周祎隆，傅曉紅，夏駿

(中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011)

22 000 TEU是目前全球首款采用雙燃料推進的超大型集裝箱船，該型船與傳統(tǒng)燃油動力船舶相比，能夠減少99%的硫和固體顆粒排放量，其氮氧化物排放量也將減少85%左右，能效指數(shù)低于現(xiàn)行標準60%。為達到船東經濟環(huán)保的運營要求，本船配置有大量的變頻設備,有一套燃氣供給系統(tǒng)將燃氣輸送至主推進設備，燃氣系統(tǒng)中存在著處理和控制氣體的大功率變頻設備，其中包括將蒸發(fā)氣體增壓至設定要求的BOG(boil off gas)壓縮機和將蒸發(fā)氣體輸送到動力設備的燃氣泵組。為滿足降低能耗的設計要求，全船部分泵和風機也采用變頻控制方式。船舶電力系統(tǒng)屬于一種運行工況復雜的小型孤島電網，具有容量較小、受負荷運行變化影響明顯，抗干擾能力弱的特點。大功率變頻設備產生的高次諧波，如果不加以有效抑制，會使得船舶電網母線電壓畸變并對船舶電力系統(tǒng)造成極大的危害[1-2]，因此,船東對電能質量提出了更高的設計要求。

本船在設計之初對于電網的諧波含量進行估算，由于全船變頻設備總的額定功率超過單臺發(fā)電機容量的40%，必須采取相關諧波抑制方式才能使得諧波畸變率符合建造規(guī)格書和規(guī)范的指標要求。關于船舶諧波治理問題的研究，之前大部分的實際使用案例主要集中在采用電力推進的科考船上，對于商用運輸船舶極少有配置諧波抑制設備的案例。本船通過研究比較諧波抑制方式，提出了使用有源濾波器來抑制諧波的解決方案。

1 船舶電力系統(tǒng)諧波抑制規(guī)范要求

考慮到船舶電力系統(tǒng)運營的安全性和穩(wěn)定性，國際電工委員會(International Electrotechnical Commission,IEC)和各國船級社對于船舶電網的諧波都有嚴格的限制要求。對于船舶電網這種獨立的小型電力系統(tǒng)來說，規(guī)范主要考核的是電壓諧波總畸變率THDu(total voltage harmonic distortion)[3]，其計算公式如下：

(1)

式中:U(1)為電網中基波電壓的有效值；U(n)為電網中第n次諧波電壓的有效值。

本船入籍的法國船級社，在規(guī)范NR467,Part C,Ch 2,Sec 2，2.4中對于船舶電力系統(tǒng)中的諧波做出了電壓諧波總畸變率不超過5%，單次諧波不超過標稱電壓3%的限制要求。并且在Part C,Ch 2,Sec 3，3.22中要求在使用濾波器的船舶電力系統(tǒng)中，應該配置連續(xù)監(jiān)測母排諧波畸變的裝置。當母排諧波畸變率超過規(guī)范要求的上限值時，在船員工作的場所有報警信號提示[4]。

2 船舶電網諧波抑制方式選定

船舶電網諧波治理措施主要分為兩種：主動型諧波抑制方案；被動型諧波抑制方案[5]。主動型諧波抑制需要設備采取主動型多脈整流、多電平或脈沖寬度調制技術[6-7]，使得變頻器向交流母線不產生諧波，此種方式受到各個變頻設備由不同廠家提供的限制，難以將諧波控制在規(guī)范要求的范圍之內。被動型諧波抑制技術可以分為：無源濾波器(passive power filter,PPF)和有源濾波器(active power filter,APF)兩種形式。無源濾波器具有結構簡單，成本低廉的特點，但存在補償特性受電網系統(tǒng)阻抗的影響，電網與濾波器間可能發(fā)生串、并聯(lián)諧振使得諧波電流增加，只能濾除主要諧波不能對諧波和無功實現(xiàn)動態(tài)補償，體積大等缺點[8]。與無源濾波器相比較，有源濾波器具有以下優(yōu)點。

1)動態(tài)實時補償響應速度快、濾波范圍全、自適應能力強，可滿足不同的工況需求。

2)在濾除諧波的同時動態(tài)補償基波無功，提高系統(tǒng)功率因數(shù)。

3)可以對U、V、W三相分別補償,具有恢復三相電流平衡的功能，避免負序電流對電網及電氣設備影響。

4)濾波器獨立于電網阻抗及系統(tǒng)阻抗,不受電網阻抗和系統(tǒng)阻抗變化的影響，不會產生諧振。

5)安全性好，可抑制系統(tǒng)電壓閃變。

基于兩種濾波器自身的特點，并結合船舶電網高瞬態(tài)性能的要求，本船在設計的初始階段對于濾波器設備形式、補償容量、布置位置等技術經濟特性進行了論證[9]。最終選用了在低壓母排側并聯(lián)有源濾波器的方式來達到抑制電網諧波的目標。本船選用了4臺施耐德AccuSine型有源濾波器，容量分別是3臺300 A和1臺120 A。其基本原理是從需要諧波抑制的電網中通過電流互感器檢測出諧波電流，經控制器快速計算并提取出各次諧波電流的含量，產生諧波電流指令，然后有源濾波器通過控制快速絕緣雙極晶體管(IGBT)的通斷向電網注入一個與該諧波電流幅值相等而極性相反的補償電流，從而使得電網電流只存在基波分量[10]。施耐德AccuSine型有源濾波器可以同時濾除2～51次諧波，也可以有選擇濾除各次諧波，總諧波補償率大于95%，諧波治理全響應時間為20 ms。施耐德AccuSine型有源濾波器在產品手冊中明確說明自帶智能過溫降載功能，當環(huán)境溫度超過40 ℃時會自動降容工作，在環(huán)境溫度50 ℃以內每上升1 ℃濾波器降容2%?；谝陨锨闆r，本船選擇將4臺有源濾波器布置在配有空調柜機的高壓配電板室內，以滿足有源濾波器使用時對工作環(huán)境的需求。

3 實船建模仿真驗證

利用ETAP軟件諧波分析模塊對22 000 TEU集裝箱船進行建模仿真，計算出各典型工況下電力系統(tǒng)的諧波電壓畸變率，通過比較對在設計之初選用的有源濾波器諧波抑制方案的效果進行驗證。ETAP軟件可以計算分析電力系統(tǒng)電能質量方面的問題, 為電能質量問題的治理提供更加準確可靠的依據[11]。

3.1 電力系統(tǒng)單線圖

船舶電網的諧波畸變率是基于電力系統(tǒng)拓撲圖搭建的仿真模型進行計算的，本船電站配置為6臺AC 6.6 kV、60 Hz、3 PH的高壓發(fā)電機組，其中2臺發(fā)電機組額定輸出功率為4 150 kW，另外4臺發(fā)電機組額定輸出功率為3 690 kW，2臺6 600 V/450 V的主變壓器容量為4 800 kVA。本船電網采用了輻射形的配電網絡結構，母線電壓分為三個等級：6.6 kV、440 V、220 V，在440 V電壓等級母線上共有16套帶變頻裝置的泵組在不同工況下運行，另外4臺燃氣系統(tǒng)變頻泵組由燃氣系統(tǒng)電機控制中心供電，燃氣系統(tǒng)電機控制中心通過兩個聯(lián)絡開關與440 V母線連接，全船變頻設備功率參數(shù)見表1。本船采用對全部變頻設備諧波集中治理的方式，4臺有源濾波器并聯(lián)在440 V母排的A段，濾波器之間通過網線進行通信。22 000 TEU電力系統(tǒng)單線圖見圖1。

圖1 22 000 TEU電力系統(tǒng)單線圖

表1 變頻設備額定功率

諧波計算涉及的參數(shù)較為復雜，包括總電站的容量、單臺發(fā)電機組的容量、發(fā)電機的次瞬態(tài)電抗、變壓器的阻抗壓降、電纜的阻抗、變頻電機的阻抗等重要設備的參數(shù)。在ETAP軟件中輸入設備的實際參數(shù),發(fā)電機組、變頻電機、艏側推電機、變壓器具體數(shù)據見表2、3。并通過輸入每個變頻裝置的基本參數(shù)設定了諧波源。

表2 22 000 TEU發(fā)電機和變頻設備參數(shù)

3.2 典型工況下諧波計算對比

22 000 TEU集裝箱在實際運營中存在不同的使用狀態(tài)，通常分為航行、進出港、裝卸貨等多種工況。不同工況下由于在網發(fā)電機組數(shù)量的不同以及變頻設備運行時使用功率的變化，產生的諧波含量也是有差異的。本文選取了4種典型工況在沒有使用濾波器的情況下進行諧波計算，表4中顯示了不同工況下相對應的6.6 kV和440 V母排總諧波含量和最大單次電壓諧波含量。由計算結果可知，4種工況下的電壓諧波總畸變率和最大單次電壓諧波含量均不滿足船級社規(guī)范要求。

表3 22 000 TEU變壓器組參數(shù)

由表4對比結果可知，在不帶冷藏集裝箱的4種典型工況下，航行工況諧波含量最大。在此工況下考慮投入2臺300 A和1臺120 A的有源濾波器進行諧波治理，經過仿真計算結果可以看出電網的諧波含量發(fā)生了下降。通過有源濾波器治理后6.6 kV和440 V母線電壓諧波總畸變率分別減少為1.29%和1.67%，見表5，滿足了船級社規(guī)范的要求。由此得出，在其他3種工況下的母線電壓諧波總畸變率在使用有源濾波器后也可以控制在船級社規(guī)范要求以內。

表4 各工況下諧波畸變情況

表5 航行工況下使用有源濾波器后諧波畸變情況

3.3 最惡劣工況下諧波計算對比

為驗證配置的有源濾波器總容量是否合理，本文還針對諧波最惡劣的情況，對有源濾波器的諧波治理最大能力進行了考核。即考慮單臺額定功率為3 690 kW的發(fā)電機在網運行，所有變頻設備全部滿負荷工作的情況。在此工況下考慮投入3臺300 A和1臺120 A的有源濾波器進行諧波治理。將未使用濾波器和使用濾波器后的仿真計算數(shù)據進行對比可以得到出，見表6、7，6.6 kV母排電壓電網的電壓諧波總畸變率從19.04%下降到1.56%，440 V母排電壓電網的電壓諧波總畸變率從26.28%下降到2.01%，單次諧波沒有超過標稱電壓3%的限制要求，所有諧波畸變率都控制在了船級社規(guī)范要求的范圍內。

表6 最惡劣工況下未使用有源濾波器諧波畸變情況

以上考慮并驗證的幾種工況，全面覆蓋了本船在實際運營中存在的所有使用狀態(tài)。而且只有單臺發(fā)電機在網運行的最惡劣工況，對于會裝載大量冷藏集裝箱的集裝箱來說極少存在。

4 結論

1)為了保證22 000 TEU集裝箱船電網可靠運行，本船結合實際運行情況并對兩種被動型諧波抑制方案分析對比后，選用了在低壓母排側并聯(lián)有源濾波器的方式來達到抑制電網諧波的目標。

2)依據實船數(shù)據運用仿真軟件，對各種工況下各級母線的電壓諧波總畸變率進行計算。經過計算結果對比得出，在使用有源濾波器后，諧波畸變率均可滿足船級社規(guī)范限制要求，達到預期的效果。

3)目前對于超大型雙燃料集裝箱船諧波抑制的研究和實船使用經驗較少，隨著燃氣系統(tǒng)中變頻設備的大量使用，選擇何種方式進行諧波治理成為前期設計將面臨的重要工作，因此,本文對超大型雙燃料集裝箱船諧波抑制方案提供參考。