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        船舶電網(wǎng)諧波分析

        2017-09-28 03:20:40吳祖橋宋才生彭善輝
        船電技術(shù) 2017年8期
        關(guān)鍵詞:船舶

        吳祖橋,宋才生,彭善輝,張 華

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        船舶電網(wǎng)諧波分析

        吳祖橋,宋才生,彭善輝,張 華

        (舟山萬達(dá)船舶設(shè)計(jì)有限公司,浙江舟山316000)

        本文介紹了電力推進(jìn)船舶諧波,闡明了諧波產(chǎn)生的原因和諧波的危害,分析總結(jié)了抑制船舶諧波的方法和措施。

        船舶電網(wǎng) 諧波 諧波抑制

        0 引言

        近些年來,隨著電子設(shè)備和裝置在船舶系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用,尤其是在電力推進(jìn)船舶逐漸替代傳統(tǒng)柴油機(jī)推進(jìn)船舶的趨勢(shì)下,電力電子裝置和設(shè)備數(shù)量越來越多、容量越來越大,使得船舶電網(wǎng)中諧波污染問題變得尤為突出并且難以防范。對(duì)于船舶來說,電力系統(tǒng)極其重要的組成部分,因此船舶電網(wǎng)諧波對(duì)船舶安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著重大影響[1]。

        1 諧波的產(chǎn)生

        船舶電網(wǎng)中諧波的產(chǎn)生主要來源于三個(gè)方面[2]:

        1)發(fā)電機(jī)電源質(zhì)量問題導(dǎo)致產(chǎn)生諧波。由于發(fā)電機(jī)繞組和鐵心的生產(chǎn)工藝很難做到對(duì)稱和均勻,所以發(fā)電機(jī)電源將產(chǎn)生部分諧波。

        2)電網(wǎng)中電力變壓器產(chǎn)生諧波。由于電力變壓器的磁化曲線和鐵心飽和是非線性的,同時(shí)考慮其工作磁密在磁化曲線的飽和區(qū)域,磁化電流曲線為尖頂波形,其波形含有主要為3次諧波的奇次諧波。

        3)電網(wǎng)中用電設(shè)備產(chǎn)生諧波。隨著非線性電氣設(shè)備在船舶電網(wǎng)中廣泛應(yīng)用,非線性設(shè)備使得電網(wǎng)中電流為非正弦波形,導(dǎo)致電網(wǎng)中產(chǎn)生諧波,電網(wǎng)電壓處于嚴(yán)重失真狀態(tài)。

        2 諧波的危害

        2.1對(duì)船舶電網(wǎng)的危害

        在船舶電網(wǎng)中,線路上流動(dòng)的諧波電流會(huì)造成有功功率損耗。特別是當(dāng)諧波頻率高時(shí),線路上集膚效應(yīng)會(huì)使得諧波損耗比基波損耗大的多,所以電網(wǎng)諧波會(huì)導(dǎo)致輸電線路附加損耗增大[3]。

        對(duì)于基本由電纜構(gòu)成的船舶電力系統(tǒng),諧波不僅會(huì)增大線路附加損耗,而且還會(huì)引起電壓諧振,從而在線路上產(chǎn)生過電壓。這將導(dǎo)致電纜老化加快,產(chǎn)生的溫升和介質(zhì)損耗增加,甚至?xí)植糠烹?,?yán)重影響線路電纜壽命。一般而言,諧波對(duì)電纜的危害是隨著電纜額定電壓的升高而增大。

        2.2對(duì)船舶主要負(fù)載的影響

        1)電機(jī)

        電機(jī)在運(yùn)行過程中,諧波不僅會(huì)產(chǎn)生附加損耗、增加多余熱量,而且會(huì)引起諧波過電壓、超出正常值的噪聲以及機(jī)械振動(dòng),這些都會(huì)對(duì)電機(jī)的壽命產(chǎn)生影響,最嚴(yán)重時(shí)可能影響電機(jī)正常運(yùn)行。

        2)變壓器

        諧波對(duì)變壓器的影響主要是會(huì)增加變壓器損耗,包括銅損耗和鐵損耗。諧波頻率越高,集膚效應(yīng)越嚴(yán)重,鐵損耗也越大。所以,諧波中高次諧波造成的損耗更大,也更容易造成變壓器發(fā)熱。

        3)電力電容器

        電力電容器在船舶電站中常被用來補(bǔ)償感性負(fù)載。而高次諧波對(duì)于電容器表現(xiàn)出低阻抗性,導(dǎo)致流過電容器的電流增加,長時(shí)間的過流將導(dǎo)致電容器使用壽命減少,甚至?xí)霈F(xiàn)電容器爆炸的危險(xiǎn)。此外,由于諧波頻率,系統(tǒng)的感性阻抗與電容器的容性阻抗存在發(fā)生諧振的可能。

        4)變流裝置

        船舶電網(wǎng)中變流裝置不僅作為諧波源會(huì)產(chǎn)生諧波注入電網(wǎng),而且外部產(chǎn)生的諧波源又會(huì)影響變流裝置的正常運(yùn)行。當(dāng)諧波引起電壓和電流變化率升高,引起系統(tǒng)指示儀表產(chǎn)生誤差,甚至導(dǎo)致晶閘管故障時(shí),都會(huì)影響給變流裝置正常工作。

        5)控制和保護(hù)裝置

        船舶電網(wǎng)中諧波對(duì)晶體管型繼電器影響很大,對(duì)保護(hù)繼電器的性能產(chǎn)生影響,嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起控制和保護(hù)裝置的誤動(dòng)作。

        6)船舶電子通信設(shè)備

        船舶諧波對(duì)船舶電子通信設(shè)備有很大影響,特別是高次諧波對(duì)信號(hào)線路和通訊設(shè)備有很強(qiáng)的干擾作用,通訊網(wǎng)絡(luò)中的電磁效應(yīng)會(huì)發(fā)生變化,通訊載波的正常工作也受到影響。

        3 諧波治理措施

        船舶電網(wǎng)諧波會(huì)影響電能波形質(zhì)量,更嚴(yán)重危害電力系統(tǒng)各用電負(fù)荷運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。因此,為確保船舶電網(wǎng)中電能質(zhì)量的穩(wěn)定性,必須對(duì)船舶電網(wǎng)諧波進(jìn)行治理。目前,諧波治理措施主要分為兩類,即主動(dòng)型和被動(dòng)型[4]。

        3.1主動(dòng)型諧波抑制

        主動(dòng)型諧波抑制是指對(duì)電網(wǎng)中的設(shè)備自身進(jìn)行技術(shù)改進(jìn),對(duì)設(shè)備產(chǎn)生的諧波進(jìn)行抑制,從而達(dá)到減少諧波的目的。常用的主動(dòng)型諧波抑制方法有多脈整流、合理配置諧波源以及脈寬調(diào)制技術(shù)。

        1)多脈整流

        目前最常見整流相數(shù)為6脈,當(dāng)整流相數(shù)增加,由6脈增加為12脈時(shí),對(duì)幅值較小的低頻諧波有很好的消除效果,因此可以有效降低諧波電流的有效值。為抑制諧波,目前船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)一般采用12脈或者24脈變頻器進(jìn)行諧波抑制,從而降低電網(wǎng)側(cè)諧波電流。根據(jù)理論分析,隨著整流脈數(shù)增多,諧波抑制效果就越好。

        2)脈寬調(diào)制技術(shù)

        脈寬調(diào)制技術(shù)是指將指令電流信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)和高頻率載波信號(hào)相比較,電子開關(guān)器件動(dòng)作是通過PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)的,其產(chǎn)生的電流和電壓波形極其接近正弦波。因此,其諧波含量很低,能夠減小對(duì)其他用電設(shè)備的影響。但需要注意,脈寬調(diào)制技術(shù)的應(yīng)用要求變流器由可控通斷器件組成。

        3.2被動(dòng)型諧波抑制

        被動(dòng)型諧波抑制指在設(shè)備或系統(tǒng)外部增加諧波抑制裝置,對(duì)船舶電網(wǎng)諧波進(jìn)行抑制,從而達(dá)到減少諧波的目的。常用的被動(dòng)型諧波抑制有無源濾波器、有源濾波器以及混合型有源電力濾波器。

        1)無源濾波器

        顧名思義,無源濾波器是由無源器件組成的,包括電容、電感以及電阻等,其利用LC諧振原理進(jìn)行濾波。一般治理電網(wǎng)諧波時(shí),將無源濾波器安裝于諧波含量高的電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)或者靠近諧波源,利用無源器件的諧振特性對(duì)調(diào)諧頻率處諧波進(jìn)行消除。但是,無源濾波器只能針對(duì)特定次數(shù)諧波進(jìn)行濾出,濾波效果并不理想。無源濾波器的優(yōu)點(diǎn)是能進(jìn)行無功補(bǔ)償,價(jià)格實(shí)惠,維護(hù)也相對(duì)簡單。

        2)有源電力濾波器

        有源電力濾波器具有比較復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng),實(shí)際上是一個(gè)電子式諧波發(fā)生器,它是通過產(chǎn)生一個(gè)與電網(wǎng)諧波幅值相同、方向相反的諧波來消除電網(wǎng)諧波。有源電力濾波器克服了無源濾波器只能固定補(bǔ)償?shù)娜秉c(diǎn),實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償,可以既補(bǔ)諧波又補(bǔ)無功。有源濾波器與無源濾波器相比,諧波治理效果好,可以同時(shí)濾出多次和高次諧波,不會(huì)引起諧振,但價(jià)格較高。

        4 多脈整流抑制諧波

        6脈波變頻器的整流輸出電壓為每個(gè)周期有6個(gè)紋波的直流波形,每個(gè)紋波的相角為60°。將兩套三相整流橋交流輸入側(cè)的電壓相角相差30°,整流橋直流輸出側(cè)進(jìn)行串聯(lián)或者并聯(lián),則在直流側(cè)形成12脈波的直流電壓波形,通常我們稱之為12脈波整流。

        4.1 12脈波變頻器主電路

        增加了整流的脈沖數(shù)后,可以減小整流電壓的脈動(dòng),12脈波的整流電壓脈動(dòng)波寬度為30°,整流脈沖數(shù)越多,其整流輸出的脈動(dòng)頻率越高,脈動(dòng)周期越短,脈動(dòng)的幅值越小,輸出的電壓越高,即越接近交流電壓峰值。

        圖1 12脈波變頻器主電路

        圖2 12脈沖和6脈沖整流電壓波形比較

        6脈波變頻器脈動(dòng)幅度:

        W=P(1-sin60)=0.134P

        12脈波變頻器脈動(dòng)幅值:

        W=P(1-sin30)=0.034P

        4.2 12脈波變頻器諧波分析

        圖3 12脈波變頻器整流波形

        12脈波電路中,可以將變壓器設(shè)計(jì)成為一組一次繞組接成Y聯(lián)結(jié),兩組二次繞組采用三角形聯(lián)結(jié),第一組順延,=15°,即二次線電壓比一次線電壓超前15°,第二組逆延,α=-15°,即二次線電壓比一次線電壓滯后15°。

        由計(jì)算可得:

        兩式相加可得:

        a=a1+I2=

        由此可知,將變壓器設(shè)計(jì)成為一組一次繞組接成Y聯(lián)結(jié),兩組二次繞組采用三角形聯(lián)結(jié)12脈波電路時(shí),一次電流中5次,7次,17次,19次等各次諧波均被抵消,一次電流中的特征諧波為11、13、23、25、35,即12±1次諧波,其中k=1、2、3…。

        5 結(jié)束語

        本文對(duì)電力推進(jìn)船舶電網(wǎng)諧波進(jìn)行了研究,分析了諧波產(chǎn)生的原因,討論了諧波對(duì)船舶電網(wǎng)自身和重要負(fù)載的危害,分析總結(jié)了目前治理船舶電網(wǎng)諧波的措施和方法,對(duì)電力推進(jìn)船舶電網(wǎng)的安全運(yùn)行具有理論意義和實(shí)際參考價(jià)值。

        [1] 肖湘寧. 電能質(zhì)量分析與控制. 北京: 中國電力出版社, 2004.

        [2] 趙懷軍, 宋倩楠, 邱宗明等. 艦船電力系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生、危害和抑制. 船舶科學(xué)技術(shù), 29(4): 61-65.

        [3] 李先林. 電力推進(jìn)船舶電網(wǎng)諧波分析. 大連海事大學(xué)碩士學(xué)位論文, 2004.

        [4] 王兆安, 楊君, 劉進(jìn)軍. 諧波抑制和無功功率補(bǔ)償. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1998.

        Harmonic Analysis of Electric Propulsion Ship

        Wu Zuqiao, Song Caisheng, Peng Shanhui, Zhang Hua

        (Zhoushan Wonderful Marine Design Company Limited, Zhoushan 316000, Zhejiang, China)

        TM461

        A

        1003-4862(2017)08-0077-03

        2017-04-29

        吳祖橋(1972-),男,工程師。研究方向:輪機(jī)工程。

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