LNG發(fā)電船電力系統(tǒng)高次諧波傳遞特性及抑制方法研究

上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 徐國(guó)昌 鄧艷平

滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司 段 斌 江 浩

上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 孫 佳 徐 興 蘇 政

針對(duì)高次諧波在船舶電纜和變壓器中傳遞時(shí)可能會(huì)被放大甚至引發(fā)諧振的問(wèn)題，根據(jù)發(fā)電船的典型配電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將分布電容和匝間電容考慮在內(nèi)建立電力電纜和變壓器的高次諧波等效模型，推導(dǎo)出電纜和變壓器對(duì)高次諧波的傳遞函數(shù)，分析了高次諧波在電纜和變壓器中的傳遞特性，揭示出高次諧波在發(fā)電船電力系統(tǒng)中的放大機(jī)理。提出基于虛擬阻抗的有源電力濾波器設(shè)計(jì)方法，將有源電力濾波器設(shè)計(jì)為具有高通特性的虛擬阻抗，實(shí)現(xiàn)對(duì)高次諧波的濾除。最后通過(guò)ETAP仿真軟件對(duì)理論分析進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，船舶中采用越來(lái)越多的電力電子變流器進(jìn)行電能變換，以實(shí)現(xiàn)不同船舶負(fù)荷對(duì)電能的需求。然而，這些電力電子設(shè)備在船舶上大量應(yīng)用的同時(shí)，給船舶電網(wǎng)帶來(lái)了嚴(yán)重的諧波問(wèn)題。現(xiàn)代船舶的電力系統(tǒng)諧波污染日益嚴(yán)重，電能質(zhì)量急劇下降，對(duì)船舶的導(dǎo)航系統(tǒng)、自動(dòng)化系統(tǒng)以及通信系統(tǒng)造成嚴(yán)重威脅。諧波會(huì)干擾船舶自動(dòng)化系統(tǒng)，使其運(yùn)行不正常或不能正常動(dòng)作或操作，導(dǎo)致船舶儀表設(shè)備不能正常指示或計(jì)量。諧波還會(huì)干擾船舶通訊系統(tǒng)，影響信號(hào)的正常傳遞，甚至損壞通信設(shè)備。

由于受空間的影響，船舶配電系統(tǒng)中使用了大量的電纜，電纜的對(duì)地等效電容與系統(tǒng)的感性元件極易形成串聯(lián)或并聯(lián)諧振狀態(tài)，導(dǎo)致高次諧波在電纜中傳輸時(shí)引發(fā)高次諧波諧振，危及船舶配用電設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。等效電容效應(yīng)可能對(duì)高次諧波產(chǎn)生放大甚至諧振，引發(fā)過(guò)電壓或過(guò)電流事故。

針對(duì)上述問(wèn)題，目前學(xué)者們開(kāi)展了大量研究，但還僅限于對(duì)諧波產(chǎn)生機(jī)理及其抑制方法的研究。尚未有文獻(xiàn)對(duì)高次諧波在船舶電網(wǎng)中的傳遞特性進(jìn)行研究，更未能揭示出高次諧波在船舶電網(wǎng)中的諧振放大機(jī)理，因此本文通過(guò)建立船舶電力系統(tǒng)中電纜和變壓器的高次諧波模型，研究高次諧波在船舶電力系統(tǒng)中的傳遞特性，并根據(jù)高次諧波的頻譜特性提出具有針對(duì)性的抑制方法，最后通過(guò)仿真軟件對(duì)理論分析進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

1 發(fā)電船電力系統(tǒng)的特點(diǎn)

發(fā)電船電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，發(fā)電機(jī)組發(fā)出的電能一部分通過(guò)主變壓器及高壓輸電線路輸送到陸地上面的高壓電網(wǎng)，另外一部分通過(guò)船用變壓器及電纜供發(fā)電船中的各種負(fù)荷使用。船用負(fù)荷中包含各種各樣的電力電子變流設(shè)備，其產(chǎn)生頻帶較寬的諧波。

圖1 發(fā)電船電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

與陸地電廠相比，由于受空間的限制，發(fā)電船的電纜化率比較高，電纜在高次諧波狀態(tài)下的容性效應(yīng)可能與其它感性元件形成串并聯(lián)諧振狀態(tài)，引發(fā)高次諧波諧振。過(guò)高的高次諧波電壓或電流會(huì)加速電纜絕緣的老化，降低電纜使用壽命。另外，船舶中大量使用的自動(dòng)控制系統(tǒng)容易受到高次諧波的干擾，可能導(dǎo)致自動(dòng)控制失效，通訊錯(cuò)誤甚至中斷，從而引發(fā)嚴(yán)重的安全事故。

2 高次諧波傳播特性模型

2.1 電纜模型及其傳遞特性

當(dāng)考慮電纜的分布參數(shù)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生以下分布參數(shù)：當(dāng)電流流過(guò)電纜時(shí)，沿線會(huì)存在分布電感參數(shù)L0；電壓在電纜上會(huì)產(chǎn)生并聯(lián)分布電容C0；反應(yīng)趨膚效應(yīng)的分布電阻R0；介質(zhì)非理想的導(dǎo)線間有漏電流，等效為導(dǎo)線間的分布漏電導(dǎo)G0。L0、C0、R0、G0為傳輸線原參數(shù)，如果沿線原參數(shù)處處相等，則視為均勻傳輸線，其等效電路如圖2所示。

圖2 均勻傳輸?shù)碾娎|等效電路

根據(jù)圖2可得到均勻傳輸線的偏微分方程如式(1)所示。

式中，均勻傳輸線上的電流i和電壓u隨時(shí)間t變化的同時(shí)，與距離x也有關(guān)系，這一點(diǎn)明顯區(qū)別于集總電路。

在均勻傳輸線理論中，有兩個(gè)核心參數(shù)決定了電流（電壓）的傳播特性：傳輸線的特性阻抗Z0和傳播常數(shù)γ，其中，特性阻抗定義如式(2)所示。

式中，R0為單位長(zhǎng)度電阻值；G0為單位長(zhǎng)度電導(dǎo)值；L0為單位長(zhǎng)度電感值；C0為單位長(zhǎng)度電容值。傳播常數(shù)定義如式(3)所示。

為便于對(duì)高次諧波在電纜中的傳遞特性進(jìn)行分析，假設(shè)電纜上的電容、電感為均勻分布。以圖3所示中簡(jiǎn)化的分布參數(shù)電纜模型研究高次諧波在電纜中的傳遞特性，高次諧波沿長(zhǎng)度為l的電纜從首端向末端傳播，末端接有阻抗為ZL的負(fù)載，圖中Zs為諧波電壓源等效阻抗，為電纜首段的諧波電壓，為距離電纜首端x處的諧波電壓，為電纜首端諧波電流，為距離電纜首端x處的諧波電流，為電纜末端的諧波電流。

圖3 考慮背景超高次諧波源電纜分布參數(shù)模型

式中，A和B為待定常數(shù)，滿足式(6)和式(7)中的邊界條件。

由式(1)～(4)可得到：

將式(6)、(8)和(9)分別帶入式(1)得到諧波電壓如式(10)所示。

由式(10)可得到諧波由電纜首端傳遞到x處的傳遞系數(shù)如式(11)所示。

以長(zhǎng)度為3km的船舶電纜為例，根據(jù)式(11)可以得到諧波由首端傳遞到末端時(shí)在不同位置處測(cè)得的傳遞系數(shù)隨頻率變化情況如圖4所示。可以看出由于電纜的分布電容效應(yīng)，電纜對(duì)多個(gè)頻率處的諧波存在放大作用，最大可以將諧波放大六倍左右。

圖4 電纜不同位置處的傳遞系數(shù)隨頻率變化情況

2.2 變壓器模型及其傳遞特性

在考慮高次諧波建立變壓器等效模型時(shí)，需要將匝間等效電容考慮在內(nèi)，所建單相變壓器高次諧波等效模型如圖5所示，I1為變壓器一次側(cè)電流，I2為變壓器二次側(cè)電流；R1為變壓器一次側(cè)電阻；R2為變壓器二次側(cè)電阻；L1為變壓器一次側(cè)漏電感；L2為變壓器二次側(cè)漏電感；Rm為變壓器激磁電阻；Lm為變壓器激磁電感；1為變壓器一次側(cè)層間電容；C3為變壓器二次側(cè)層間電容；C2為變壓器原副邊組間電容；U11為理想變壓器一次側(cè)電壓；U22為理想變壓器二次側(cè)電壓。

根據(jù)圖5推導(dǎo)得到高次諧波由一次側(cè)傳遞到二次側(cè)的等效傳遞函數(shù)如式(12)所示。

圖5 變壓器高次諧波等效模型

式中：

ZL為二次側(cè)所帶負(fù)載：

以變壓器二次側(cè)所接負(fù)載為感性負(fù)載為例，根據(jù)式(12)可以得到船舶變壓諧波由一次側(cè)傳遞到二次側(cè)的變化情況如圖6所示。可以看出在較低頻率處變壓器阻抗對(duì)諧波具有一定的抑制作用，而隨著頻率的增加，由于變壓器的高頻電容特性，諧波經(jīng)變壓器傳遞之后呈放大趨勢(shì)，且放大系數(shù)隨頻率的增大而增大。

圖6 變壓器傳遞系數(shù)隨頻率變化情況

3 基于虛擬阻抗的高通濾波器設(shè)計(jì)

解決電力系統(tǒng)中諧波的思路有兩種一種是裝設(shè)濾波裝置對(duì)諧波進(jìn)行補(bǔ)償，該方法廣泛適用于各種諧波源的情況；第二種思路是改進(jìn)電力電子變流設(shè)備自身結(jié)構(gòu)和控制方法，使其不產(chǎn)生諧波，該種方法對(duì)于已建成的工程較為復(fù)雜，不便于改造。

因此本文考慮采用第一種思路來(lái)解決發(fā)電船中變流器設(shè)備產(chǎn)生的高次諧波問(wèn)題。傳統(tǒng)無(wú)源濾波器將無(wú)源網(wǎng)絡(luò)的阻抗極小值設(shè)置在負(fù)載諧波對(duì)應(yīng)的頻譜上，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載諧波電流的濾除，防治諧波注入電網(wǎng)。但無(wú)源濾波器智能濾除固定次的諧波，并且可能與電網(wǎng)其它元件形成諧振。有源電力濾波器以其控制靈活的特點(diǎn)，可以對(duì)電網(wǎng)中不同頻次的諧波進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)中。

有源電力濾波器結(jié)構(gòu)如圖7(a)所示，基于電力電子變流器靈活可控的特性，可以將其控制成為具有各種頻率特性的等效阻抗，因此有源電力濾波器等效為在電網(wǎng)中接入了一個(gè)虛擬阻抗，如圖7(b)所示。通過(guò)調(diào)節(jié)虛擬阻抗的頻率特性可以將其控制成為相應(yīng)的濾波特性。

圖7 有源電力濾波器及其等效虛擬阻抗

由于發(fā)電船中電力電子變流器負(fù)載產(chǎn)生的諧波具有高頻特性，因此需要將有源電力濾波器設(shè)計(jì)為具有高通特性的阻抗才能實(shí)現(xiàn)對(duì)高次諧波的抑制。

4 仿真分析

本文采用美國(guó)OTI公司開(kāi)發(fā)的電力系統(tǒng)分析計(jì)算軟件ETAP對(duì)諧波在發(fā)電船電力系統(tǒng)中的傳播情況進(jìn)行分析。根據(jù)圖1所示的發(fā)電船電力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)搭建仿真模型如圖8所示。

圖8 發(fā)電船電力系統(tǒng)仿真模型

仿真中負(fù)載1為電動(dòng)機(jī)類負(fù)載、負(fù)載2為照明類負(fù)載、負(fù)載3為變流器類負(fù)載。發(fā)電船正常運(yùn)行時(shí)在測(cè)點(diǎn)1測(cè)量得到的電壓波形如圖9所示，其對(duì)應(yīng)的電壓諧波頻譜如圖10所示。可以看出變流器負(fù)載產(chǎn)生了大量5kHz附近的諧波，這是由于變流器電力電子開(kāi)關(guān)過(guò)程產(chǎn)生的。

圖9 測(cè)點(diǎn)1處的電壓波形

諧波電壓經(jīng)過(guò)一段電纜傳遞之后，在測(cè)點(diǎn)2測(cè)量得到的時(shí)域電壓波形如圖11所示，其對(duì)應(yīng)的電壓諧波頻譜圖12所示。對(duì)比圖10和圖12可以看出5kHz附近的諧波經(jīng)一段電纜傳遞之后被放大了3倍左右。

圖10 測(cè)點(diǎn)1處電壓諧波頻譜

圖11 測(cè)點(diǎn)2處的電壓波形

圖12 測(cè)點(diǎn)2處電壓諧波頻譜

測(cè)點(diǎn)1處的諧波經(jīng)一段電纜和一級(jí)變壓器傳遞之后，在測(cè)點(diǎn)3測(cè)得的時(shí)域電壓波形如圖13所示，其對(duì)應(yīng)的諧波頻譜如圖14所示。對(duì)比圖10、圖12和圖14可以看出，經(jīng)一段電纜和一級(jí)變壓器傳遞之后，測(cè)點(diǎn)1處5kHz附近的諧波被放大了10倍左右。

圖13 測(cè)點(diǎn)3處電壓波形

圖14 測(cè)點(diǎn)3處電壓諧波頻譜

為了避免變流器負(fù)載產(chǎn)生的高次諧波向電網(wǎng)船舶電力系統(tǒng)以及電網(wǎng)中的傳遞，在測(cè)點(diǎn)2的位置加裝有源電力濾波器，并采用本文所提出的方法設(shè)計(jì)對(duì)濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)，加裝濾波器之后仿真模型如圖15所示。

圖15 測(cè)點(diǎn)2加裝高次諧波濾波器后的仿真模型

在測(cè)點(diǎn)2加裝高次諧波濾波器之后，在測(cè)點(diǎn)2處測(cè)得的電壓波形如圖16所示，其對(duì)應(yīng)的諧波頻譜如圖17所示，可以看出測(cè)點(diǎn)2處原本含量較高的5kHz附近的諧波得到了很好的抑制。

圖16 加裝濾波器之后測(cè)點(diǎn)2處的電壓波形

圖17 加裝濾波器之后測(cè)點(diǎn)2處電壓頻譜

測(cè)點(diǎn)2處加裝高次諧波濾波器之后，在測(cè)點(diǎn)3處測(cè)得的電壓波形如圖18所示，其對(duì)應(yīng)的諧波頻譜如圖19所示，可以看出由于測(cè)點(diǎn)2處的諧波含量較少，當(dāng)其經(jīng)過(guò)變壓器傳遞到測(cè)點(diǎn)3之后并未被放大很多，因此測(cè)點(diǎn)3處同樣含有較少的諧波。

圖18 加裝濾波器之后測(cè)點(diǎn)3處的電壓波形

圖19 加裝濾波器之后測(cè)點(diǎn)3處電壓頻譜

結(jié)論：本文通過(guò)建立電纜和變壓器的高次諧波模型，分別推導(dǎo)出電纜和變壓器對(duì)高次諧波電壓的傳遞函數(shù)，基于此分析了高次諧波在船舶電纜和變壓器中的傳遞特性，揭示了發(fā)電船非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波在船舶電力系統(tǒng)中發(fā)生諧振放大的機(jī)理。提出了一種基于虛擬阻抗的有源電力濾波器設(shè)計(jì)方法，并將有源電力濾波器設(shè)計(jì)為具有高通特性的虛擬阻抗，實(shí)現(xiàn)對(duì)高次諧波的濾除。通過(guò)ETAP仿真軟件驗(yàn)證了理論分析的正確性。