31等。

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

(1)

3 濾波器容量計算及選型

以廣船國際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臺變頻器，每臺變頻器參數(shù)為：AC450 V，60 Hz，210 kW，6脈整流，帶輸入電抗器。通過諧波計算軟件得出諧波結(jié)果見表1。

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

由于船舶對電網(wǎng)質(zhì)量要求高，船舶設(shè)備的可靠性尤為重要。無源電力濾波器雖然具有結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉等優(yōu)點，但無源濾波器的濾波效果并不理想，設(shè)計不良的無源濾波器還可能產(chǎn)生諧振，在濾除某些頻率諧波的同時導(dǎo)致另外一些頻率的諧波被放大，使電容器過載，甚至損壞。由于各種因素的制約，采用無源濾波器后，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，具有許多無源濾波器無法比擬的優(yōu)點。對于工況變化復(fù)雜的船舶，更要采用有源電力濾波器，可以實時動態(tài)地對電網(wǎng)諧波進(jìn)行有效治理。

軟件計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)諧波計算軟件的結(jié)果來選配APF。軟件計算出的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。對于船廠來說，治理的目的是治理后諧波能滿足船級社規(guī)范，而成本又能控制在最低。如果根據(jù)軟件計算結(jié)果來選配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。分析諧波計算結(jié)果，可以看出需要對5次和7次諧波進(jìn)行治理。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)來優(yōu)化計算有源電力濾波器APF的容量。

單臺發(fā)電機(jī)漏感,

3臺發(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)對超標(biāo)的5次和7次諧波進(jìn)行治理；經(jīng)過多次優(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

通過計算結(jié)果可知，至少需要配置417.5 A的有源電力濾波器APF，而軟件計算的APF容量為521.6 A，可見優(yōu)化計算來選擇的APF容量減少了100 A左右，至少可以節(jié)省成本人民幣17萬元。

如圖1所示，變頻器組分別通過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相互抵消，流過斷路器的電流不會增加，因此APF輸入點可以連接在變頻器組斷路器的下端，這樣可以不用單獨為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，利用諧波測量儀器對各種工況的諧波進(jìn)行實測，測出最大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%，測量結(jié)果均滿足船級社規(guī)范要求。理論優(yōu)化設(shè)計的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%。實測結(jié)果與優(yōu)化設(shè)計治理后的諧波含量非常接近，由此可見此設(shè)計方案合理可行。

諧波軟件計算的結(jié)果是把諧波治理到接近零，并沒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社要求，又要把成本控制在最低，不能直接根據(jù)軟件計算容量來選配有源電力濾波器APF，而是要根據(jù)軟件計算的諧波含量，然后再優(yōu)化計算，來選擇恰當(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)諧波建模識別和抑制的研究[D].西安：西安交通大學(xué)，2002.

[3] 中國船級社.鋼質(zhì)海船入級規(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：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1994.

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