電力推進(jìn)船舶電網(wǎng)諧波控制王平陽;賴曉陽;徐紅成【摘要】電力推進(jìn)船舶電網(wǎng)中，電力電子設(shè)備得到了廣泛的應(yīng)用.同時(shí)，船舶電網(wǎng)的諧波問題也愈發(fā)突出.本文介紹了諧波控制國家標(biāo)準(zhǔn)和各國船級社對船舶電網(wǎng)THDu(電壓總諧波畸變率)的要求，分析了船舶電網(wǎng)中的主要諧波來源,重點(diǎn)介紹兩種常用諧波抑制技術(shù)并比較其優(yōu)缺點(diǎn)，為電力推進(jìn)船舶電網(wǎng)諧波控制提出了建議.【期刊名稱】《船電技術(shù)》【年(卷)，期】2015(035)003【總頁數(shù)】4頁(P48-51)【關(guān)鍵詞】電力推進(jìn);諧波控制;移相變壓器;AFE【作者】王平陽;賴曉陽;徐紅成【作者單位】上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海200240;上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海200240;上海佳豪船舶工程設(shè)計(jì)股份有限公司，上海201612【正文語種】中文【中圖分類】TM480引言二十世紀(jì)六十年代以來,尤其從八十年代中后期至今,隨著半導(dǎo)體器件和交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)的進(jìn)步，電力推進(jìn)系統(tǒng)在船舶上的應(yīng)用迎來了一個(gè)高速發(fā)展時(shí)期。由于采用了大量的非線性裝置，如整流、逆變設(shè)備，使船舶電網(wǎng)上的諧波污染越來越嚴(yán)重。諧波污染降低了電網(wǎng)電能質(zhì)量、使發(fā)電機(jī)產(chǎn)生附加損耗，直接影響到船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性與可靠性。同時(shí)船舶電網(wǎng)與船舶各用電系統(tǒng)均緊密聯(lián)系，船舶電網(wǎng)質(zhì)量會(huì)對船舶性能產(chǎn)生很大影響。1諧波的限值標(biāo)準(zhǔn)目前我國已頒布有關(guān)諧波控制的國家標(biāo)準(zhǔn)，即中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549-1993《電能質(zhì)量-公用電網(wǎng)諧波》，對公共電網(wǎng)低壓電壓總諧波畸變率(THDu)限定在5%以下［1］。由于船舶整體環(huán)境復(fù)雜，船舶電網(wǎng)相對于公共電網(wǎng)是獨(dú)立存在的，因此其諧波的主要考察指標(biāo)是諧波電壓值。各國船級社規(guī)范中也對船舶電網(wǎng)中諧波電壓值都有明確規(guī)定：英國勞氏船級社(LR)規(guī)范規(guī)定，電壓波形的總諧波失真(THD)在所有頻率直至50倍用電頻率時(shí)，不應(yīng)超過基波的8%，且在25倍以上用電頻率的任一頻率的電壓不應(yīng)超過用電電壓基波的1.5%。中國船級社(CCS)規(guī)范規(guī)定，對于有半導(dǎo)體器件運(yùn)行的電網(wǎng)，單次諧波至15次的諧波應(yīng)不超過基波電壓的5%，其后逐漸減少，在100次諧波時(shí)應(yīng)減少到1%。挪威船級社(DNV)規(guī)范規(guī)定,船舶電網(wǎng)中電壓波形的總諧波失真不應(yīng)超過基波電壓的5%，單相諧波不應(yīng)超過3%。意大利船級社(RINA)規(guī)范規(guī)定，對于包含半導(dǎo)體變換器供電裝置的電網(wǎng)，15次及以下的諧波不允許超過基波電壓的5%，其后逐漸減少，在100次諧波時(shí)下降到1%，總諧波不超過10%。2主要諧波源在電力推進(jìn)船舶中，電網(wǎng)中的諧波主要是由非線性負(fù)載弓I起的。電網(wǎng)中的電力電子設(shè)備、電機(jī)和變壓器等負(fù)載也會(huì)產(chǎn)生大量諧波。2.1電機(jī)船舶電網(wǎng)中運(yùn)行的電機(jī)包括發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)，其中使用較為廣泛的是同步發(fā)電機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)。發(fā)電機(jī)作為船舶電網(wǎng)的電源，其發(fā)出的理想電壓波形是正弦波，但在船舶實(shí)際工況中，發(fā)電機(jī)的輸出電壓包含一定量的諧波。這是由交流發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)造成的，發(fā)電機(jī)中轉(zhuǎn)子和定子間氣隙受到鐵心、齒槽和制造工藝的影響，磁極磁場在發(fā)電機(jī)中的分布并不規(guī)律，因此無法得到理想的正弦波形產(chǎn)生諧波。國際電工委員會(huì)規(guī)定，發(fā)電機(jī)輸出端電壓在任何時(shí)刻與基波電壓的波形之差應(yīng)小于等于基波幅值的5%。結(jié)構(gòu)問題是導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)產(chǎn)生諧波的主要原因。正常運(yùn)行下電動(dòng)機(jī)的諧波發(fā)生量較少，一般在0.6%以下。隨著電機(jī)設(shè)計(jì)和制造水平的提高其諧波問題將會(huì)得到很好的抑制。單個(gè)的發(fā)電機(jī)或電動(dòng)機(jī)諧波發(fā)生量較低，但是對于船舶電網(wǎng)來說，發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的整體負(fù)載值較大，成為電網(wǎng)中主要諧波來源之一。2.2變壓器船用變壓器是船舶電網(wǎng)中的主要諧波源之一。鐵磁飽和特性即電網(wǎng)所加電壓是導(dǎo)致船用變壓器產(chǎn)生諧波的主要原因。船用變壓器所用的磁性材料一般都運(yùn)行在非線性或接近非線性區(qū)域內(nèi)，導(dǎo)致由鐵心磁化材料決定的勵(lì)磁電流是非線性的。通過分析可知，船用變壓器勵(lì)磁電流的諧波中含有全部的奇次諧波，其中3次諧波最為嚴(yán)重。船用變壓器在正常運(yùn)行時(shí)，諧波電流比較??；而當(dāng)變壓器起動(dòng)或非正常運(yùn)行、輕載運(yùn)行時(shí)，諧波電流都會(huì)有明顯的增加，且此諧波的衰減速度比較緩慢，對船舶電網(wǎng)的沖擊較大。2.3電力電子設(shè)備在船舶電力系統(tǒng)中，大量使用電力電子設(shè)備這種非線性負(fù)載會(huì)給電網(wǎng)帶來嚴(yán)重的諧波問題。船舶電力推進(jìn)的調(diào)速系統(tǒng)需通過變頻器實(shí)現(xiàn)，而推進(jìn)系統(tǒng)所用的變頻器一般是船舶電網(wǎng)中最大的負(fù)荷，是電網(wǎng)中諧波干擾的最主要來源。變頻器在工作過程中，由于不斷變換電流電壓使得輸入電壓、電流之間失去了比例關(guān)系，導(dǎo)致電網(wǎng)中電流電壓波形的非正弦畸變。這些畸變的電流電壓波形產(chǎn)生的諧波會(huì)影響到整個(gè)船舶電網(wǎng)的正常運(yùn)行，引起設(shè)備附加損耗、過熱溫升。3諧波控制方法對于電力推進(jìn)船舶，抑制和消除船舶電網(wǎng)中由變頻器產(chǎn)生的波形畸變，可以在很大程度上改善電力推進(jìn)船舶的諧波問題。結(jié)合電力推進(jìn)船舶設(shè)計(jì)建造情況，可以通過預(yù)防型諧波抑制方案進(jìn)行控制治理。預(yù)防型諧波抑制方案是從船舶自身設(shè)備的設(shè)計(jì)與制造出發(fā)，對其本身進(jìn)行改進(jìn)，限制其產(chǎn)生諧波的含量或不產(chǎn)生諧波。目前國內(nèi)電力推進(jìn)船舶上主要采用的是電壓源型交-直-交變頻器。為了達(dá)到抑制電網(wǎng)總諧波畸變率(THDu)的目的，常用的有多相整流、有源前端等技術(shù)。1)多相整流技術(shù)變頻器中的整流器一般為三相全控整流，即6脈沖整流，會(huì)產(chǎn)生5、7、11、13等次諧波，諧波含量很大。因此為了有效減少諧波，需要在變頻器前面加上移相變壓器組成12脈沖、24脈沖的結(jié)構(gòu)。移相變壓器的工作原理是利用三相變壓器一次、二次側(cè)繞組不同的聯(lián)結(jié)組別來實(shí)現(xiàn)二次側(cè)繞組電壓的不同移相,并通過相位角和相數(shù)的變換，使變壓器二次繞組的同名端線電壓之間有一個(gè)相位移。當(dāng)相位移角為30°時(shí)，組成的12脈沖三相電路如下圖，可以消除5、7、17、19、、29、31次諧波，總諧波量可減少50%；當(dāng)相位移角為15°時(shí)，組成的24脈沖三相電路如下圖。這種變頻器由兩組變壓器通過四組6脈整流橋構(gòu)成，一套變壓器的原級繞組具有約+7.5°角度偏移，第二套變壓器的原級繞組則具有約-7.5°角度偏移，當(dāng)兩套變壓器同時(shí)工作時(shí)可構(gòu)成24脈沖整流回路，可以消除11、13、35、37次諧波，總諧波量可減少80%~90%。在采用雙機(jī)雙槳的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中，若每臺推進(jìn)器都是用12脈沖變頻器拖動(dòng)，則對于整個(gè)電網(wǎng)相當(dāng)于配置了虛擬24脈沖變頻器。為滿足各國船級社對電網(wǎng)諧波的要求，多相脈沖整流技術(shù)在電力推進(jìn)船舶中得到較為廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前12脈沖整流基本可以將輸入電流總諧波失真控制在10%左右，24脈沖則可以控制在5%以內(nèi)，達(dá)到非常明顯的諧波抑制效果。有源前端(AFE)技術(shù)與多相多脈沖變頻采用不可控二極管整流裝置不同，AFE(ActiveFrontEnd)變頻在整流輸入端采用可控型電力電子器件IGBT，利用PWM整流器實(shí)現(xiàn)AC/DC的電能變換。當(dāng)正弦信號的頻率和輸入的電源頻率相同時(shí)，輸入電流也是正弦波，此時(shí)功率因數(shù)接近于1，減少了諧波電流。利用相應(yīng)的控制方式可以使輸入電壓和電流保持同相或反相，從而使前端整流器工作在逆變或者整流狀態(tài)。當(dāng)負(fù)載電動(dòng)機(jī)(即推進(jìn)電機(jī))工作在制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，PWM整流器處于逆變運(yùn)行狀態(tài)，從而把電能反饋到電網(wǎng)中。當(dāng)負(fù)載電動(dòng)機(jī)(即推進(jìn)電機(jī))工作在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，PWM整流器工作在整流狀態(tài)，通過變頻器電網(wǎng)中的能量傳輸?shù)诫妱?dòng)機(jī)，從而通過PWM整流器實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。相比其它類型的電力推進(jìn)方式，AFE變頻不需要移相變壓器，變頻器的功率因數(shù)得以控制，輸入電壓電流波形近似為正弦波，接近于完美無諧波，諧波影響已經(jīng)很小。通常情況下總電流諧波失真(THDi)小于5%,總電壓諧波失真(THDu)小于2%,遠(yuǎn)低于規(guī)范規(guī)定的THDu<5%的要求(船級社對于總電流諧波失真沒有明確要求)。因此對于基于AFE交流變頻的電力推進(jìn)系統(tǒng)的諧波計(jì)算可以大大簡化，減少了工程設(shè)計(jì)的工作量。多相整流技術(shù)與AFE技術(shù)的諧波抑制性能對比在實(shí)際應(yīng)用中，多相整流技術(shù)和AFE技術(shù)都可以使船舶電網(wǎng)電壓總諧波畸變率達(dá)到各國船級社的要求。但在具體性能和投入成本上兩種技術(shù)仍有不同。經(jīng)過多年實(shí)際應(yīng)用，多相整流是抑制電力推進(jìn)船舶電網(wǎng)諧波的有效方法，而且相數(shù)越多、相移角越小，最終變頻器注入電網(wǎng)的諧波含量越小。電力電子技術(shù)成本隨著其技術(shù)發(fā)展在不斷降低，高脈沖變頻器在電力推進(jìn)船舶中得到更為廣泛應(yīng)用。大多數(shù)電力推進(jìn)船型采用12脈沖或24脈沖甚至更高脈沖的變頻裝置，從而使船舶電網(wǎng)達(dá)到更好的諧波抑制指標(biāo)。AFE變頻器的整流端采用可控型電子器件IGBT替代不可控電子器件二極管，取消移相變壓器，保證了船舶電網(wǎng)的電能質(zhì)量更為純凈，總電壓諧波失真更低。但是由于目前船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)研發(fā)中，核心半導(dǎo)體功率器件研制技術(shù)基本都掌握在國