電力推進(jìn)船舶的電能質(zhì)量探討

丁長(zhǎng)健，王 樂(lè)，程 武，邱 赟，吳國(guó)棟

（1. 中海油基地集團(tuán)采油服務(wù)公司，天津 300452；2. 上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，電力推進(jìn)技術(shù)在各類船舶上得到了廣泛應(yīng)用。電力推進(jìn)船舶的推進(jìn)系統(tǒng)為大容量的非線性負(fù)載，推進(jìn)負(fù)荷一般也是全船最大的電力負(fù)荷。推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波電流及負(fù)荷變化所引起的電能質(zhì)量問(wèn)題日益突出，其會(huì)對(duì)各種精密設(shè)備（如通訊、導(dǎo)航、監(jiān)測(cè)報(bào)警和科考儀器等）造成不良影響，日用電器也會(huì)因電能質(zhì)量下降而縮短使用壽命。電能質(zhì)量已經(jīng)成為電力推進(jìn)船舶必須重視的問(wèn)題，需綜合考慮整個(gè)船舶電網(wǎng)的設(shè)計(jì)，優(yōu)化推進(jìn)系統(tǒng)的選型、配置與運(yùn)行工況。

本文針對(duì)電力推進(jìn)船舶的特點(diǎn)，對(duì)由非線性負(fù)載引起的電能質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行探討，提出電力推進(jìn)船舶的設(shè)計(jì)意見，為船舶綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)的選型、論證、設(shè)計(jì)和驗(yàn)收提供參考。

1 電力推進(jìn)船舶電能質(zhì)量要求

IEEE協(xié)調(diào)委員會(huì)對(duì)電能質(zhì)量的技術(shù)定義為：合格的電能質(zhì)量是指給敏感設(shè)備提供的電力和設(shè)置的接地系統(tǒng)均是適合該設(shè)備正常工作的[1-2]。通常電能質(zhì)量分類包括：電壓偏差、頻率偏差、諧波、電壓波動(dòng)與閃變、三相不平衡、電壓暫降、暫時(shí)過(guò)電壓和瞬態(tài)過(guò)電壓等。

船舶電網(wǎng)屬于容量有限的獨(dú)立電網(wǎng)，典型的電力推進(jìn)船舶電網(wǎng)單線圖如圖 1所示。船舶供電電源一般為柴油發(fā)電機(jī)組。與陸上電網(wǎng)有較大不同的是，船舶電源阻抗隨著在網(wǎng)發(fā)電機(jī)的臺(tái)數(shù)不同而發(fā)生變化，且變化范圍較大，因此其電能質(zhì)量有一定的特殊性。除傳統(tǒng)的船舶電網(wǎng)較多關(guān)注的頻率和電壓的偏差外，電力推進(jìn)船舶的電能質(zhì)量問(wèn)題中，諧波問(wèn)題更為突出。

圖1 典型電力推進(jìn)船舶電網(wǎng)單線圖

針對(duì)船舶電網(wǎng)，中國(guó)船級(jí)社《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范（2015版）》第4篇第 1章規(guī)定：電壓穩(wěn)態(tài)波動(dòng)范圍?10%～+6%，瞬態(tài)±20%，恢復(fù)時(shí)間1.5 s；頻率穩(wěn)態(tài)波動(dòng)范圍±5%，瞬態(tài)±10%，恢復(fù)時(shí)間5 s；交流電氣設(shè)備應(yīng)能在供電電源的電壓諧波成分不大于 5%的情況下正常工作；當(dāng)電源的諧波成分可能大于5%時(shí)，應(yīng)注意設(shè)備選擇，保證其正常工作。對(duì)于電力推進(jìn)船舶，第8篇第15章規(guī)定：對(duì)于有半導(dǎo)體變換器裝置運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)，單次諧波至 15次的諧波應(yīng)不超過(guò)標(biāo)稱電壓的5%，其后逐漸減少，在 100次諧波時(shí)應(yīng)減少到 1%；對(duì)于專用的系統(tǒng)，例如為電力推進(jìn)供電的配電板，總的電壓畸變應(yīng)不超過(guò)10%[3]。

2 電力推進(jìn)船舶的電能質(zhì)量問(wèn)題

電力推進(jìn)船舶的電能質(zhì)量問(wèn)題主要由大容量負(fù)載起停和非線性負(fù)載引起，分析問(wèn)題的起因和應(yīng)對(duì)措施有助于改善電能質(zhì)量。

2.1 電壓暫降

電壓暫降一般指供電電壓均方根值在短時(shí)間突然下降到額定值90%～10%的事件，瞬時(shí)吸收電能產(chǎn)生的大電流是引起電壓暫降的主因。電力推進(jìn)船舶運(yùn)行工況復(fù)雜，電網(wǎng)電壓除了受設(shè)備正常工作起停的影響外，還受到船舶航行工況的影響，經(jīng)常出現(xiàn)的加速、轉(zhuǎn)向、急停避讓等工況都會(huì)引起電壓波動(dòng)。

電壓暫降對(duì)電子設(shè)備的危害較大。船舶上大量的工業(yè)計(jì)算機(jī)、控制器及通訊導(dǎo)航等電子設(shè)備具有相似的電源結(jié)構(gòu)，一般由二極管整流器和DC/DC調(diào)節(jié)器組成，如圖2所示。

圖2 電子設(shè)備電源結(jié)構(gòu)

正常工作時(shí)，交流電經(jīng)過(guò)整流后，由電容器減小直流電壓紋波，再經(jīng)過(guò)DC/DC調(diào)節(jié)輸出設(shè)備可用的直流電壓。電壓暫降會(huì)導(dǎo)致整流后的直流側(cè)電壓過(guò)低，DC/DC輸出難以維持定值而影響設(shè)備的正常工作。

船舶電網(wǎng)電壓暫降最嚴(yán)重的情況一般發(fā)生在大容量變壓器空載合閘引起勵(lì)磁涌流和大容量感應(yīng)電動(dòng)直接啟動(dòng)的時(shí)候。推進(jìn)變壓器的容量可能與單臺(tái)發(fā)電機(jī)組相當(dāng)，在空載合閘時(shí)產(chǎn)生較大的沖擊電流，如圖 3所示，該電流會(huì)引起較大的電壓跌落，甚至引起斷路器過(guò)電流保護(hù)動(dòng)作而跳閘。為了防止這一現(xiàn)象出現(xiàn)，船舶上一般對(duì)大容量變壓器進(jìn)行預(yù)充磁操作。通常設(shè)置預(yù)充磁變壓器，先通過(guò)預(yù)充磁變壓器將推進(jìn)變壓器接入電網(wǎng)，產(chǎn)生較小的電流使推進(jìn)變壓器建立磁場(chǎng)，數(shù)秒之后再閉合推進(jìn)變壓器開關(guān)，分?jǐn)囝A(yù)充磁電路，完成推進(jìn)變壓器的啟動(dòng)。

圖3 變壓器勵(lì)磁涌流引起的電壓暫降

大容量感應(yīng)電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)的電流一般是額定電流的5倍～7倍，也會(huì)引起電壓暫降。船舶電網(wǎng)中容許直接啟動(dòng)的電動(dòng)機(jī)至少需小于發(fā)電機(jī)組額定功率的40%。為保證電能質(zhì)量，實(shí)際設(shè)計(jì)中還要降低這一比例。推進(jìn)電機(jī)一般由變頻器啟動(dòng)，這樣可有效降低對(duì)電網(wǎng)的沖擊，但轉(zhuǎn)速與功率的突加會(huì)短時(shí)吸收大量電能，引起電壓波動(dòng)。為了平衡船舶操縱性能，控制系統(tǒng)會(huì)限制推進(jìn)電機(jī)的加載時(shí)間，既保證船舶的推進(jìn)能力，又防止加載過(guò)快引起電壓暫降。此外，其他的大容量電機(jī)，如水泵、風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)等，也可配置變頻器或者軟起動(dòng)器，避免直接啟動(dòng)。

2.2 諧波

諧波是電力推進(jìn)船舶最嚴(yán)重的電能質(zhì)量問(wèn)題之一。電壓總諧波畸變率（THDv）是考核電壓諧波畸變的重要指標(biāo)。在電力推進(jìn)技術(shù)廣泛使用之前，船級(jí)社規(guī)范規(guī)定THDv≤5%。由于電力推進(jìn)的非線性負(fù)載可達(dá)電網(wǎng)容量的80%左右，各船級(jí)社都放大了這一指標(biāo)，中國(guó)船級(jí)社于2009年將推進(jìn)系統(tǒng)供電母排的THDv修改為≤10%。但日用電網(wǎng)匯流排上的THDv值還要求≤5%。

電子設(shè)備（如雷達(dá)和聲吶）對(duì)電源電壓的諧波特別敏感。有些設(shè)備需要觀察陰極射線管屏幕上的圖像，圖像的位置取決于加在射線管上的電壓瞬時(shí)值，圖像隨著電壓變化。電源電壓諧波會(huì)在信號(hào)中產(chǎn)生噪聲，造成干擾，導(dǎo)致設(shè)備輸出錯(cuò)誤的信號(hào)。

對(duì)推進(jìn)設(shè)備的設(shè)計(jì)選型可以有效地抑制諧波。諧波抑制可以分為主動(dòng)和被動(dòng)兩種。主動(dòng)諧波抑制從推進(jìn)變頻器的結(jié)構(gòu)入手，采用不控整流可通過(guò)增加脈波數(shù)降低諧波含量。三相橋式整流電路可直接形成6脈波整流，但諧波含量較高。2個(gè)或者更多的6脈波整流器經(jīng)相位移動(dòng)并聯(lián)變壓器可組成12脈、24脈波整流。一個(gè)p脈波整流器由p/6個(gè)6脈波整流器構(gòu)成，這些6脈波整流器通過(guò)一個(gè)（p/6+1）繞組的變壓器供電，變壓器二次繞組之間的相位移為360°/p。一個(gè)p脈波整流器將產(chǎn)生的諧波次數(shù)為：h=pn±1（n=1,2,3…）。例如，主推進(jìn)系統(tǒng)采用虛擬24脈波整流的方式，將2個(gè)12脈變壓器分別移相+/?7.5°，分別接于兩段母排，母排閉合運(yùn)行時(shí)形成24脈波。圖4為電力推進(jìn)船舶虛擬24脈波推進(jìn)結(jié)構(gòu)實(shí)船測(cè)試結(jié)果，可以看到：最大諧波為 23、25次特征次諧波，47、49次諧波已大幅下降，THDv等于3%，小于船級(jí)社規(guī)定上限。虛擬 24脈波整流型式可有效抑制低次諧波，滿足諧波要求，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、經(jīng)濟(jì)性好，在主推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中被廣泛采用。

圖4 虛擬24脈波推進(jìn)系統(tǒng)諧波測(cè)試

當(dāng)對(duì)諧波的要求更高時(shí)，可采用有源前端AFE變頻器，以PWM控制整流取代不控整流。PWM整流僅在開關(guān)頻率附近產(chǎn)生少量特征次諧波頻譜，如開關(guān)頻率為2 000 Hz時(shí)，僅在40次及其整數(shù)倍附近產(chǎn)生諧波，無(wú)低次諧波。

被動(dòng)諧波抑制則從電網(wǎng)入手，在諧波源附近加裝無(wú)源或有源濾波裝置消除已經(jīng)產(chǎn)生的諧波分量。當(dāng)船舶電網(wǎng)系統(tǒng)諧波抑制設(shè)計(jì)不能滿足要求時(shí)，可配置濾波裝置。

3 電力推進(jìn)船舶電網(wǎng)諧波的分析與計(jì)算

對(duì)諧波的分析與計(jì)算可有效評(píng)估電力推進(jìn)船舶系統(tǒng)配置，從而為設(shè)備的選型提供支撐依據(jù)，并降低諧波超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。諧波計(jì)算需要提供發(fā)電機(jī)和變壓器的詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)，根據(jù)這些參數(shù)，變頻器制造商根據(jù)變頻器設(shè)備的選型計(jì)算出相應(yīng)型號(hào)的諧波電流頻譜。

計(jì)算電力推進(jìn)船舶電網(wǎng)的諧波時(shí)，首先根據(jù)發(fā)電機(jī)制造商提供的參數(shù)計(jì)算出電源電抗，然后根據(jù)變頻器制造商提供的變頻器諧波電流頻譜進(jìn)行如下計(jì)算[4]。

電源電抗Xsupply為

式中：Vrms為線電壓有效值；Ss為系統(tǒng)短路容量。

根據(jù)變頻器諧波電流頻譜，計(jì)算單次諧波電流，為

h次諧波電壓Vh可用下式計(jì)算。

h次諧波電壓的百分比含量為

當(dāng)?shù)贸錾媳頂?shù)值后，可得電壓總諧波畸變率（THDv）為

或者，THDv也可由單次諧波電壓之和得到。

4 抑制諧波的措施

電力推進(jìn)船舶電壓諧波的抑制需從系統(tǒng)設(shè)計(jì)開始，綜合考慮發(fā)電機(jī)配置參數(shù)、推進(jìn)變頻器整流型式和不同變頻設(shè)備間的配合等，可從以下幾方面進(jìn)行考慮：

1）發(fā)電機(jī)作為船舶電網(wǎng)的電源，其內(nèi)部阻抗直接影響配電板母排的電壓諧波。首先需優(yōu)化發(fā)電機(jī)定子繞組的設(shè)計(jì)，減小發(fā)電機(jī)自身的諧波電壓。發(fā)電機(jī)超瞬態(tài)電抗xd〞越小，變頻器產(chǎn)生的諧波電流壓降越小，但短路電流也會(huì)隨之增大。實(shí)際設(shè)計(jì)中，將xd〞限制在12%～16%，可有效降低系統(tǒng)諧波。

2）采用不控整流裝置時(shí)，增加整流脈波數(shù)可有效消除低次諧波。

3）變壓器可以有效隔離諧波，為大量電子設(shè)備供電的分配電區(qū)域前端應(yīng)配置變壓器。

4）電子設(shè)備電源自身應(yīng)配置濾波裝置，降低電源諧波的干擾。

5）對(duì)于使用多種變頻設(shè)備的船舶電網(wǎng)，AFE變頻器產(chǎn)生的高次諧波會(huì)干擾其他整流設(shè)備，應(yīng)增加變壓器進(jìn)行隔離。

5 結(jié)論

本文針對(duì)電力推進(jìn)船舶的電能質(zhì)量進(jìn)行了深入分析，得到如下結(jié)論：方案設(shè)計(jì)階段的計(jì)算分析能有效評(píng)估電能質(zhì)量問(wèn)題；大容量負(fù)載的直接啟動(dòng)需進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，以減小對(duì)電網(wǎng)的沖擊；由特殊工況引起的電壓波動(dòng)可在控制系統(tǒng)中通過(guò)功率限制而減小；推進(jìn)系統(tǒng)整流裝置的優(yōu)化配置可有效降低母排諧波含量。以上結(jié)論可為電力推進(jìn)船舶的設(shè)計(jì)提供參考。

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