一種船舶岸邊供電系統(tǒng)的雙頻方案設(shè)計

田立秋

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué)，山東 青島266109)

0 引 言

隨著中國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，各國船運貿(mào)易隨之擴大，而伴隨的是船舶體積增大及船只數(shù)量的大規(guī)模擴張，由此帶來燃油的耗能增大以及海面污染問題。而利用船舶在港口泊位期間使用岸邊供電系統(tǒng)［1－2］替代自身發(fā)電機已經(jīng)成為船舶航行中必不可少的部分，對有效降低油耗以及海面污染具有十分重要的意義。

離岸供電系統(tǒng)，按照電壓幅值分為高壓供電及低壓供電［3］。低壓電源幅值為440 V/960 V，其只適用于向低壓船舶進行供電［4］。而幅值高于6.6 kV/11 kV 稱為高壓岸電電源，其既可向低壓船舶供電，也可以通過變頻器為中壓船舶供電。現(xiàn)在世界絕大多數(shù)港口多采用高壓供電方式，在相同需求的功率下，高壓供電輸送到船舶的電流只需低壓的1/20 左右，簡化了岸基電源與船舶電力系統(tǒng)的連接方式;同時，高壓方式也能夠提高供電電源的使用效率。

岸基高壓電源對低壓船舶供電，需要進行變頻，其產(chǎn)生的諧波對船舶自身的電力系統(tǒng)會造成極大的危害，并影響岸基電網(wǎng)的供電效率。本文研究岸基高壓電源系統(tǒng)及諧波產(chǎn)生原理，在此基礎(chǔ)上提出了一種高壓雙頻電路來抑制高壓電源供電過程中產(chǎn)生的諧波，并通過實驗證明方法的有效性。

1 岸基高壓供電系統(tǒng)分析

本節(jié)分析現(xiàn)有的高壓供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行分析。

1.1 高壓供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在岸基高壓供電系統(tǒng)中，按照其電壓幅度與其接收充電的船舶自身電力系統(tǒng)電壓等級的對比，可以分為下面4 種結(jié)構(gòu):低壓變頻器低壓受電船舶、高壓變頻器低壓受電船舶、低壓變頻器高壓受電船舶、高壓變頻器高壓受電船舶。本文對現(xiàn)階段使用最頻繁的高壓變頻器低壓受電船舶結(jié)構(gòu)進行分析，此系統(tǒng)需要對固定頻率輸入進行一系列降壓處理，最終到達受電的低壓船舶供電系統(tǒng)，整個系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 中，初始出入的電壓幅值為10 kV/50 Hz或6 kV/50 Hz，經(jīng)過固定頻率變換器、升壓變壓器、碼頭岸電箱、配電板以及降壓變壓器，最終達到低壓船舶配電板的電壓為440 V/60 Hz。其中，碼頭岸電箱與船舶岸電配電板之間通過可熱插拔的電纜直接相連;降壓變壓器根據(jù)實際情況，可由船舶自行配備，也可放置于岸口駁船上。

1.2 高壓供電系統(tǒng)中的電子變頻技術(shù)

從第1.1 節(jié)中可知，在低壓船舶接收高壓電源供電，主要是將不同頻率和幅值的高壓交流電轉(zhuǎn)變?yōu)榇肮╇娤到y(tǒng)可接收等級的交流電，其關(guān)鍵就是電子變頻技術(shù)［5］的實現(xiàn)，下面對其進行闡述。

大功率高壓變頻器主要由逆變換器與整流器組合而成。它的主要網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有:串聯(lián)二元電平線路、級聯(lián)三元電平電路以及單串多元電路結(jié)構(gòu)。這里我們以串聯(lián)二元結(jié)構(gòu)做剖析，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

由圖1 可知，電網(wǎng)的高壓交流電經(jīng)由高壓斷路器后進入變頻降壓器，圖中前半部分為逆變換器，后半部分為整流器。其中逆變換器經(jīng)由電阻和電阻組成的正弦濾波器后輸出至整流器。

圖2 串聯(lián)二元電平電路圖Fig.2 Circuit diagram of 2 serial electric switch

3 種電路結(jié)構(gòu)的變頻器各有其利弊，如串聯(lián)二元電平線路具有結(jié)構(gòu)簡單，較易實現(xiàn)，使用器件較少的特點;級聯(lián)三元電平電路具有電路結(jié)構(gòu)緊湊，電路體積小，耗能較低;單串多元電路結(jié)構(gòu)具有以上2 種優(yōu)點的集合。但是高壓變頻的3 種級聯(lián)方式都具有相同的缺點，即變頻過程中產(chǎn)生的諧波，送達船舶配電板的交流電壓對船舶自身供電系統(tǒng)易產(chǎn)生電磁干擾，造成較大的危害以及降低能源的吸收。因此，對諧波的抑制是變頻器性能的重要性能指標。本文在此基礎(chǔ)上提出一種抑制諧波的雙頻電路方案，較好地解決了變頻中的諧波震蕩，下面進行詳細介紹。

2 岸基雙頻電路抑制諧波技術(shù)

2.1 諧波分析及抑制方法

上一節(jié)分析了高壓供電系統(tǒng)中的變頻器方案，對于高壓交流電經(jīng)過整流器，由于整流器的非線性特征，引起交流電的三次及高次諧振波形，需要采取一定措施進行抑制，使初始交流電具有平穩(wěn)的波形。抑制諧波具體步驟如下:

1)對于變頻器中整流器前段增加EMI 濾波器，其由電感﹑電容的低通元器件構(gòu)成，確保整流器前端輸入電流穩(wěn)定。

2)在逆變器前側(cè)接入限流器，抑制輸入側(cè)的高壓交流電在逆變器電路中產(chǎn)生的高頻振蕩，同時也改善高壓電流波形的穩(wěn)定性。

3)在變頻器及整流器中引入雙頻脈沖諧振技術(shù)，消除3 次以上的高壓交流電諧波電流，即消除了絕大部分的諧波。

4)最后在整個變頻器輸出端前加入正弦過濾器，改變高壓電的方波波形為正弦波形，用以消除一部分3 次及以下諧波波形。

前段加入的正弦過濾器很難消除所有的3 次及以下諧波波形，還可以引入其他的一些技術(shù)，如增加過濾電容用以消除電子器件之間干擾引起的電器諧波，保護容器件的穩(wěn)定。

2.2 雙頻電路抑制諧波

圖3 雙頻抑制諧波電路圖Fig.3 Circuit diagram of dual band to reduce power grid

雙頻電路抑制3 次以上的高壓交流電諧波的原理圖如圖3所示。圖3 為雙頻電路抑制諧波的電路原理圖，它由12個IGBT 直流行整流母線組成，分為T1和T2兩部分。其中T1對出入的高壓交流電傅里葉級數(shù)為:

T2端的接入電壓相位比T1端電壓相位小30°，同樣可以推出T2端電流相位比T1端小30°，則對T2端電流進行傅里葉展開得:

則經(jīng)過雙頻電路T1和T2兩部分的合成電流為:

可看出，雙頻抑制諧波電路對高頻電流產(chǎn)生的3，5，7，9 次諧波通過合成互相抵消，而11，13，17，19 諧波沒有得到消除，與基數(shù)小的諧波相比，遺留的諧波振蕩幅度明顯衰退，表1 列出了通過雙頻抑制諧波電路后的諧波能量與之前的比較。

表1 各階諧波理論值Tab.1 Theoretical value of power grid

由表得出，使用雙頻抑制諧波電路后，諧波脈沖能量最大的5，7，9 等諧波被濾除，達到了很好的抑制諧波的效果。

2.3 EMI 濾波及正弦濾波

EMI 濾波目的是使輸入整流器的高壓交流電電流穩(wěn)定，抑制離岸供電系統(tǒng)中產(chǎn)生的電磁干擾信號，穩(wěn)定電網(wǎng)能量。它由電容C 及電感L 組成，通過抑制大型電子電路設(shè)備中的電磁輻射耦合以及電纜傳導(dǎo)耦合來對干擾性能進行屏蔽。EMI 是大型電子設(shè)備中非常重要的抗干擾器件。

正弦濾波用在整個雙頻抑制諧波電路末端，通過對流入的余量諧波設(shè)置一個低阻抗的過濾通路，是最終輸出的高壓交流電流擁有較小的波形畸形，電壓波形更加平穩(wěn)。正弦濾波器件是由濾波電阻﹑濾波電容以及電抗器組成。也是整個雙頻抑制諧波電路中不可缺少的重要部位。

3 雙頻電路抑制諧波實驗分析

低壓船舶接入帶有雙頻諧波抑制電路的岸基供電系統(tǒng)，外部氣溫條件為2°～11°，相對濕度≤89%。表2 為沒有接入雙頻抑制諧波電路后的岸基供電系統(tǒng)測試結(jié)果，表3 為接入雙頻抑制諧波電路后的岸基供電系統(tǒng)測試結(jié)果。

表2 非雙頻諧波抑制供電系統(tǒng)實驗參數(shù)值Tab.2 The experimental results of power supply system not used dual band circuit

表3 非雙頻諧波抑制供電系統(tǒng)實驗參數(shù)值Tab.3 The experimental results of power supply system not used dual band circuit

表2和表3分析可看出，帶有雙頻諧波抑制電路岸基供電系統(tǒng)最終提供給低壓受電船舶的電壓﹑電流以及交流電頻率區(qū)域穩(wěn)定，振幅較小，最終導(dǎo)致的電壓幅度失真率變窄，同時對能量的使用率有較好的提升。圖4 給出了岸基供電系統(tǒng)使用雙頻諧波抑制電路前后的電壓幅度失真率比較圖。

圖4 電壓幅值失真率曲線比較圖Fig.4 The compared curve graph of voltage distortion rate

4 結(jié) 語

本文研究了岸基供電系統(tǒng)中的變頻技術(shù)，對串聯(lián)二元電平線路進行原理剖析，分析了其中的利弊。重點討論了變頻器輸入端的諧波電流，闡述了諧波電流產(chǎn)生的原因以及諧波對整個岸基供電系統(tǒng)帶來的損害;最后提出雙頻電路抑制諧波電路解決方案，電路分為T1和T2兩部，并且T1和T2端輸出電流具有30°相位差，這樣利用對兩端電流傅里葉級數(shù)展開，通過求和可以消除大部分3 次及以上部分諧波振蕩，在通過最后的正弦濾波器，則可消除3 次以下諧波，有效地避免了諧波對整個供電系統(tǒng)的損傷。

另外，此方式雖消除了大部分的諧波振蕩，但是有部分諧波并不能消除，這也是諧波抑制技術(shù)需要改進的地方。

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