船舶电力推进系统混合型谐波处理技术分析

董晓妮,左明亮,蔡计强

(1北车船舶与海洋工程发展有限公司,上海201206; 2中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所,上海200092)

渔业装备

船舶电力推进系统混合型谐波处理技术分析

董晓妮1,左明亮1,蔡计强2

(1北车船舶与海洋工程发展有限公司,上海201206; 2中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所,上海200092)

针对船舶交流电力推进系统在使用中的谐波干扰和危害问题,对目前已经应用的几种船用谐波抑制方式,包括无源滤波(PE)、有源滤波(APF)、多脉冲整流滤波和脉冲宽度调制(PWM)整流等多种方案进行了优劣势比较,从实际应用的角度出发,设计了一种将有源滤波与无源滤波结合使用的混合型滤波器,并将其应用于船舶电力推进系统;介绍了系统结构、控制电路工作原理。以实船测试数据为依据,对无源滤波和混合滤波系统进行了对比分析,得出了混合滤波系统的滤波效果更优,性价比更高的结论,为渔业和其他类型的船舶电力推进系统谐波抑制设计提供了一种新的解决方案。

谐波;混合型滤波器;电力推进系统;船舶

船舶电力推进系统中变频负载的存在,导致谐波电流和谐波电压的出现,使得船上其他用电设备所处环境恶化,同时对通导和控制系统带来恶劣影响。谐波对电站和其他船用设备的危害主要表现在:增加系统附加损耗,降低设备的效率和利用率;影响各种电气设备的正常工作;导致配电设备、控制设备的继电保护和自动装置的误动作[1-5]。因此,各船级社均对船舶电站的谐波含量提出了要求[2-3]。交流电力推进系统首先要解决的就是谐波问题。目前,已应用于电力推进系统的谐波抑制技术有无源滤波(PF)、有源滤波(APF)、多脉冲整流和脉冲宽度调制(PWM)整流。前两种属于被动滤波,是在电力推进系统中另外增加设备来消除谐波;后两种属于主动滤波,是对变频器的整流部分进行改进,限制其产生谐波含量。

以上几种滤波方式均可满足船级社的规范和船舶安全运行要求,但也有不足之处。无源滤波谐波抑制效果一般,易受系统特性参数影响,易与系统阻抗发生谐振,但成本低;有源滤波动态性响应快,补偿效果好,不受系统特性影响[4],但主电路功率器件既承受谐波电压又承受基波电压,对其耐压等级要求较高,而且谐波全由APF补偿,因而要求APF容量较大,造价高;多脉冲整流,12脉冲整流谐波抑制效果不能满足规范要求,至少要用18脉冲、24脉冲或虚拟24脉冲整流,系统需要增加体积和重量都较大的移相变压器,而且脉冲数越多,变压器和变频器整流部分也越复杂,并且在三相电源不平衡时,谐波抑制效果也会受到影响;PWM整流谐波抑制效果良好,但造价高,而且会引起开关频率整数倍附近的高次谐波[6]。

本文从实际应用的角度出发,提出将有源和无源两种滤波器混合应用于船舶电力推进系统的滤波形式,使两种滤波装置充分发挥各自优势,以达到更优异的谐波抑制效果,同时还可以降低投资,为后续电力推进系统提供一种新的设计方案。

1 混合型滤波器型式及电力推进系统适用性分析

混合型滤波器由有源滤波和无源滤波两种装置组成,主要是为了弥补它们分别独立承担滤波任务时的缺陷[7-8]。无源滤波器单独使用时滤波效果差,易受到系统阻抗特性参数变化的影响并引起谐振。有源滤波器单独使用时容量大、成本高。将两者混合应用,互相取长补短,可以达到既降低成本又取得良好滤波效果的目的[9-10]。

混合型滤波器按照混合使用方式又可以分为两大类:一类是并联混合型滤波器[11-12],其中又可分为并联APF与并联 PF混合型[13]、APF和PF串联后与电网并联混合型[14]以及注入回路方式等3种;另一类是串联混合型,因其是将APF串联于电路中,需要增加耦合变压器;并联混合型中的注入回路方式也需要在电路中串入电抗[15]。这两种型式均使线路更加复杂,不适用于船舶电力推进系统,故本研究对此两种型式滤波器不做进一步探讨分析。

并联APF与并联PF混合型是指有源滤波器和无源滤波器均与船用变频负载共同并联接入船舶电站,两者共同承担补偿抑制谐波的任务。当无源滤波器单独承担滤波任务时,出于体积和重量的考虑,一般只针对5次、7次等低次谐波进行设计,属于低通滤波器;而采用两种型式并联混合使用时,无源滤波器主要用于补偿较高次的谐波,一方面用于消除补偿电流中因有源滤波开关器件通断引起的高次谐波,另一方面可滤除变频负载中次数较高的谐波,属于高通滤波器。这样就使得对有源滤波主电路中功率器件开关频率的要求可以有所降低。但在这种方式中,由于无源滤波器只承担了少部分补偿谐波的任务,故对有源滤波器的容量起不到很明显的减小作用,系统成本较高;此外,如果有源滤波器发生故障,无源滤波器的滤波效果将会大大下降,系统的电压谐波畸变率将难以满足船级社的相关规范和安全运行要求。

APF与PF相串联后再与电源并联的混合型滤波器中,谐波的补偿主要由PF来完成,APF则作为电流控制电压源,产生与线路中谐波电流分量成比例的电压,用于动态补偿无源滤波器的滤波特性[16],克服无源滤波器易受系统阻抗的影响、易发生谐振等缺点。这种型式中,有源滤波器不直接与电站母排连接、不承受系统的基波电压,可以大幅降低有源滤波器的容量[17-18]。而且,有源滤波器发生故障时不会对整个系统产生恶劣影响,船舶仍可保持运行。综合考虑,APF与PF串联后再与电站并联的混合型滤波器更适合于船舶电力推进系统。

2 APF与PF串联的并联型船用混合滤波系统

在6脉波电力推进系统中,无源滤波器的设计只考虑了5次、7次谐波的抑制,由两个单调谐电路组成。系统优化方案必须以此为基础,并与项目实际情况相结合,才能取得预期效果,解决实际应用问题。

系统采用APF与PF串联后再与电站并联的混合型滤波器作为优化方案,需要增加的是有源滤波部分和耦合变压器。系统的拓扑结构(以两台发电机组为例)主要包括电源、负载和谐波处理装置(图1)。电源由发电机组和配电板组成,为船舶公共电站;负载为6脉波整流的变频器,也是系统最大的谐波源;谐波处理装置为PF和APF及其附属装置组成的混合滤波器(图中虚框部分)。

图1 系统拓扑结构图Fig.1 The system topological structure diagram

图1中的混合滤波器主要由主电路和控制电路两部分组成。主电路包含三部分:无源滤波、耦合变压部分和有源滤波。无源滤波完成5次和7次等主要谐波的抑制;有源滤波的主电路是一个容量很小的电压型PWM变流器;耦合变压的作用则是为了有源部分的电压电流等级与无源部分相匹配,并通过有源滤波的作用作为最终调节无源支路阻抗的元件。控制电路包含于APF中,其核心是通过电流互感器检测经无源滤波后电站系统仍然残存的谐波电流,对其进行快速傅里叶分解,得出各次谐波电流值,并进行计算,获得电源系统中谐波电流的总值,并以此为依据,输出PWM信号。此时,有源滤波器可被看作是一个理想的受控电压源UC,负载谐波源被看作是一个电流源iL,这样即可将混合滤波系统进行单相电路等效(图2)。

图2 混合滤波系统单相等效电路Fig.2 A single phase equivalent circuit of hybrid filter system

船舶不同运行工况下,电站会根据负载需求来决定投入发电机组的台数,故其系统阻抗也会随之发生变化。当系统中仅有无源滤波器时,负载谐波电流均由无源滤波器补偿,其补偿特性取决于电源阻抗ZS和无源滤波器的总阻抗ZF。

根据图2可得出:

式中:Ish——流入电源的谐波电流,A;ILh——负载谐波电流,A。

在某种工况下,当电源阻抗和无源滤波器的总阻抗ZF之和在某高次频率处接近于0时,流入电源的谐波电流Ish将被放大,即发生并联谐振现象;当负载较大时,电源基频发生变化,将导致无源滤波器无法调谐到原来设定的谐波频率,就达不到预期的滤波特性。

接入有源滤波部分后,根据检测的电源电流谐波分量,有源滤波器输出一定的补偿电压,通过耦合变压器原边对无源滤波支路进行补偿。当系统发生谐振时,有源滤波器输出的补偿电压使得耦合变压器的原边阻抗发生变化,与无源滤波部分相叠加,调节无源滤波支路总阻抗值,使得并联谐振的条件|ZF+ZS|≈0遭到破坏,从而避免了系统谐振的发生。当系统负载较大、发电机组转速降低而导致基频下降时,无源滤波的谐振点会略有偏移,有源滤波仍通过对电源中谐波电流Ish的快速傅里叶分析对无源支路进行阻抗补偿,使得无源支路对5、7次谐波阻抗变小,迫使谐波电流流入无源支路,从而改善了滤波效果。本质上,有源滤波器和耦合变压器组成了一个“智能可调阻抗”,将无源滤波的特性在不同情况下调到最佳,对谐振起到破坏作用。

3 试验验证

试验在自主设计研发的某渔船电力推进系统内进行,采用的是无源滤波。在运行过程中,出现了如下问题:(1)配电板发电机主开关跳闸断电,并导致其中一台发电机的自动电压励磁调节器烧毁;(2)船舶电站电压谐波畸变率实际测试结果与设计值有一定的偏差。经深入测试分析发现,导致发电机主开关跳闸和励磁调节器烧毁的根本原因是无源滤波器阻抗和系统阻抗发生了并联谐振;无源滤波器所固有的滤波特性受到系统阻抗参数变化影响,导致谐振点偏移,最终使得滤波效果有所偏差。问题1导致的结果非常严重,使得系统难以稳定运行,必须采取措施进行解决。经多方比较,综合考虑了谐波抑制效果、机舱空间限制、成本增加等,最终选择增加有源部分与系统中无源滤波部分组成APF与PF相串联后再与电源并联的混合型滤波器作为优化改进方案,并做了试验对比。

表1、表2的数据均在电站容量相同、负载接近的情况下用FLUKE谐波测试仪所测得的电站母排公共连接处的谐波数据。

表1 无源滤波系统谐波测试数据Tab.1 The harmonic experimental data of passive filter system

表2 混合滤波系统谐波测试数据Tab.2 The harmonic experimental data of hybrid filter system

从表1、表2的数据对比可以看出,应用混合滤波系统时,在同样的负载电流下,谐波电流会有一定的下降,使得电源总的电压畸变率有所降低,效果好于单独用无源滤波谐波抑制。如:当变频负载电流为约150 A时,5次谐波电流由3A降低为2.2A,总电压畸变率由3.3%降至3.2%。其主要原因是无源滤波器的设计点主要针对基频为50Hz的5次、7次谐波,但发电机组不同于公共电网,容量较小,满载后实际工作频率发生变化,下降为49Hz左右,导致无源滤波器的谐振点偏移,对滤波效果有所影响,电站电压谐波畸变率略微偏高。采用混合效果滤波系统以后,最明显的是系统谐振现象消失,整个电力推进系统运行非常稳定。

4 结论

如何进一步提高谐波抑制装置的性价比是船舶交流电力推进系统技术研究的主要内容。实验数据表明,APF和PF串联后与电站并联的混合型滤波器是目前可行的方式之一,两者结合应用,既可克服有源滤波器容量大、成本高的缺点,又可动态补偿无源滤波器的滤波特性。另外,在有源滤波器发生故障切除后,系统仍可独立运行,保证船舶安全。因此,混合型滤波系统在电推船舶上的应用具有重要意义。

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Analysis of hybrid harmonic treatment of marine electric propulsion system

DONG Xiaoni1,ZUO Mingliang1,CAI Jiqiang2
(1 CNR Ship&Ocean Engineering Development Co.,Ltd,Shanghai 201206,China; 2 Fishery Machinery and Instrument Research Institute,Chinese Academy of Fishery Sciences,Shanghai 200092,China)

In allusion to harmonic interference and harm in application of marine AC electric propulsion system, the advantages and disadvantages of severalmarine harmonic suppressionmethods applied at present,including PF,APF,multi-pulse rectifier filter and PWM rectifier,are compared,and a hybrid filter combining PF with APF is designed from the perspective of practical application and applied tomarine electric propulsion system; the system structure and control circuit working principle are introduced.Contrastive analysis of PF and hybrid filter system is conducted based on practical ship test data,from which it is concluded that the hybrid filter system has better filtering effect and higher cost performance,thus a new solution is provided for harmonic suppression design ofmarine electric propulsion system of fishery and other industries.

harmonic;hybrid filter;electric propulsion system;ship

S972.7+4

A

1007-9580(2017)03-065-05

10.3969/j.issn.1007-9580.2017.03.011

2017-03-15

大型海上渔业综合服务平台总体技术研究(15DZ1202100)

董晓妮(1976—),女,高级工程师,研究方向:船舶电力推进系统设计。E-mail:dongxn518@163.com