脫硫改裝中因變頻器產(chǎn)生的諧波問題

李付博，詹 波

（舟山中遠海運重工有限公司，浙江舟山 316131）

0 引言

隨著船舶節(jié)能環(huán)保要求的不斷提高，變頻器以其穩(wěn)定、高效、節(jié)能的特點，廣泛應用于各種船用設備上，通過變頻來驅動和控制風機、水泵、絞車、起重機和推進器等設備的配置已很常見。然而，由于變頻器所產(chǎn)生的諧波電流和諧波電壓對船舶電網(wǎng)及設備的影響也越發(fā)突出。

本文以某在營 25萬噸散貨船的脫硫改裝項目為背景，闡述脫硫設備加裝后引起的諧波電壓畸變情況，及其對電網(wǎng)及設備運行造成的影響，最終通過有源濾波措施使得諧波得到抑制。

1 諧波的來源及影響

1.1 船舶電網(wǎng)中的諧波來源

理想情況下，船舶電力系統(tǒng)中由發(fā)電機所提供的三相交流電源為正弦波，當船舶電網(wǎng)中連接有非線性阻抗特性的負載，使得電流波形產(chǎn)生畸變，畸變電流流經(jīng)系統(tǒng)時，在系統(tǒng)阻抗上產(chǎn)生壓降，使得電壓發(fā)生正弦波畸變，畸變電壓最終對所有負載產(chǎn)生影響，諧波電壓波圖形如圖1所示。因此，這些非線性負載也就成了船舶電網(wǎng)中的諧波源。

圖1 諧波電壓波形圖示意

本次脫硫改裝項目中，新裝船的海水泵設備通過變頻器供電和控制。因變頻器的主電路一般為交-直-交組成，即外部電源先經(jīng)過整流電路變成直流電，再通過電容器濾波后逆變?yōu)轭l率可變的交流電。在此過程中，因其非線性最終將在變頻器的輸入和輸出回路產(chǎn)生諧波電流，并匯入船舶電網(wǎng)，因此，脫硫系統(tǒng)中用于控制水泵及氣密風機的變頻器就成了船舶電網(wǎng)中的諧波源。

1.2 諧波對船舶電網(wǎng)及設備的影響

諧波是影響船舶電能質量的重要因素之一，超標諧波電流及諧波電壓的存在，對船舶電網(wǎng)及設備

運行都將造成諸多不利影響：

1）對于船舶上繼電器、斷路器、接觸器等設備元件，因受諧波影響，容易造成斷路保護裝置等元件誤動作或者不動作；

2）對于船舶上的各種電機設備，超標的諧波將影響電動馬達電磁轉矩，引起電機振動并影響馬達效率，同時造成電機溫度上升；

3）導致船舶變壓器設備導體損耗、渦流損耗、鐵蕊損耗增加；

4）導致電子感應式的儀表精度降低；

5）對船舶通導、載波設備等電子設備產(chǎn)生干擾；

6）導致電網(wǎng)損耗增加，同時造成電網(wǎng)穩(wěn)定性下降；

7）減少電氣設備壽命，甚至引發(fā)安全事故。

1.3 船級社及其他組織對諧波的要求

為保證船舶電網(wǎng)質量，防止諧波超標對船舶電網(wǎng)及設備造成危害，各船級社及組織對于船舶電網(wǎng)中的諧波指標都做了不同的要求，表1是各船級社及組織要求。

表1 各船級社及組織要求

2 工程實例

本次脫硫改裝項目船入DNV GL船級社，根據(jù)該船級社規(guī)范要求（DNV GL 2016,Part4,Chart8,Section 2 System Design），總諧波電壓畸變率不應超過8%，單次諧波不應超過5%。而根據(jù)要求，只要船舶在網(wǎng)的變頻設備容量占比大于20%，船級社就將要求核查諧波指標。

為提前掌握脫硫改裝后，變頻器引起的諧波畸變在本電網(wǎng)中的含量情況，需要在改裝工作開展前，進行諧波計算分析，最終通過計算出的結果（單次諧波電壓畸變率和總諧波電壓畸變率）來了解電網(wǎng)諧波含量情況以及是否滿足相關規(guī)范要求。

2.1 項目概況

根據(jù)脫硫系統(tǒng)工作原理，該系統(tǒng)將在船舶航行及進出港工況下持續(xù)工作。同時，因船舶工況不同，脫硫系統(tǒng)對輸入洗滌塔的海水量的需求是不同的，因此，還需要根據(jù)不同船舶運行工況，分析確定在網(wǎng)運行的海水泵（變頻負載）數(shù)量[1]。

本次脫硫改裝船項目，原船采用了三相三線絕緣制，由3臺船用柴油發(fā)電機提供電源，每臺發(fā)電機額定功率1 050 kW。因脫硫系統(tǒng)改裝需要，原船將新增 3臺海水泵，每臺海水泵額定功率為 290 kW，功率因素0.8，電壓AC 440 V，電力系統(tǒng)單線圖如圖2所示。正常情況下，3臺海水泵為兩用一備。而在進出港工況下，只需要運行1臺海水泵。原船未配置其他變頻設備，通過原船的電力負荷計算書，可以估算出原船變頻及非變頻設備負載情況，具體如表2所示。

圖2 電力系統(tǒng)單線圖

表2 改裝船舶電力負荷表

2.2 主要設備參數(shù)

1）發(fā)電機設備需要輸入數(shù)據(jù)：發(fā)電機臺數(shù)、電壓、電流、額定功率、頻率、阻抗電壓、功率因素和阻抗等參數(shù)，本船發(fā)電機具體參數(shù)及電纜信息見表3。

表3 發(fā)電機及其電纜參數(shù)

2）變壓器設備需要輸入數(shù)據(jù)：變壓器臺數(shù)、額定功率、初級電壓、次級電壓、阻抗電壓等參數(shù)，本船變壓器及連接電纜具體參數(shù)見表4。

表4 變壓器及其電纜參數(shù)

3）新裝的變頻設備需要輸入數(shù)據(jù)，如額定功率、功率因素、各次諧波電流信息等，本次脫硫改裝設備中海水泵變頻器諧波參數(shù)見表5。

表5 變頻器諧波參數(shù)

4）其他設備數(shù)據(jù)，如連接至電網(wǎng)的大功率電機的電流、電壓、額定功率等參數(shù)。

2.3 諧波計算

諧波電壓含量情況作為各規(guī)范中核查對象，可以通過計算得到其數(shù)值。其中，單次諧波電壓畸變率是指單次諧波電壓與基波電壓的比值，而總諧波電壓畸變率是除一次以外各次諧波電壓的平方根與基波的比值，主要公式如下[2-3]。

求得Z（2）

式中：Sk為電網(wǎng)短路容量，kVA；Z為電網(wǎng)阻抗，Ω。

式中：RSC為電網(wǎng)短路容量和非線性負載總容量的比率；Sl為非線性負載容量，kVA。

確定ω0。

式中：Sl為非線性負載容量，kVA；ω0為本征頻率，Hz；Ih為單次諧波電流百分比；Iv為單次諧波電流；Un為單次諧波電壓，V；n為諧波次數(shù)；VSHD為單次諧波電壓畸變率；VTHD為總諧波電壓畸變率。

1號交通洞進口土洞段采取了“不灌漿小導管超前支護、全斷面開挖、鋼支撐與系統(tǒng)錨噴支護進行一期支護”的工藝進行施工，達到了安全、快速、經(jīng)濟的施工目標，取得了顯著的經(jīng)濟與社會效益。

為簡便快速計算分析，本文借助諧波計算軟件VACON HARMONICS來對本船諧波畸變情況進行計算分析，通過軟件建立電力系統(tǒng)模型，同時導入原船主要設備參數(shù)，利用軟件分別計算不同工況下的諧波畸變情況，以得到直觀的了解，以下為軟件導出的各工況數(shù)據(jù)及圖形。

1）船舶正常航行工況下，AC 440 V匯流排處的各次諧波電壓，總諧波電壓畸變數(shù)據(jù)見表 6，電壓波形及頻譜圖見圖3和圖4。

圖3 電壓波形圖

圖4 頻譜圖

表6 各次諧波電壓、總諧波電壓畸變數(shù)據(jù)

2）船舶正常航行工況，AC 220 V匯流排處的各次諧波電壓，總諧波電壓畸變數(shù)據(jù)見表 7，電壓波形及頻譜圖見圖5和圖6。

圖5 電壓波形圖

圖6 頻譜圖

表7 各次諧波電壓、總諧波電壓畸變數(shù)據(jù)

3）船舶進出港工況，AC 440 V匯流排處的各次諧波電壓，總諧波電壓畸變數(shù)據(jù)見表 8，電壓波形及頻譜圖見圖7和圖8。

圖7 電壓波形圖

圖8 頻譜圖

表8 各次諧波電壓、總諧波電壓畸變數(shù)據(jù)

4）船舶進出港工況，AC 220 V匯流排處的各次諧波電壓，總諧波電壓畸變數(shù)據(jù)見表 9，電壓波形及頻譜圖見圖9和圖10。

圖9 電壓波形圖

圖10 頻譜圖

表9 各次諧波電壓、總諧波電壓畸變數(shù)據(jù)

針對以上幾個工況的數(shù)據(jù)，可以比較發(fā)現(xiàn)，在不同船舶工況下，單次諧波電壓畸變率均未超出規(guī)范要求值，然而，在船舶航行工況下，總諧波電壓畸變率VTHD較大，已經(jīng)超出了8%的規(guī)范要求值，AC 440 V匯流排處VTHD為9.91%，AC 220 V匯流排處VTHD為9.73%。

3 措施

從滿足規(guī)范要求和減少諧波對船舶電網(wǎng)影響的角度，需要本船在脫硫改裝時提前考慮應對措施，采取合理的方式對諧波進行抑制和消除。通常諧波電壓是由諧波電流產(chǎn)生的，因此，可以通過加裝無源濾波器或有源濾波器進行諧波抑制的方案[4]。

無源濾波器通常由電容器，電抗器組合而成，因新裝的變頻器為三相六脈整流，根據(jù)式（11）：

K=6P±1

式中：K為諧波次數(shù)；P為正整數(shù)。

諧波以第5次和第7次為主，因此，可以通過與諧波源（變頻設備）并聯(lián)5次和7次單調諧濾波器[1]，來達到減少諧波的目的，同時起到無功補償作用。

有源濾波器（APF）則是采用電力電子技術和基于高速 DSP器件的數(shù)字信號處理技術構成的諧波治理設備。有源濾波器自身就是諧波源，其依靠電力電子裝置，在檢測到系統(tǒng)諧波的同時產(chǎn)生一組和系統(tǒng)幅值相等、相位相反的諧波向量，用以抵消系統(tǒng)諧波，使其成為正弦波形。因此，有源濾波可以快速響應，動態(tài)抑制諧波，并起到無功補償作用。

相對于無源濾波器，有源濾波器選型時主要考慮諧波電流值，無需考慮電網(wǎng)阻抗，特征諧波等因素，動態(tài)抑制諧波效果更佳，也不會類似無源濾波器發(fā)生諧振的危險[5]。為此，選擇加裝有源濾波器方案更佳。

因作為諧波源的變頻器有多臺連接至電網(wǎng)，所以宜選用采用集中補償?shù)姆绞剑ㄟ^軟件計算出的諧波電流最大值為128 A，選用容量150 A的2臺有源濾波器。因此，在AC 440 V BUS1和AC 440 V BUS2兩段匯流排上分別并聯(lián)投入濾波器，電力系統(tǒng)單線圖見圖11。

圖11 電力系統(tǒng)單線圖

投入有源濾波器后，通過軟件重新計算，在船舶航行工況下，AC 440 V匯流排處的各次諧波電壓、總諧波電壓畸變數(shù)據(jù)見表10，電壓波形及頻譜圖見圖12和圖13。

圖12 電壓波形圖

圖13 頻譜圖

表10 各次諧波電壓、總諧波電壓畸變數(shù)據(jù)

投入有源濾波器后，通過軟件重新計算，在船舶航行工況下，AC 220 V匯流排處的各次諧波電壓、總諧波電壓畸變數(shù)據(jù)見表11，電壓波形及頻譜圖見圖14和圖15。

圖14 電壓波形圖

圖15 頻譜圖

表11 各次諧波電壓、總諧波電壓畸變數(shù)據(jù)

從以上圖表可以看出，經(jīng)過有源濾波器的諧波補償，船舶電網(wǎng)中的單次諧波電壓畸變率和總諧波電壓畸變率已經(jīng)實現(xiàn)了較大的下降。其中AC 440 V匯流排處的總諧波電壓畸變率已由 9.91%降為3.37%，總諧波電壓畸變率達到船級社及其他組織的要求值，諧波得到較好抑制。

實際船舶電網(wǎng)中，由于工況及負載變化等各種因素，諧波帶有一定隨機性，實船檢測的諧波數(shù)據(jù)相較軟件計算值可能會存在一定偏差。

4 結論

本文通過軟件計算諧波數(shù)據(jù)并對結果進行檢查比較，旨在了解脫硫改裝后，本型船舶電網(wǎng)中諧波含量情況。同時，也為同行提供參考，以便大家對脫硫改裝后的船舶電網(wǎng)諧波問題有更多了解和關注。