船舶電力推進系統(tǒng)混合型諧波處理技術分析

董曉妮,左明亮,蔡計強

(1北車船舶與海洋工程發(fā)展有限公司,上海201206; 2中國水產科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所,上海200092)

漁業(yè)裝備

船舶電力推進系統(tǒng)混合型諧波處理技術分析

董曉妮1,左明亮1,蔡計強2

(1北車船舶與海洋工程發(fā)展有限公司,上海201206; 2中國水產科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所,上海200092)

針對船舶交流電力推進系統(tǒng)在使用中的諧波干擾和危害問題,對目前已經應用的幾種船用諧波抑制方式,包括無源濾波(PE)、有源濾波(APF)、多脈沖整流濾波和脈沖寬度調制(PWM)整流等多種方案進行了優(yōu)劣勢比較,從實際應用的角度出發(fā),設計了一種將有源濾波與無源濾波結合使用的混合型濾波器,并將其應用于船舶電力推進系統(tǒng);介紹了系統(tǒng)結構、控制電路工作原理。以實船測試數(shù)據為依據,對無源濾波和混合濾波系統(tǒng)進行了對比分析,得出了混合濾波系統(tǒng)的濾波效果更優(yōu),性價比更高的結論,為漁業(yè)和其他類型的船舶電力推進系統(tǒng)諧波抑制設計提供了一種新的解決方案。

諧波;混合型濾波器;電力推進系統(tǒng);船舶

船舶電力推進系統(tǒng)中變頻負載的存在,導致諧波電流和諧波電壓的出現(xiàn),使得船上其他用電設備所處環(huán)境惡化,同時對通導和控制系統(tǒng)帶來惡劣影響。諧波對電站和其他船用設備的危害主要表現(xiàn)在:增加系統(tǒng)附加損耗,降低設備的效率和利用率;影響各種電氣設備的正常工作;導致配電設備、控制設備的繼電保護和自動裝置的誤動作[1-5]。因此,各船級社均對船舶電站的諧波含量提出了要求[2-3]。交流電力推進系統(tǒng)首先要解決的就是諧波問題。目前,已應用于電力推進系統(tǒng)的諧波抑制技術有無源濾波(PF)、有源濾波(APF)、多脈沖整流和脈沖寬度調制(PWM)整流。前兩種屬于被動濾波,是在電力推進系統(tǒng)中另外增加設備來消除諧波;后兩種屬于主動濾波,是對變頻器的整流部分進行改進,限制其產生諧波含量。

以上幾種濾波方式均可滿足船級社的規(guī)范和船舶安全運行要求,但也有不足之處。無源濾波諧波抑制效果一般,易受系統(tǒng)特性參數(shù)影響,易與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振,但成本低;有源濾波動態(tài)性響應快,補償效果好,不受系統(tǒng)特性影響[4],但主電路功率器件既承受諧波電壓又承受基波電壓,對其耐壓等級要求較高,而且諧波全由APF補償,因而要求APF容量較大,造價高;多脈沖整流,12脈沖整流諧波抑制效果不能滿足規(guī)范要求,至少要用18脈沖、24脈沖或虛擬24脈沖整流,系統(tǒng)需要增加體積和重量都較大的移相變壓器,而且脈沖數(shù)越多,變壓器和變頻器整流部分也越復雜,并且在三相電源不平衡時,諧波抑制效果也會受到影響;PWM整流諧波抑制效果良好,但造價高,而且會引起開關頻率整數(shù)倍附近的高次諧波[6]。

本文從實際應用的角度出發(fā),提出將有源和無源兩種濾波器混合應用于船舶電力推進系統(tǒng)的濾波形式,使兩種濾波裝置充分發(fā)揮各自優(yōu)勢,以達到更優(yōu)異的諧波抑制效果,同時還可以降低投資,為后續(xù)電力推進系統(tǒng)提供一種新的設計方案。

1 混合型濾波器型式及電力推進系統(tǒng)適用性分析

混合型濾波器由有源濾波和無源濾波兩種裝置組成,主要是為了彌補它們分別獨立承擔濾波任務時的缺陷[7-8]。無源濾波器單獨使用時濾波效果差,易受到系統(tǒng)阻抗特性參數(shù)變化的影響并引起諧振。有源濾波器單獨使用時容量大、成本高。將兩者混合應用,互相取長補短,可以達到既降低成本又取得良好濾波效果的目的[9-10]。

混合型濾波器按照混合使用方式又可以分為兩大類:一類是并聯(lián)混合型濾波器[11-12],其中又可分為并聯(lián)APF與并聯(lián) PF混合型[13]、APF和PF串聯(lián)后與電網并聯(lián)混合型[14]以及注入回路方式等3種;另一類是串聯(lián)混合型,因其是將APF串聯(lián)于電路中,需要增加耦合變壓器;并聯(lián)混合型中的注入回路方式也需要在電路中串入電抗[15]。這兩種型式均使線路更加復雜,不適用于船舶電力推進系統(tǒng),故本研究對此兩種型式濾波器不做進一步探討分析。

并聯(lián)APF與并聯(lián)PF混合型是指有源濾波器和無源濾波器均與船用變頻負載共同并聯(lián)接入船舶電站,兩者共同承擔補償抑制諧波的任務。當無源濾波器單獨承擔濾波任務時,出于體積和重量的考慮,一般只針對5次、7次等低次諧波進行設計,屬于低通濾波器;而采用兩種型式并聯(lián)混合使用時,無源濾波器主要用于補償較高次的諧波,一方面用于消除補償電流中因有源濾波開關器件通斷引起的高次諧波,另一方面可濾除變頻負載中次數(shù)較高的諧波,屬于高通濾波器。這樣就使得對有源濾波主電路中功率器件開關頻率的要求可以有所降低。但在這種方式中,由于無源濾波器只承擔了少部分補償諧波的任務,故對有源濾波器的容量起不到很明顯的減小作用,系統(tǒng)成本較高;此外,如果有源濾波器發(fā)生故障,無源濾波器的濾波效果將會大大下降,系統(tǒng)的電壓諧波畸變率將難以滿足船級社的相關規(guī)范和安全運行要求。

APF與PF相串聯(lián)后再與電源并聯(lián)的混合型濾波器中,諧波的補償主要由PF來完成,APF則作為電流控制電壓源,產生與線路中諧波電流分量成比例的電壓,用于動態(tài)補償無源濾波器的濾波特性[16],克服無源濾波器易受系統(tǒng)阻抗的影響、易發(fā)生諧振等缺點。這種型式中,有源濾波器不直接與電站母排連接、不承受系統(tǒng)的基波電壓,可以大幅降低有源濾波器的容量[17-18]。而且,有源濾波器發(fā)生故障時不會對整個系統(tǒng)產生惡劣影響,船舶仍可保持運行。綜合考慮,APF與PF串聯(lián)后再與電站并聯(lián)的混合型濾波器更適合于船舶電力推進系統(tǒng)。

2 APF與PF串聯(lián)的并聯(lián)型船用混合濾波系統(tǒng)

在6脈波電力推進系統(tǒng)中,無源濾波器的設計只考慮了5次、7次諧波的抑制,由兩個單調諧電路組成。系統(tǒng)優(yōu)化方案必須以此為基礎,并與項目實際情況相結合,才能取得預期效果,解決實際應用問題。

系統(tǒng)采用APF與PF串聯(lián)后再與電站并聯(lián)的混合型濾波器作為優(yōu)化方案,需要增加的是有源濾波部分和耦合變壓器。系統(tǒng)的拓撲結構(以兩臺發(fā)電機組為例)主要包括電源、負載和諧波處理裝置(圖1)。電源由發(fā)電機組和配電板組成,為船舶公共電站;負載為6脈波整流的變頻器,也是系統(tǒng)最大的諧波源;諧波處理裝置為PF和APF及其附屬裝置組成的混合濾波器(圖中虛框部分)。

圖1 系統(tǒng)拓撲結構圖Fig.1 The system topological structure diagram

圖1中的混合濾波器主要由主電路和控制電路兩部分組成。主電路包含三部分:無源濾波、耦合變壓部分和有源濾波。無源濾波完成5次和7次等主要諧波的抑制;有源濾波的主電路是一個容量很小的電壓型PWM變流器;耦合變壓的作用則是為了有源部分的電壓電流等級與無源部分相匹配,并通過有源濾波的作用作為最終調節(jié)無源支路阻抗的元件?？刂齐娐钒贏PF中,其核心是通過電流互感器檢測經無源濾波后電站系統(tǒng)仍然殘存的諧波電流,對其進行快速傅里葉分解,得出各次諧波電流值,并進行計算,獲得電源系統(tǒng)中諧波電流的總值,并以此為依據,輸出PWM信號。此時,有源濾波器可被看作是一個理想的受控電壓源UC,負載諧波源被看作是一個電流源iL,這樣即可將混合濾波系統(tǒng)進行單相電路等效(圖2)。

圖2 混合濾波系統(tǒng)單相等效電路Fig.2 A single phase equivalent circuit of hybrid filter system

船舶不同運行工況下,電站會根據負載需求來決定投入發(fā)電機組的臺數(shù),故其系統(tǒng)阻抗也會隨之發(fā)生變化。當系統(tǒng)中僅有無源濾波器時,負載諧波電流均由無源濾波器補償,其補償特性取決于電源阻抗ZS和無源濾波器的總阻抗ZF。

根據圖2可得出:

式中:Ish——流入電源的諧波電流,A;ILh——負載諧波電流,A。

在某種工況下,當電源阻抗和無源濾波器的總阻抗ZF之和在某高次頻率處接近于0時,流入電源的諧波電流Ish將被放大,即發(fā)生并聯(lián)諧振現(xiàn)象;當負載較大時,電源基頻發(fā)生變化,將導致無源濾波器無法調諧到原來設定的諧波頻率,就達不到預期的濾波特性。

接入有源濾波部分后,根據檢測的電源電流諧波分量,有源濾波器輸出一定的補償電壓,通過耦合變壓器原邊對無源濾波支路進行補償。當系統(tǒng)發(fā)生諧振時,有源濾波器輸出的補償電壓使得耦合變壓器的原邊阻抗發(fā)生變化,與無源濾波部分相疊加,調節(jié)無源濾波支路總阻抗值,使得并聯(lián)諧振的條件|ZF+ZS|≈0遭到破壞,從而避免了系統(tǒng)諧振的發(fā)生。當系統(tǒng)負載較大、發(fā)電機組轉速降低而導致基頻下降時,無源濾波的諧振點會略有偏移,有源濾波仍通過對電源中諧波電流Ish的快速傅里葉分析對無源支路進行阻抗補償,使得無源支路對5、7次諧波阻抗變小,迫使諧波電流流入無源支路,從而改善了濾波效果。本質上,有源濾波器和耦合變壓器組成了一個“智能可調阻抗”,將無源濾波的特性在不同情況下調到最佳,對諧振起到破壞作用。

3 試驗驗證

試驗在自主設計研發(fā)的某漁船電力推進系統(tǒng)內進行,采用的是無源濾波。在運行過程中,出現(xiàn)了如下問題:(1)配電板發(fā)電機主開關跳閘斷電,并導致其中一臺發(fā)電機的自動電壓勵磁調節(jié)器燒毀;(2)船舶電站電壓諧波畸變率實際測試結果與設計值有一定的偏差。經深入測試分析發(fā)現(xiàn),導致發(fā)電機主開關跳閘和勵磁調節(jié)器燒毀的根本原因是無源濾波器阻抗和系統(tǒng)阻抗發(fā)生了并聯(lián)諧振;無源濾波器所固有的濾波特性受到系統(tǒng)阻抗參數(shù)變化影響,導致諧振點偏移,最終使得濾波效果有所偏差。問題1導致的結果非常嚴重,使得系統(tǒng)難以穩(wěn)定運行,必須采取措施進行解決。經多方比較,綜合考慮了諧波抑制效果、機艙空間限制、成本增加等,最終選擇增加有源部分與系統(tǒng)中無源濾波部分組成APF與PF相串聯(lián)后再與電源并聯(lián)的混合型濾波器作為優(yōu)化改進方案,并做了試驗對比。

表1、表2的數(shù)據均在電站容量相同、負載接近的情況下用FLUKE諧波測試儀所測得的電站母排公共連接處的諧波數(shù)據。

表1 無源濾波系統(tǒng)諧波測試數(shù)據Tab.1 The harmonic experimental data of passive filter system

表2 混合濾波系統(tǒng)諧波測試數(shù)據Tab.2 The harmonic experimental data of hybrid filter system

從表1、表2的數(shù)據對比可以看出,應用混合濾波系統(tǒng)時,在同樣的負載電流下,諧波電流會有一定的下降,使得電源總的電壓畸變率有所降低,效果好于單獨用無源濾波諧波抑制。如:當變頻負載電流為約150 A時,5次諧波電流由3A降低為2.2A,總電壓畸變率由3.3%降至3.2%。其主要原因是無源濾波器的設計點主要針對基頻為50Hz的5次、7次諧波,但發(fā)電機組不同于公共電網,容量較小,滿載后實際工作頻率發(fā)生變化,下降為49Hz左右,導致無源濾波器的諧振點偏移,對濾波效果有所影響,電站電壓諧波畸變率略微偏高。采用混合效果濾波系統(tǒng)以后,最明顯的是系統(tǒng)諧振現(xiàn)象消失,整個電力推進系統(tǒng)運行非常穩(wěn)定。

4 結論

如何進一步提高諧波抑制裝置的性價比是船舶交流電力推進系統(tǒng)技術研究的主要內容。實驗數(shù)據表明,APF和PF串聯(lián)后與電站并聯(lián)的混合型濾波器是目前可行的方式之一,兩者結合應用,既可克服有源濾波器容量大、成本高的缺點,又可動態(tài)補償無源濾波器的濾波特性。另外,在有源濾波器發(fā)生故障切除后,系統(tǒng)仍可獨立運行,保證船舶安全。因此,混合型濾波系統(tǒng)在電推船舶上的應用具有重要意義。

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Analysis of hybrid harmonic treatment of marine electric propulsion system

DONG Xiaoni1,ZUO Mingliang1,CAI Jiqiang2
(1 CNR Ship&Ocean Engineering Development Co.,Ltd,Shanghai 201206,China; 2 Fishery Machinery and Instrument Research Institute,Chinese Academy of Fishery Sciences,Shanghai 200092,China)

In allusion to harmonic interference and harm in application of marine AC electric propulsion system, the advantages and disadvantages of severalmarine harmonic suppressionmethods applied at present,including PF,APF,multi-pulse rectifier filter and PWM rectifier,are compared,and a hybrid filter combining PF with APF is designed from the perspective of practical application and applied tomarine electric propulsion system; the system structure and control circuit working principle are introduced.Contrastive analysis of PF and hybrid filter system is conducted based on practical ship test data,from which it is concluded that the hybrid filter system has better filtering effect and higher cost performance,thus a new solution is provided for harmonic suppression design ofmarine electric propulsion system of fishery and other industries.

harmonic;hybrid filter;electric propulsion system;ship

S972.7+4

A

1007-9580(2017)03-065-05

10.3969/j.issn.1007-9580.2017.03.011

2017-03-15

大型海上漁業(yè)綜合服務平臺總體技術研究(15DZ1202100)

董曉妮(1976—),女,高級工程師,研究方向:船舶電力推進系統(tǒng)設計。E-mail:dongxn518@163.com