船舶电网谐波优化治理设计

(浙江欣亚磁电发展有限公司, 浙江 舟山 316111)

船舶用电设备容量选择的设计计算过程比较复杂，涉及较多安全系数的选择，通常根据经验在一定范围内选用;同时为了满足最大工况还必需留一定余量，结果会使所选设备容量偏大，出现“大马拉小车”现象，既不环保，又浪费严重。现在由于变频设备日趋成熟稳定，而且价格也在不断下降，因此，目前船上电动机在需要调速的情况下，大多数选用变频器来控制。变频器使用后的优点是：使泵转速下降，出口压力降低，减少了机械磨损，降低了维修工作量，延长了设备的使用寿命。变频器的缺点也是众所周知的，谐波含量比较严重。而船舶电网与陆地电网相比，船舶电网容量太小，更容量受到谐波的影响，在大量使用变频设备及一些非线性负载后，谐波含量就会超出船级社规范所要求的范围，需要对谐波进行有效合理的治理[1-5]。

1 船舶电网谐波的产生及危害

谐波主要由非线性负载所产生。船上发电机和变压器因为自身的因素，会产生很微小的谐波，这些谐波对电网的影响可以忽略。大量使用6脉整流变频器后，产生很大的5次、7次、11次、13次等谐波电流，使得船舶电网的谐波含量变大，可能会超过允许范围。

谐波的危害：损耗增加、温升增高、使用寿命缩短、加速绝缘老化、产生噪声、产生谐振、产生测量误差、影响继电保护、干扰通讯导航电子设备等。

2 船舶电网谐波的计算

采用傅里叶级数对非正弦波连续时间周期函数进行分析是谐波分析计算的最基本方法。

谐波计算可以通过软件来实现，把发电机、变压器、变频器、电缆等参数输入后，软件就能自动计算出各次谐波数值。谐波计算软件有：美国的ETAP、EDSA、丹佛斯 MCT31等。

谐波计算也可根据各个谐波源的每次谐波电流值，通过GB/T14549的谐波基本计算公式来进行计算，或者通过IEC61000的谐波计算公式来进行计算。多个谐波源可以按如下公式进行依次叠加计算。

(1)

3 滤波器容量计算及选型

以广船国际GSI的一艘50 000 t成品油船为例介绍如何选择恰当的滤波器容量。该船配置有3台柴油发电机组，发电机组参数为： AC450 V，60 Hz，910 kW，1 459 A，Xd″10.3%；配有6台变频器，每台变频器参数为：AC450 V，60 Hz，210 kW，6脉整流，带输入电抗器。通过谐波计算软件得出谐波结果见表1。

根据船级社规范要求，船舶电网的总电压谐波畸变不能超过8%，单次电压谐波畸变不能超过5%。由表1可见单次电压谐波畸变和总电压谐波畸变都超过了船级社规范要求，5次为8.18%，7次为5.7%，都超过了5%，总电压谐波畸变为11.03%，也超过了规范要求的8%。

由于船舶对电网质量要求高，船舶设备的可靠性尤为重要。无源电力滤波器虽然具有结构简单、造价低廉等优点，但无源滤波器的滤波效果并不理想，设计不良的无源滤波器还可能产生谐振，在滤除某些频率谐波的同时导致另外一些频率的谐波被放大，使电容器过载，甚至损坏。由于各种因素的制约，采用无源滤波器后，谐波水平仍达不到相关标准要求。因此本船决定采用有源电力滤波器(active power filter，APF)，有源电力滤波器是电力谐波治理技术的最新发展方向，具有许多无源滤波器无法比拟的优点。对于工况变化复杂的船舶，更要采用有源电力滤波器，可以实时动态地对电网谐波进行有效治理。

软件计算出的有源电力滤波器APF容量是521.6 A，通常大家都是根据谐波计算软件的结果来选配APF。软件计算出的APF容量理论上要完全抵消电网所产生的最大谐波，即谐波含量基本为零。而一般工况下谐波很少达到最大值，即使达到最大值，也不一定要把谐波治理为零。对于船厂来说，治理的目的是治理后谐波能满足船级社规范，而成本又能控制在最低。如果根据软件计算结果来选配APF，治理效果当然是最好，但成本也是最高，在很多谐波含量不太高的工况下，也是一种浪费。分析谐波计算结果，可以看出需要对5次和7次谐波进行治理。

根据以上数据来优化计算有源电力滤波器APF的容量。

单台发电机漏感,

3台发电机并联漏感为

超标的5次谐波电流为

=695.3 A

超标的7次谐波电流为

=346.3A

如果需要把5次和7次谐波含量降到5%以下，总的电压谐波畸变降到8%以下，则应对超标的5次和7次谐波进行治理；经过多次优化组合，决定治理后的5次谐波含量为4.5%，7次谐波含量为4.5%，其它次数谐波含量不变。由此计算治理后的总电压谐波畸变如下。

总电压谐波畸变为

=7.92%<8%

5次谐波治理比例为

=44.99%

7次谐波治理比例为

=21.05%

治理5次谐波需要的容量为

IAPF5=1.3I5K5=13×695.3×44.99%

=406.6A

治理7次谐波需要的容量为

IAPF7=1.3I7K7=13×346.3×21.05%

=94.7A

有源电力滤波器APF总容量为

=417.5A

通过计算结果可知，至少需要配置417.5 A的有源电力滤波器APF，而软件计算的APF容量为521.6 A，可见优化计算来选择的APF容量减少了100 A左右，至少可以节省成本人民币17万元。

如图1所示，变频器组分别通过1 600 A主断路器连接在主配电板左、右母排，由于有源电力滤波器APF电流与变频器电流相位相反来相互抵消，流过断路器的电流不会增加，因此APF输入点可以连接在变频器组断路器的下端，这样可以不用单独为APF配置断路器。因此左、右各配置一套210 A的有源电力滤波器，总容量为420 A。

图1 有源滤波器APF安装示意

4 结论

有源电力滤波器APF在50 000 t成品油船上安装使用后，利用谐波测量仪器对各种工况的谐波进行实测，测出最大5次电压谐波含量为4.54%，7次电压谐波含量为4.52%，总电压谐波含量为7.48%，测量结果均满足船级社规范要求。理论优化设计的5次电压谐波含量为4.5%，7次电压谐波含量为4.5%，总电压谐波含量为7.4%。实测结果与优化设计治理后的谐波含量非常接近，由此可见此设计方案合理可行。

谐波软件计算的结果是把谐波治理到接近零，并没有考虑治理效果和控制成本的最佳结合。因此既要考虑治理后能满足船级社要求，又要把成本控制在最低，不能直接根据软件计算容量来选配有源电力滤波器APF，而是要根据软件计算的谐波含量，然后再优化计算，来选择恰当的滤波器容量。

[1] 宋文南，刘宝仁.电力系统谐波分析[M].北京：水利电力出版社，1995.

[2] 赵 勇.配电系统谐波建模识别和抑制的研究[D].西安：西安交通大学，2002.

[3] 中国船级社.钢质海船入级规范[S].北京：人民交通出版社，2009.

[4] GB/T14594—1993.电能质量 公用电网谐波[S].北京：中国标准出版社，1994.

[5] GB/T26868—2011.滤波装置设计与应用导则[S].北京：中国标准出版社，2011.