有源濾波柜在半潛改裝船諧波抑制中的應用

周 健

(青島北海船舶重工有限責任公司，山東 青島 266520)

隨著全球海洋事業的不斷發展，眾多的工程船舶和施工機械需要在世界范圍內被頻繁調遣，使得半潛船的需求量不斷加大，在半潛改裝船中，對壓載泵的操作大多采用新加交流變頻器驅動，變頻驅動除了能夠滿足設備的精確控制外，也會產生大量的諧波，對電網造成危害，特別是近幾年的半潛改裝船中，人們已開始分析研究諧波，逐步實施諧波的治理工作，降低變頻裝置對原船電網的影響。

1 半潛改裝船諧波產生原因及危害

諧波產生的根本原因是由于非線性負載所致，線性負載吸收的電流是與電壓頻率相同的正弦波電流，電流與電壓之間存在著固定的相位差；而非線性負載吸收的電流是周期性的，但不是正弦波電流，電流中含有諧波而造成波形失真。諧波主要由諧波電流源產生。當正弦基波電壓施加到非線性負荷時，設備吸收的電流與施加的電壓波形不同，電流因此發生了畸變，由于負荷與電網相連，故諧波電流注入到電網中，這些非線性負荷就成了電力系統的諧波源[1]。

以“海燕”油船改裝為半潛船項目為例，改造前有2臺225 kW的壓載泵，改造后將配有6臺壓載泵，均需變頻驅動方式，包括4臺225 kW/440 V壓載泵和2臺370 kW/440 V壓載泵。壓載泵變頻驅動系統選用ACS800系列6脈變頻器進行控制，圖1為“海燕”半潛改裝船電力系統單線圖，ACB表示空氣斷路器。該交流變頻控制系統包括大量的大功率電力電子器件，會產生(6n±1)次諧波(n為任意整數)，例如：5、7、11、13、17次諧波等,該諧波會影響整個平臺電力系統的穩定性和安全性。

圖1 “海燕”半潛改裝船電力系統單線圖

諧波對全船的電氣設備有大量危害：可造成變壓器的溫度升高，噪聲增加；電纜老化，絕緣老化加速；導致電動機及發電機效率降低，并影響轉矩；斷路器繼電保護裝置、接觸器、熱繼電器等電氣保護元件過熱、誤動作等；對一些電腦通訊設備可造成干擾等。

2 諧波抑制方式選擇

目前電力系統諧波治理主要存在2大主流方法：無源濾波和有源濾波[2]。無源濾波是比較傳統的方法，通過采用一組或數組單調諧波器組成，但由于變頻器產生的諧波次數主要是(6n±1)次諧波，而無源濾波裝置對每次諧波都要單獨設計單諧振回路，濾波特性依賴于電源阻抗和補償容量，不能完全消除諧波，反而存在更大諧振的危險，其結構簡單、成本低，適合于負荷單一、變化率小的系統。有源濾波可消除與系統阻抗發生諧振的危險，具有自適應功能，基本原理是從治理對象中檢測出諧波電流，由濾波器產生一個與諧波電流大小相等、極性相反的補償電流，從而使電網電流只含基波分量，這種濾波器能夠快速對頻率、幅值都變化的諧波進行動態跟蹤補償，且濾波特性不受電網阻抗的影響，完全解決了無源濾波無法克服的一系列問題?；谝陨戏治?，選用有源濾波裝置進行諧波治理，由圖1知，作為諧波源的變頻器有6臺，所以采取集中治理的方案，即在A母線和B母線分別配置1套有源濾波裝置進行諧波治理。

3 諧波治理

3.1 治理前仿真

根據“海燕”船電力負荷計算書，6臺壓載泵變頻驅動系統僅在“裝卸貨”工況下運行，其它工況下，壓載泵變頻驅動系統不運行，電網諧波滿足規范要求。在諧波計算中，僅計算“裝卸貨”工況，即3臺發電機運行，全部電機及負荷同時運行情況。在計算過程中，“裝卸貨”工況下的負載全部等效連接至主配電板。該諧波計算考慮以下操作條件：壓載泵平均負載率80%，功率因數為0.83； 因為變頻器是6脈沖交流變頻驅動，產生諧波畸變率按最大30%計算。

通過仿真軟件計算，可模擬出諧波治理前諧波電壓畸變率及各計算線電流值見圖2，圖2中箭頭“↓”表示電流的方向，母線諧波電壓畸變率為13.88%，超過規范要求的8%；同時，通過仿真軟件，得出治理前單次諧波電壓畸變率見表1，其中5次、7次單次諧波電壓畸變率已經超過5%。

圖2 諧波治理前諧波電壓畸變率及各計算線電流值

表1 治理前單次諧波電壓畸變率

根據圖2，總結出AC440 V母線下4個計算點的諧波電流畸變率見表2。

表2 治理前諧波電流畸變率

3.2 基波電流和諧波電流計算

電流計算公式如下：

(1)

Ih1=IF1×THDi，

(2)

式中，IL為線電流；IF1為基波電流；Ih1為諧波電流；THDi為諧波電流畸變率。

根據公式(1)、公式(2)可知，各計算點基波電流與諧波電流計算值見表3。

表3 各計算點基波電流與諧波電流計算值

系統諧波電壓畸變率需要低于8%，為保證達到要求，按照基波電壓440 V，系統等效阻抗0.16 Ω,補償前諧波電壓畸變率為13.88%,補償后諧波電壓畸變率為5.00%計算，A母排、B母排所需最小補償諧波電流為241 A。

3.3 增加有源濾波器治理諧波

通過仿真計算，A母排、B母排各增加一套241 A有源濾波器后，仿真有源濾波治理單線圖見圖3，此時母線諧波電壓畸變率為3.2%。

圖3 仿真有源濾波治理單線圖

通過仿真計算，濾波開啟前、后電壓波形對比圖見圖4，有源濾波柜開啟后電壓諧波畸變情況見表4。

圖4 濾波開啟前、后電壓波形對比圖

表4 有源濾波柜開啟后電壓諧波畸變情況

由仿真結果可知，母線諧波電壓畸變率為3.2%，低于改造方案所需的8%要求。單次諧波畸變率都低于5%，滿足規范要求。

3.4 濾波器選型

A母排段、B母排段所需最小補償諧波電流均為241 A，且有源濾波器工作在其最大輸出功率85%左右性能最佳、運行最穩定，建議在A母排段、B母排段均安裝容量為270 A的有源濾波器。補償后母線上總諧波電壓畸變率小于8%，單次電壓諧波畸變率低于5%，滿足改造方案要求。

4 結束語

諧波污染是電力系統不能忽視和回避的問題，直接影響供電質量和設備壽命，在半潛改裝船中采用有源濾波裝置，進行了諧波抑制，提高了電能質量，是很有價值的嘗試。諧波電流和電壓降低到了國標允許值以下，滿足規范提出的單次電壓諧波畸變率低于5%、總諧波低于8%的要求。通過以上分析研究，可知設置有源濾波裝置是比較理想的諧波治理方案，為解決此類改裝項目提供了寶貴經驗。