諧波對船用發(fā)電機(jī)的影響及處理

■鄭雪連

（福建東南造船有限公司，馬尾 350015）

1 前言

在現(xiàn)代船舶建造中，船舶自動(dòng)化程度越來越高，越來越多的非線性電力電子設(shè)備被使用，如整流器、變頻調(diào)速裝置、不間斷電源、逆變器等等，對船舶電網(wǎng)而言，應(yīng)用的非線性電力設(shè)備越多，容量越大，產(chǎn)生的諧波就會(huì)使電網(wǎng)污染越嚴(yán)重，直接影響到船舶運(yùn)行的安全性、可靠性及經(jīng)濟(jì)性。本文主要講述在我廠建造的應(yīng)急救助船上，其可伸縮全向推進(jìn)器采用6脈沖變頻驅(qū)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的諧波對發(fā)電機(jī)的影響及抑制處理。

2 諧波的產(chǎn)生及其危害

2.1 諧波的產(chǎn)生

所謂諧波，簡單的說，不同于工頻的其它頻率的正弦電壓或電流，我們就認(rèn)為是諧波，諧波是工頻電壓或電流作用于非線性負(fù)載時(shí)所產(chǎn)生的，當(dāng)電流流經(jīng)負(fù)載時(shí)，與所加的電壓不呈線性關(guān)系，從而形成非正弦電流，即為諧波。例如，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能頻率是工整的50Hz，如果遇到非線性設(shè)備在電網(wǎng)中，當(dāng)這些設(shè)備工作時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生諧波，如單相整流器，就把50Hz的基波“整”成具有100Hz、150Hz、200Hz……等等成分的信號(hào)，就出現(xiàn)了諧波，這種會(huì)產(chǎn)生諧波的非線性的用電設(shè)備，我們通常稱它為諧波源。在船舶電網(wǎng)中主要的諧波源有整流器、變頻調(diào)速裝置、不間斷電源、逆變器等等。

2.2 諧波的危害

諧波的存在造成電網(wǎng)污染，使得正弦電壓波形畸變，導(dǎo)致電力系統(tǒng)中用電設(shè)備及其元器件出現(xiàn)許多異?，F(xiàn)象和故障，如旋轉(zhuǎn)電機(jī)、通信裝置、保護(hù)裝置、變壓器、電容器組等等。

2.2.1 諧波對發(fā)電機(jī)的危害有哪些：

（1）文獻(xiàn)[1]中已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)記錄了同步發(fā)電機(jī)帶整流負(fù)載的端電壓和三相電流的波形，可以清楚的看到當(dāng)發(fā)電機(jī)帶整流負(fù)載時(shí)，受負(fù)載非線性工作特性的影響，發(fā)電機(jī)的機(jī)端線電壓和三相電流的波形都發(fā)生了嚴(yán)重的畸變，含有大量的諧波。同時(shí)諧波對發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩有很大的危害，產(chǎn)生了一系列的附加諧波穩(wěn)定轉(zhuǎn)矩和脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使發(fā)電機(jī)伴隨著震動(dòng)現(xiàn)象[1]。

（2）當(dāng)發(fā)電機(jī)供電給變頻器時(shí)，由（1）我們知道三相電壓含有諧波分量，會(huì)使機(jī)端電壓和三相電流發(fā)生畸變，畸變的電壓和電流經(jīng)過電網(wǎng)傳輸給各用電設(shè)備，其產(chǎn)生的危害詳見下文2.2.2。這里我們來看看對發(fā)電機(jī)AVR（自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器）的影響，此時(shí)的自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器在疊加了較大的諧波量和基波量后除了會(huì)發(fā)熱外，其整個(gè)調(diào)節(jié)功能將受到影響，無法精準(zhǔn)地控制和調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓和無功功率，而且發(fā)熱會(huì)使絕緣介質(zhì)提前老化，從而縮短元器件的使用壽命。

（3）發(fā)電機(jī)正常工作時(shí)，由于諧波產(chǎn)生的集膚效應(yīng)使得發(fā)電機(jī)鐵磁設(shè)備損耗明顯增大，導(dǎo)致鐵芯的溫度升高，過熱，發(fā)電機(jī)出力明顯不足，絕緣介質(zhì)提前老化，從而縮短了發(fā)電機(jī)的壽命。

2.2.2 諧波對用電設(shè)備的危害

電網(wǎng)中的諧波除了對供電設(shè)備如發(fā)電機(jī)、變壓器，電力電容等產(chǎn)生危害外，對用電設(shè)備不論自身是線性負(fù)載還是非線性負(fù)載產(chǎn)生的危害也不容小覷，例如：（1）一些敏感性負(fù)載受到干擾，如：計(jì)算機(jī)出錯(cuò)、死機(jī),計(jì)算機(jī)控制的設(shè)備出現(xiàn)異常故障等；（2）保護(hù)裝置異常動(dòng)作,開關(guān)誤跳閘等；（3）使交流異步電動(dòng)機(jī)增加附加損耗，降低效率，嚴(yán)重時(shí)使電動(dòng)機(jī)過熱，當(dāng)頻率接近某零件的固有頻率時(shí)還會(huì)使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，發(fā)出很大的噪聲。(4)使船上通訊設(shè)備數(shù)據(jù)傳送發(fā)生故障、廣播間斷并伴有工頻交流噪聲等；（5）對于含有電感、電容器件的電路，將使其溫度升高，損耗增大，元器件提前老化，使用壽命明顯縮短等;（6）對于由電壓或電流信號(hào)啟動(dòng)動(dòng)作的繼電器或啟動(dòng)元件，當(dāng)基波動(dòng)作量并未達(dá)到整定值時(shí)，由于較大的諧波量和基波量疊加后的綜合量超過動(dòng)作值,將引起繼電器誤動(dòng)作。

3 治理諧波的措施及實(shí)例分析

3.1 治理諧波的措施

諧波對電力設(shè)備的危害早已被社會(huì)各界所了解，為了避免諧波導(dǎo)致的電氣設(shè)備老化，降容和損壞而提前更換設(shè)備，且使供電網(wǎng)絡(luò)更加可靠和連續(xù)性，必須采取有效的治理措施。目前最有效而且被廣泛采用的措施就是在諧波源處安裝濾波器，就近吸收諧波源產(chǎn)生的諧波電流。濾波器可分為無源濾波器和有源濾波器，它們的優(yōu)缺點(diǎn)主要是有源濾波器利用時(shí)域補(bǔ)償原理能做到適時(shí)補(bǔ)償，且不增加電網(wǎng)的容性元件，濾波效率高但是造價(jià)也高。無源濾波裝置可以吸收高次諧波，而所有濾波支路對基波呈現(xiàn)容性，正好滿足無功補(bǔ)償要求，不必另裝并聯(lián)電容器補(bǔ)償裝置，這種方法經(jīng)濟(jì)、簡便，國內(nèi)外廣泛采用。以上兩種型式濾波器各有利弊，在實(shí)際使用中應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況綜合考慮選用。

對于船舶制造業(yè)來說，考慮到船舶供電網(wǎng)絡(luò)的可靠及航行的安全，各大船級社早已經(jīng)出臺(tái)相關(guān)要求嚴(yán)格控制諧波超標(biāo)問題，比如說ABS船級社要求THDu值應(yīng)控制在8%以內(nèi)。

3.2 實(shí)例分析

3.2.1 概況

我廠建造的應(yīng)急救助船，船長60M，船寬15M，型深6.1M；入ABS級，動(dòng)力采用雙主機(jī)驅(qū)動(dòng)可調(diào)螺距螺旋槳，艏部一臺(tái)艏橫向推進(jìn)器及一臺(tái)可伸縮全向推進(jìn)器，艉部一臺(tái)艉橫向推進(jìn)器組成，其中可伸縮全向推進(jìn)器采用6脈沖變頻器驅(qū)動(dòng)，為電流源型變頻器，見圖1，由單臺(tái)軸帶發(fā)電機(jī)供電，完整電路如下圖2。

圖1

圖2

G-發(fā)電機(jī)；

品牌規(guī)格：LeroySomer/LSAM 49.1M6/4P

額定功率PN:750KVA;

額定電壓/頻率:440V/60Hz;

Xd"=0.141

FC-6脈沖變頻器；

品牌規(guī)格：Schneider(施耐德)/ATV71HC40N4;

額定功率PN:400kW;

額定電壓/頻率:440V/60Hz;

額定電流：759A;

過載能力:=1138A（過載60S）;=1252A（過載2S）;

DC扼流圈:=37.5uH（額定1160A）

M-電動(dòng)機(jī)；

額定功率：500kW;

額定電壓/頻率:440V/60Hz;

額定電流：810A;

功率因數(shù)：0.85;

效率：95.3%

3.2.2 分析

6脈沖整流電路具有結(jié)構(gòu)簡單且較為經(jīng)濟(jì)，更適用于簡單的電路當(dāng)中，但是輸入電流中會(huì)產(chǎn)生很高的諧波分量，根據(jù)6脈沖變頻電路的交流電網(wǎng)側(cè)電流諧波規(guī)律6n±1次，n=1，2，3…，可以得出諧波次數(shù)越高，幅值越小，其中5次諧波分量最高，7次諧波分量次之。下圖3為西門子公司針對各脈沖變頻器做的仿真理論值。

圖3

基于圖3給出的仿真理論值，我們可以清楚的看到6脈沖變頻器產(chǎn)生的總諧波值理論上已高達(dá)31%，實(shí)際上，該電路中影響諧波的另一重要的因數(shù)是發(fā)電機(jī)的超瞬態(tài)阻抗值Xd"，該值的設(shè)定要與系統(tǒng)短路電流及諧波值協(xié)調(diào)考慮。為使該電路的諧波值滿足ABS船級社的要求控制在8%以內(nèi)，考慮到該電路主要需要對特定次數(shù)的諧波進(jìn)行處理及補(bǔ)償功率因數(shù)，且從經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)首選是無源濾波器。目前國內(nèi)外已有相當(dāng)多的專業(yè)濾波器生產(chǎn)廠家，如西門子，ABB，施耐德，德國ELTROPLAN-REVCON等等。該項(xiàng)目選用的是德國ELTROPLAN-REVCON公司生產(chǎn)的RHF-A型無源LC濾波器，以吸收5次及7次諧波分量為目的，采用2組RHF-A型濾波器并聯(lián)方式，其中每組濾波器由電源側(cè)阻抗L0及并聯(lián)的雙LC串聯(lián)諧振回路組成，見圖4虛線框圖。其電感及電容參數(shù)的初步設(shè)定可根據(jù)文獻(xiàn)[3]給出的推導(dǎo)公式計(jì)算，再通過仿真實(shí)驗(yàn)調(diào)整參數(shù)，以達(dá)到最佳濾波效果。

圖4

3.2.3 結(jié)果

通過計(jì)算及仿真實(shí)驗(yàn)確定各參數(shù)值如下：L0=0.119mH;L1=0.27mH;L2=0.356mH;C1=300μF;C2=150μF,得出結(jié)果THD(u)為4.64%，小于8%，該電路諧波已被有效的抑制，完全滿足ABS船級社的要求，以下圖5（a）（b）及圖6分別為REVCON公司提供的該電路在使用濾波器前后的波形失真圖及柱狀分析圖。

圖5 （a）

圖5 （b）

圖6

4 小結(jié)

綜上所述，諧波的存在將降低發(fā)電機(jī)的供電質(zhì)量，使船舶電力系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，還會(huì)縮短發(fā)電機(jī)的壽命，增加船東的維修成本，必須采用有效手段予以消除。

[1]李璨.電力系統(tǒng)諧波對發(fā)電機(jī)的影響分析.電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào).2011(9).

[2]西門子.Topologies&Harmonics.

[3]茅建華.無源消諧濾波器LC 參數(shù)選擇原則的研究.電力建設(shè),2006(5].