22 000 TEU集裝箱船電力系統(tǒng)諧波抑制方案

周祎隆，傅曉紅，夏駿

(中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011)

22 000 TEU是目前全球首款采用雙燃料推進(jìn)的超大型集裝箱船，該型船與傳統(tǒng)燃油動(dòng)力船舶相比，能夠減少99%的硫和固體顆粒排放量，其氮氧化物排放量也將減少85%左右，能效指數(shù)低于現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)60%。為達(dá)到船東經(jīng)濟(jì)環(huán)保的運(yùn)營(yíng)要求，本船配置有大量的變頻設(shè)備,有一套燃?xì)夤┙o系統(tǒng)將燃?xì)廨斔椭林魍七M(jìn)設(shè)備，燃?xì)庀到y(tǒng)中存在著處理和控制氣體的大功率變頻設(shè)備，其中包括將蒸發(fā)氣體增壓至設(shè)定要求的BOG(boil off gas)壓縮機(jī)和將蒸發(fā)氣體輸送到動(dòng)力設(shè)備的燃?xì)獗媒M。為滿足降低能耗的設(shè)計(jì)要求，全船部分泵和風(fēng)機(jī)也采用變頻控制方式。船舶電力系統(tǒng)屬于一種運(yùn)行工況復(fù)雜的小型孤島電網(wǎng)，具有容量較小、受負(fù)荷運(yùn)行變化影響明顯，抗干擾能力弱的特點(diǎn)。大功率變頻設(shè)備產(chǎn)生的高次諧波，如果不加以有效抑制，會(huì)使得船舶電網(wǎng)母線電壓畸變并對(duì)船舶電力系統(tǒng)造成極大的危害[1-2]，因此,船東對(duì)電能質(zhì)量提出了更高的設(shè)計(jì)要求。

本船在設(shè)計(jì)之初對(duì)于電網(wǎng)的諧波含量進(jìn)行估算，由于全船變頻設(shè)備總的額定功率超過單臺(tái)發(fā)電機(jī)容量的40%，必須采取相關(guān)諧波抑制方式才能使得諧波畸變率符合建造規(guī)格書和規(guī)范的指標(biāo)要求。關(guān)于船舶諧波治理問題的研究，之前大部分的實(shí)際使用案例主要集中在采用電力推進(jìn)的科考船上，對(duì)于商用運(yùn)輸船舶極少有配置諧波抑制設(shè)備的案例。本船通過研究比較諧波抑制方式，提出了使用有源濾波器來抑制諧波的解決方案。

1 船舶電力系統(tǒng)諧波抑制規(guī)范要求

考慮到船舶電力系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)的安全性和穩(wěn)定性，國(guó)際電工委員會(huì)(International Electrotechnical Commission,IEC)和各國(guó)船級(jí)社對(duì)于船舶電網(wǎng)的諧波都有嚴(yán)格的限制要求。對(duì)于船舶電網(wǎng)這種獨(dú)立的小型電力系統(tǒng)來說，規(guī)范主要考核的是電壓諧波總畸變率THDu(total voltage harmonic distortion)[3]，其計(jì)算公式如下：

(1)

式中:U(1)為電網(wǎng)中基波電壓的有效值；U(n)為電網(wǎng)中第n次諧波電壓的有效值。

本船入籍的法國(guó)船級(jí)社，在規(guī)范NR467,Part C,Ch 2,Sec 2，2.4中對(duì)于船舶電力系統(tǒng)中的諧波做出了電壓諧波總畸變率不超過5%，單次諧波不超過標(biāo)稱電壓3%的限制要求。并且在Part C,Ch 2,Sec 3，3.22中要求在使用濾波器的船舶電力系統(tǒng)中，應(yīng)該配置連續(xù)監(jiān)測(cè)母排諧波畸變的裝置。當(dāng)母排諧波畸變率超過規(guī)范要求的上限值時(shí)，在船員工作的場(chǎng)所有報(bào)警信號(hào)提示[4]。

2 船舶電網(wǎng)諧波抑制方式選定

船舶電網(wǎng)諧波治理措施主要分為兩種：主動(dòng)型諧波抑制方案；被動(dòng)型諧波抑制方案[5]。主動(dòng)型諧波抑制需要設(shè)備采取主動(dòng)型多脈整流、多電平或脈沖寬度調(diào)制技術(shù)[6-7]，使得變頻器向交流母線不產(chǎn)生諧波，此種方式受到各個(gè)變頻設(shè)備由不同廠家提供的限制，難以將諧波控制在規(guī)范要求的范圍之內(nèi)。被動(dòng)型諧波抑制技術(shù)可以分為：無源濾波器(passive power filter,PPF)和有源濾波器(active power filter,APF)兩種形式。無源濾波器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉的特點(diǎn)，但存在補(bǔ)償特性受電網(wǎng)系統(tǒng)阻抗的影響，電網(wǎng)與濾波器間可能發(fā)生串、并聯(lián)諧振使得諧波電流增加，只能濾除主要諧波不能對(duì)諧波和無功實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，體積大等缺點(diǎn)[8]。與無源濾波器相比較，有源濾波器具有以下優(yōu)點(diǎn)。

1)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)補(bǔ)償響應(yīng)速度快、濾波范圍全、自適應(yīng)能力強(qiáng)，可滿足不同的工況需求。

2)在濾除諧波的同時(shí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償基波無功，提高系統(tǒng)功率因數(shù)。

3)可以對(duì)U、V、W三相分別補(bǔ)償,具有恢復(fù)三相電流平衡的功能，避免負(fù)序電流對(duì)電網(wǎng)及電氣設(shè)備影響。

4)濾波器獨(dú)立于電網(wǎng)阻抗及系統(tǒng)阻抗,不受電網(wǎng)阻抗和系統(tǒng)阻抗變化的影響，不會(huì)產(chǎn)生諧振。

5)安全性好，可抑制系統(tǒng)電壓閃變。

基于兩種濾波器自身的特點(diǎn)，并結(jié)合船舶電網(wǎng)高瞬態(tài)性能的要求，本船在設(shè)計(jì)的初始階段對(duì)于濾波器設(shè)備形式、補(bǔ)償容量、布置位置等技術(shù)經(jīng)濟(jì)特性進(jìn)行了論證[9]。最終選用了在低壓母排側(cè)并聯(lián)有源濾波器的方式來達(dá)到抑制電網(wǎng)諧波的目標(biāo)。本船選用了4臺(tái)施耐德AccuSine型有源濾波器，容量分別是3臺(tái)300 A和1臺(tái)120 A。其基本原理是從需要諧波抑制的電網(wǎng)中通過電流互感器檢測(cè)出諧波電流，經(jīng)控制器快速計(jì)算并提取出各次諧波電流的含量，產(chǎn)生諧波電流指令，然后有源濾波器通過控制快速絕緣雙極晶體管(IGBT)的通斷向電網(wǎng)注入一個(gè)與該諧波電流幅值相等而極性相反的補(bǔ)償電流，從而使得電網(wǎng)電流只存在基波分量[10]。施耐德AccuSine型有源濾波器可以同時(shí)濾除2～51次諧波，也可以有選擇濾除各次諧波，總諧波補(bǔ)償率大于95%，諧波治理全響應(yīng)時(shí)間為20 ms。施耐德AccuSine型有源濾波器在產(chǎn)品手冊(cè)中明確說明自帶智能過溫降載功能，當(dāng)環(huán)境溫度超過40 ℃時(shí)會(huì)自動(dòng)降容工作，在環(huán)境溫度50 ℃以內(nèi)每上升1 ℃濾波器降容2%?；谝陨锨闆r，本船選擇將4臺(tái)有源濾波器布置在配有空調(diào)柜機(jī)的高壓配電板室內(nèi)，以滿足有源濾波器使用時(shí)對(duì)工作環(huán)境的需求。

3 實(shí)船建模仿真驗(yàn)證

利用ETAP軟件諧波分析模塊對(duì)22 000 TEU集裝箱船進(jìn)行建模仿真，計(jì)算出各典型工況下電力系統(tǒng)的諧波電壓畸變率，通過比較對(duì)在設(shè)計(jì)之初選用的有源濾波器諧波抑制方案的效果進(jìn)行驗(yàn)證。ETAP軟件可以計(jì)算分析電力系統(tǒng)電能質(zhì)量方面的問題, 為電能質(zhì)量問題的治理提供更加準(zhǔn)確可靠的依據(jù)[11]。

3.1 電力系統(tǒng)單線圖

船舶電網(wǎng)的諧波畸變率是基于電力系統(tǒng)拓?fù)鋱D搭建的仿真模型進(jìn)行計(jì)算的，本船電站配置為6臺(tái)AC 6.6 kV、60 Hz、3 PH的高壓發(fā)電機(jī)組，其中2臺(tái)發(fā)電機(jī)組額定輸出功率為4 150 kW，另外4臺(tái)發(fā)電機(jī)組額定輸出功率為3 690 kW，2臺(tái)6 600 V/450 V的主變壓器容量為4 800 kVA。本船電網(wǎng)采用了輻射形的配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，母線電壓分為三個(gè)等級(jí)：6.6 kV、440 V、220 V，在440 V電壓等級(jí)母線上共有16套帶變頻裝置的泵組在不同工況下運(yùn)行，另外4臺(tái)燃?xì)庀到y(tǒng)變頻泵組由燃?xì)庀到y(tǒng)電機(jī)控制中心供電，燃?xì)庀到y(tǒng)電機(jī)控制中心通過兩個(gè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)與440 V母線連接，全船變頻設(shè)備功率參數(shù)見表1。本船采用對(duì)全部變頻設(shè)備諧波集中治理的方式，4臺(tái)有源濾波器并聯(lián)在440 V母排的A段，濾波器之間通過網(wǎng)線進(jìn)行通信。22 000 TEU電力系統(tǒng)單線圖見圖1。

圖1 22 000 TEU電力系統(tǒng)單線圖

表1 變頻設(shè)備額定功率

諧波計(jì)算涉及的參數(shù)較為復(fù)雜，包括總電站的容量、單臺(tái)發(fā)電機(jī)組的容量、發(fā)電機(jī)的次瞬態(tài)電抗、變壓器的阻抗壓降、電纜的阻抗、變頻電機(jī)的阻抗等重要設(shè)備的參數(shù)。在ETAP軟件中輸入設(shè)備的實(shí)際參數(shù),發(fā)電機(jī)組、變頻電機(jī)、艏側(cè)推電機(jī)、變壓器具體數(shù)據(jù)見表2、3。并通過輸入每個(gè)變頻裝置的基本參數(shù)設(shè)定了諧波源。

表2 22 000 TEU發(fā)電機(jī)和變頻設(shè)備參數(shù)

3.2 典型工況下諧波計(jì)算對(duì)比

22 000 TEU集裝箱在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中存在不同的使用狀態(tài)，通常分為航行、進(jìn)出港、裝卸貨等多種工況。不同工況下由于在網(wǎng)發(fā)電機(jī)組數(shù)量的不同以及變頻設(shè)備運(yùn)行時(shí)使用功率的變化，產(chǎn)生的諧波含量也是有差異的。本文選取了4種典型工況在沒有使用濾波器的情況下進(jìn)行諧波計(jì)算，表4中顯示了不同工況下相對(duì)應(yīng)的6.6 kV和440 V母排總諧波含量和最大單次電壓諧波含量。由計(jì)算結(jié)果可知，4種工況下的電壓諧波總畸變率和最大單次電壓諧波含量均不滿足船級(jí)社規(guī)范要求。

表3 22 000 TEU變壓器組參數(shù)

由表4對(duì)比結(jié)果可知，在不帶冷藏集裝箱的4種典型工況下，航行工況諧波含量最大。在此工況下考慮投入2臺(tái)300 A和1臺(tái)120 A的有源濾波器進(jìn)行諧波治理，經(jīng)過仿真計(jì)算結(jié)果可以看出電網(wǎng)的諧波含量發(fā)生了下降。通過有源濾波器治理后6.6 kV和440 V母線電壓諧波總畸變率分別減少為1.29%和1.67%，見表5，滿足了船級(jí)社規(guī)范的要求。由此得出，在其他3種工況下的母線電壓諧波總畸變率在使用有源濾波器后也可以控制在船級(jí)社規(guī)范要求以內(nèi)。

表4 各工況下諧波畸變情況

表5 航行工況下使用有源濾波器后諧波畸變情況

3.3 最惡劣工況下諧波計(jì)算對(duì)比

為驗(yàn)證配置的有源濾波器總?cè)萘渴欠窈侠?，本文還針對(duì)諧波最惡劣的情況，對(duì)有源濾波器的諧波治理最大能力進(jìn)行了考核。即考慮單臺(tái)額定功率為3 690 kW的發(fā)電機(jī)在網(wǎng)運(yùn)行，所有變頻設(shè)備全部滿負(fù)荷工作的情況。在此工況下考慮投入3臺(tái)300 A和1臺(tái)120 A的有源濾波器進(jìn)行諧波治理。將未使用濾波器和使用濾波器后的仿真計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比可以得到出，見表6、7，6.6 kV母排電壓電網(wǎng)的電壓諧波總畸變率從19.04%下降到1.56%，440 V母排電壓電網(wǎng)的電壓諧波總畸變率從26.28%下降到2.01%，單次諧波沒有超過標(biāo)稱電壓3%的限制要求，所有諧波畸變率都控制在了船級(jí)社規(guī)范要求的范圍內(nèi)。

表6 最惡劣工況下未使用有源濾波器諧波畸變情況

以上考慮并驗(yàn)證的幾種工況，全面覆蓋了本船在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中存在的所有使用狀態(tài)。而且只有單臺(tái)發(fā)電機(jī)在網(wǎng)運(yùn)行的最惡劣工況，對(duì)于會(huì)裝載大量冷藏集裝箱的集裝箱來說極少存在。

4 結(jié)論

1)為了保證22 000 TEU集裝箱船電網(wǎng)可靠運(yùn)行，本船結(jié)合實(shí)際運(yùn)行情況并對(duì)兩種被動(dòng)型諧波抑制方案分析對(duì)比后，選用了在低壓母排側(cè)并聯(lián)有源濾波器的方式來達(dá)到抑制電網(wǎng)諧波的目標(biāo)。

2)依據(jù)實(shí)船數(shù)據(jù)運(yùn)用仿真軟件，對(duì)各種工況下各級(jí)母線的電壓諧波總畸變率進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)過計(jì)算結(jié)果對(duì)比得出，在使用有源濾波器后，諧波畸變率均可滿足船級(jí)社規(guī)范限制要求，達(dá)到預(yù)期的效果。

3)目前對(duì)于超大型雙燃料集裝箱船諧波抑制的研究和實(shí)船使用經(jīng)驗(yàn)較少，隨著燃?xì)庀到y(tǒng)中變頻設(shè)備的大量使用，選擇何種方式進(jìn)行諧波治理成為前期設(shè)計(jì)將面臨的重要工作，因此,本文對(duì)超大型雙燃料集裝箱船諧波抑制方案提供參考。