谐波抑制在船舶电力推进系统中的应用

1、谐波抑制在船舶电力推进系统中的应用 安科瑞戴金花 江苏安科瑞电器制造有限公司江苏江阴214405 1引言 船舶综合全电力推进系统是现行船舶平台的电力和动力两大系统发展的综合，它适合于不同种类的船舶。世界各国都在针对船舶综合全电力推进系统进行深入的研究，国外已经开发了多种类型的综合全电力推进系统并在多型船舶上应用。据统计，在80年代后期以来，发达国家新建的客轮、破冰船、渡轮约有30%已采用综合全电力推进系统，且成流行趋势；国内民用船舶中全电力推进的应用已有多种形式：如江南船厂为国外设计建造的3200吨全电力推进化学品运输船、胜利油田的"胜利232'号工程船、我国2022年交工的

2、首艘采用综合全电力推进系统的火车滚装渡船"中铁渤海一号'。作为船舶主动力系统的综合全电力推进系统由于其高效率、高可靠性、高自动化以及低维护也成为新世纪大型水面船舶青睐的主推进系统。 船舶综合全电力推进系统包括：发电、输电、配电、变电、拖动、推进、储能、监控和电力管理等诸，多功能多系统的复杂性也带来了严重的谐波污染问题。综合全电力推进系统各个功能模块是否运行良好，是否相互协调好，关系着整个综合全电力推进系统是否能具有良好的运行状态和优异的工作性能。 2谐波及波形畸变的产生和危害 2.1谐波来源 综合全电力推进系统中产生的谐波来源主要有： 1）推进同步发电机。推进同步发电机产生的

3、谐波电动势是因转子和定子之间空气隙中的磁场非正弦分布所引起的。推进同步发电机每对磁极下气隙中的磁场不可能完全按正弦分布，这是由磁极结构所决定的。因此，电动势中必然含有谐波分量。 2）变压器。变压器的励磁回路具有非线性电感，因此，励磁电流是非正弦波形，使得电流波形发生波形畸变。在空载时，非正弦的励磁电流在变压器原绕组的漏抗上产生压降，使变压器感应电势中包含谐波分量。变压器空载合闸时，常常会出现很大的励磁涌流。在严重的情况下，涌流波形强烈畸变，不但幅值可高达数十倍于额定空载电流，而且正负半波的波形极不对称。这种涌流持续时间比较长，属于准稳定的非正弦波。特征谐波是整流设备产生波形畸变的主要成分。由于

4、输电系统的电压等级高、输送功率大，即使百分数很小的谐波分量也会对低压设备及弱电设备产生不可忽视的骚扰。 3）变频器。船舶综合全电力推进系统采用变频进行调速，而谐波频率又随频率变化，这样对船舶电网的电源质量影响较大。变频电路输入电流的谐波分量十分复杂，其频率不仅和输入电源频率、变频电路的结构有关，而且和变频电路的输出频率有关。 在上述三个谐波源中推进同步发电机为谐波电压源，变压器为谐波电流源。对于谐波电流源的设备来说，即使供给它们的电压是理想的正弦波，它们所取用的电流中也会含有谐波成分。谐波的含量取决于它们本身的特性和工作状况。谐波电流注入船舶电网后，在船舶电网系统的阻抗上引起谐波压降，也会使电

5、网系统中各点的电压产生波形畸变。 2.2谐波危害 谐波是影响电能质量的重要因素之一，它通常是由电网中的非线性元件产生的。船舶电网中的谐波对船舶设备的运行会产生许多不利的影响： 1）使船舶发电机的效率降低； 2）使电气设备出现过热，振动和噪音的现象，并产生绝缘老化、使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁的结果； 3）谐波还会引起船舶继电保护和自动控制装置的可靠性降低，产生误动作； 4）谐波对通信设备和电子设备也会产生严重干扰。因此，谐波对于船舶电网是一种电磁环境的污染。 微电子设备在船舶测量、控制、保护、操作等系统中应用广泛，它对电流波形有较高的要求，易遭受谐波干扰。综合全电力推进系统产生的谐波通过船

6、舶电网对船上包括测量、保护、控制、操作等系统中的仪表、仪器和设备造成影响。如谐波对计算机的干扰主要是影响磁性元件和数据处理系统的精度和性能，从而影响计算机处理数据的质量。谐波对船舶照明及生活用电等设备的影响主要表现在增加损耗、降低寿命和运行性能劣化。谐波问题日益突出和严重，国内外都发生过因谐波而引发的重大船舶事故。特别由于变频驱动的使用，使电动机绝缘物以及电缆绝缘层迅速老化、甚至烧毁；共模电压在电机转轴上感应出高的轴电压，并形成轴承放电电流从而电腐蚀轴承，使电机在短期内报废；高频传导性和辐射性使变频驱动系统可靠性下降，故障率增加，并影响电网上的其他用电设备。因此，研究变频器所带来的负面效应及其

7、解决方法在电力推进系统中具有重要的理论意义和实用价值。 3综合电力推进系统谐波限制分析 为解决电力电子装置产生的谐波污染和低功率因数问题，传统的手段是设置无功补偿电容器和LC滤波器，这两种方法结构简单，既可以抑制谐波，又可以补偿无功功率，一直被广泛应用。但这种方法的主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，易和系统发生并联谐振，此外，此种补偿方法损耗大，又只能补偿固定频率的谐波，难以对变化的无功功率和谐波进行有效的动态补偿。而随着电力系统的发展，对无功功率和谐波进行快速动态补偿的需求越来越大。目前的趋势是采用电力电子装置进行谐波补偿，即采用有源滤波器（ActivePowerFilter，AP

8、F）。 3.1有源滤波器的优势 有源滤波器的主要优点有： （1）有源滤波装置是一个高阻抗电流源，它的接入对系统阻抗不会产生影响，因此此类装置适合系列化、规模化生产。 （2）当电网结构发生变化时装置受电网阻抗的影响不大，不存在与电网阻抗发生谐波的危险，同时还能抑制串并联谐振。 （3）原理上比PPF更为优越，用同一台装置可同时补偿多次谐波电流和非整流倍次的谐波电流，完成各次谐波的治理。 （4）实现动态补偿，可对频率和大小均变化的谐波及变化的无功功率进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应速度。 （5）由于装置本身能完成输出限制，当线路中的谐波电流突然增大时有源滤波器不会发生过载，并且能正常发挥作用，不需要与系统断开。 （6）具备多种补偿功能，可以对无功功率和负序进行补偿。 （7）谐波补偿特性不受电网频率变化的影响。 （8）可以对多个谐波源进行集中治理。 3.2ANAPF系列有源电力滤波装置 安科瑞公司ANAPF系列有源电力滤波装置作为一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，可克服LC滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点，实现了动态跟踪补偿，是谐波治理和无功补偿的最佳选择，是确保海上平台电力系统稳定运行的有力保障。 3.