岸基船用变频供电系统谐波问题的分析与处理

岸基船用变频供电系统谐波问题的分析与处理

0岸基控制乘子系统组成及原理目前，国际上一些先进港口已经采用了与港口相连的固定电网的供电，并且这种供电方式被称为“岸电技术”。岸电技术的研究、使用与推广对于保护港区、城市的环境，建设清洁、宜人的国际航运中心，无疑具有十分重要的意义。目前世界上已有的岸电项目都是60Hz港口电网向60Hz船舶电网直接供电，不涉及变频技术。然而国外船舶电网频率大多为60Hz，中国港口岸电电网频率为50Hz，所以，需要研制适合中国电制的岸电变频技术，将中国港口电网交流电变换成适合于外国船舶60Hz交流电，并且实现50Hz/60Hz双频供电。针对岸电变频电源系统中，谐波对船舶电力系统会造成巨大的危害，使电网波形受到污染，影响各种用电设备的正常工作的问题，本文论述了岸基船用变频供电系统的组成及原理。谐波抑制的方法以及电源装置的实验结果。1其他部件和器件岸基船用变频供电系统变频电源装置主要包括输入/输出开关柜、高压变压器柜、变频器柜、输出变压器柜等。除变频器外，其他部件都采用无源器件，具有极高的可靠性和稳定性。变频电源单线图见图1。1.1高压变压器设计10kV/50Hz先进入主移动舱内高压开关柜，由高压开关柜控制高压通断。采用中电电气高压变压器，将10kV/50Hz降压至690V/50Hz。高压变压器放在屏蔽盒内达到隔断变压器内外的磁场耦合作用。高压变压器选择三绕组变压器，其中一套绕组作为原绕组，另外两套绕组作为副绕组，向变频装置输出功率。高压绕组是三角形接法，副绕组一个是星形接法且由中心点引出，另一个是三角形接法，互差30uf0b0电角度。这种电路的优点是把整流电路的脉冲数由6脉冲提高到12脉冲，两个整流桥产生的5、7、17、19、……次谐波相互抵消。1.2输出开关690V/50Hz进入低压开关柜，控制低压输出通断。输入开关采用空气断路器，用于过载、过流和短路的保护。输入EMI滤波器主要用于控制和保证输入变频器的电网电能质量。1.3v/50hs交流正弦波690V/50Hz进入变频器柜的整流柜、逆变柜进行整流、逆变，将690V/50Hz变频为450V/60Hz方波，再经正弦波滤波器整流成450V/60Hz正弦波，最后输出到隔离变压器，变频部分采集输出450V/60Hz正弦波形成闭环控制，控制电压频率稳定。变频器柜内包含变频器和谐波抑制器。1.4变压器及硅钢片的设计450V/60Hz正弦波输出到隔离变压器，能有效地防止船上负载电网和岸电电网的相互干扰，保护变频电源装置不会由于负载设备的故障而造成损坏。选用环氧树脂浇注的高质量低短路阻抗干式变压器，绝缘级别为H级，是专为变频电源设备特殊设计的。其具有较低短路阻抗、低损耗、低发热量及高效率特性。硅钢片采用0.3mm高导磁晶粒取向硅钢片。干式隔离变压器可增加用电安全和防止来自电网的干扰，能有效地防止船上负载电网和岸电电网的相互干扰，同时也保护变频电源装置不会由于负载设备的故障而造成损坏。1.5岸电主控制室隔离变压器450V/60Hz输出经末端低压开关柜，通过副舱9根柔性电缆及快速插头接至船舶的岸电主控制室，供船舶设施用电。为使变频电源系统正常运行，安装了温控器、风道、4台散热风机及一台空调。2交流特性全面净化对于变频电源整流时，因非线性引起的高次谐波，采用补偿方式进行谐波抑制，确保输出具有良好的可靠性和稳定性。1)变频输入侧采用EMI滤波，滤波器由L、C（电感、电容）构成的低通器件，保证输入侧电压电流稳定；2)变频输入侧接入交流限流器，抑制输入侧和变频器内部产生高频扰动，同时改善变频器输入电流波形；3)变频采用12脉冲整流技术，可消除11次以下的输入谐波电流，抑制含量较大的谐波；4)变频输出侧采用正弦滤波器，使变频器输出电压（PWM控制）方波经滤波后，波形接近正弦波，以消除方波中的高次谐波含量对电网的污染；5)正弦滤波器一般很难达到理想效果，输出侧还需采用其他滤波技术，增加滤波电容抵制谐波，防止电气谐振。2.1多相流抑制技术2.1.1双向桥式igbt电流特性6脉冲指以6个IGBT（绝缘栅双极晶体管）组成的全桥整流，由于有6个开关脉冲对6个IGBT分别控制，所以叫6脉冲整流。当忽略三相桥式IGBT整流电路换相过程和电流脉动，假定交流侧电抗为零，直流电感为无穷大，延迟触发角a为零，则交流侧电流傅里叶级数展开为：其中：Id——直流电流平均值。由公式（1）可知，电流中含6k±1(k为正整数）次谐波，即5、7、11、13…等各次谐波，各次谐波的有效值与谐波次数成反比，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。2.1.2整流器谐波次数12脉冲是指在原有6脉冲整流的基础上，在输入端、增加移相变压器后再增加一组6脉冲整流器，使直流母线电流由12个IGBT整流完成，因此又称为12脉冲整流。图3为桥I和桥II两个三相整流电路通过变压器的不同联结构成12相整流电路。桥I的网侧电流傅立叶级数展开为：桥II网侧线电压比桥I超前30uf0b0，因网侧线电流比桥I超前30uf0b0，其傅立叶级数展开为：故合成的网侧线电流：可见，两个整流桥产生的5、7、17、19、…次谐波相互抵消，注入电网的只有12k±1(k为正整数）次谐波，即11、13、23、25等各次谐波，且有效值与谐波次数成反比，而与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。从表1可得，6脉冲整流器谐波含量最大为5次谐波、12脉冲整流器强度最大为11次谐波。随着岸电变频功率的提高，可以采用24脉冲或者36脉冲整流，以达到更好的谐波抑制效果。2.2电磁干扰的屏蔽措施EMI滤波器是由L、C构成的低通器件，主要抑制电磁干扰信号的传导干扰，用于控制和保证输入变频器的电网电能质量。在电子设备及电子产品中，电磁干扰能量可通过辐射性耦合或传导性耦合进行传输。抑制电磁干扰信号的辐射干扰，屏蔽是有效的措施；抑制电磁干扰信号的传导干扰，EMI滤波器是十分有效的器件。2.3等组合而成正弦波滤波器主要由滤波电容器、滤波电抗器、无感电阻、控制保护系统等组合而成，与谐波源并联，根据谐波电流的成份、大小及系统的无功需求情况进行设计，使得装置向谐波提供一个低阻抗通道，大部分谐波电流流入滤波装置，避免其流入电网，使电网的畸变减小。3输出侧供电时间及环境2010年3月22～23日，中海集运“新福州”轮停靠上海港外高桥二期集装箱码头，移动式岸基船用变频变压供电系统成功为“新福州”轮提供陆上电源，见图4。此次供电目的为检验2000kVA岸基变频变压电源给船上负载供电时的电气特性。供电时间为22日17:39至23日10:24，共计为船舶供电16.75h。与“新福州”轮接电时间为22日，共50min；撤电时间为23日，计25min。外部环境为风雨露天，温度-5～11℃，相对湿度≤93%。表2为移动式岸基船用变频变压供电系统输出侧测