脱硫改装中因变频器产生的谐波问题

2020-06-23李付博

船舶标准化工程师 2020年6期

李付博，詹波

（舟山中远海运重工有限公司，浙江舟山 316131）

0 引言

随着船舶节能环保要求的不断提高，变频器以其稳定、高效、节能的特点，广泛应用于各种船用设备上，通过变频来驱动和控制风机、水泵、绞车、起重机和推进器等设备的配置已很常见。然而，由于变频器所产生的谐波电流和谐波电压对船舶电网及设备的影响也越发突出。

本文以某在营 25万吨散货船的脱硫改装项目为背景，阐述脱硫设备加装后引起的谐波电压畸变情况，及其对电网及设备运行造成的影响，最终通过有源滤波措施使得谐波得到抑制。

1 谐波的来源及影响

1.1 船舶电网中的谐波来源

理想情况下，船舶电力系统中由发电机所提供的三相交流电源为正弦波，当船舶电网中连接有非线性阻抗特性的负载，使得电流波形产生畸变，畸变电流流经系统时，在系统阻抗上产生压降，使得电压发生正弦波畸变，畸变电压最终对所有负载产生影响，谐波电压波图形如图1所示。因此，这些非线性负载也就成了船舶电网中的谐波源。

图1 谐波电压波形图示意

本次脱硫改装项目中，新装船的海水泵设备通过变频器供电和控制。因变频器的主电路一般为交-直-交组成，即外部电源先经过整流电路变成直流电，再通过电容器滤波后逆变为频率可变的交流电。在此过程中，因其非线性最终将在变频器的输入和输出回路产生谐波电流，并汇入船舶电网，因此，脱硫系统中用于控制水泵及气密风机的变频器就成了船舶电网中的谐波源。

1.2 谐波对船舶电网及设备的影响

谐波是影响船舶电能质量的重要因素之一，超标谐波电流及谐波电压的存在，对船舶电网及设备

运行都将造成诸多不利影响：

1）对于船舶上继电器、断路器、接触器等设备元件，因受谐波影响，容易造成断路保护装置等元件误动作或者不动作；

2）对于船舶上的各种电机设备，超标的谐波将影响电动马达电磁转矩，引起电机振动并影响马达效率，同时造成电机温度上升；

3）导致船舶变压器设备导体损耗、涡流损耗、铁蕊损耗增加；

4）导致电子感应式的仪表精度降低；

5）对船舶通导、载波设备等电子设备产生干扰；

6）导致电网损耗增加，同时造成电网稳定性下降；

7）减少电气设备寿命，甚至引发安全事故。

1.3 船级社及其他组织对谐波的要求

为保证船舶电网质量，防止谐波超标对船舶电网及设备造成危害，各船级社及组织对于船舶电网中的谐波指标都做了不同的要求，表1是各船级社及组织要求。

表1 各船级社及组织要求

2 工程实例

本次脱硫改装项目船入DNV GL船级社，根据该船级社规范要求（DNV GL 2016,Part4,Chart8,Section 2 System Design），总谐波电压畸变率不应超过8%，单次谐波不应超过5%。而根据要求，只要船舶在网的变频设备容量占比大于20%，船级社就将要求核查谐波指标。

为提前掌握脱硫改装后，变频器引起的谐波畸变在本电网中的含量情况，需要在改装工作开展前，进行谐波计算分析，最终通过计算出的结果（单次谐波电压畸变率和总谐波电压畸变率）来了解电网谐波含量情况以及是否满足相关规范要求。

2.1 项目概况

根据脱硫系统工作原理，该系统将在船舶航行及进出港工况下持续工作。同时，因船舶工况不同，脱硫系统对输入洗涤塔的海水量的需求是不同的，因此，还需要根据不同船舶运行工况，分析确定在网运行的海水泵（变频负载）数量[1]。

本次脱硫改装船项目，原船采用了三相三线绝缘制，由3台船用柴油发电机提供电源，每台发电机额定功率1 050 kW。因脱硫系统改装需要，原船将新增 3台海水泵，每台海水泵额定功率为 290 kW，功率因素0.8，电压AC 440 V，电力系统单线图如图2所示。正常情况下，3台海水泵为两用一备。而在进出港工况下，只需要运行1台海水泵。原船未配置其他变频设备，通过原船的电力负荷计算书，可以估算出原船变频及非变频设备负载情况，具体如表2所示。

图2 电力系统单线图

表2 改装船舶电力负荷表

2.2 主要设备参数

1）发电机设备需要输入数据：发电机台数、电压、电流、额定功率、频率、阻抗电压、功率因素和阻抗等参数，本船发电机具体参数及电缆信息见表3。

表3 发电机及其电缆参数

2）变压器设备需要输入数据：变压器台数、额定功率、初级电压、次级电压、阻抗电压等参数，本船变压器及连接电缆具体参数见表4。

表4 变压器及其电缆参数

3）新装的变频设备需要输入数据，如额定功率、功率因素、各次谐波电流信息等，本次脱硫改装设备中海水泵变频器谐波参数见表5。

表5 变频器谐波参数

4）其他设备数据，如连接至电网的大功率电机的电流、电压、额定功率等参数。

2.3 谐波计算

谐波电压含量情况作为各规范中核查对象，可以通过计算得到其数值。其中，单次谐波电压畸变率是指单次谐波电压与基波电压的比值，而总谐波电压畸变率是除一次以外各次谐波电压的平方根与基波的比值，主要公式如下[2-3]。

求得Z（2）

式中：Sk为电网短路容量，kVA；Z为电网阻抗，Ω。

式中：RSC为电网短路容量和非线性负载总容量的比率；Sl为非线性负载容量，kVA。

确定ω0。

式中：Sl为非线性负载容量，kVA；ω0为本征频率，Hz；Ih为单次谐波电流百分比；Iv为单次谐波电流；Un为单次谐波电压，V；n为谐波次数；VSHD为单次谐波电压畸变率；VTHD为总谐波电压畸变率。

1号交通洞进口土洞段采取了“不灌浆小导管超前支护、全断面开挖、钢支撑与系统锚喷支护进行一期支护”的工艺进行施工，达到了安全、快速、经济的施工目标，取得了显著的经济与社会效益。

为简便快速计算分析，本文借助谐波计算软件VACON HARMONICS来对本船谐波畸变情况进行计算分析，通过软件建立电力系统模型，同时导入原船主要设备参数，利用软件分别计算不同工况下的谐波畸变情况，以得到直观的了解，以下为软件导出的各工况数据及图形。

1）船舶正常航行工况下，AC 440 V汇流排处的各次谐波电压，总谐波电压畸变数据见表 6，电压波形及频谱图见图3和图4。

图3 电压波形图

图4 频谱图

表6 各次谐波电压、总谐波电压畸变数据

2）船舶正常航行工况，AC 220 V汇流排处的各次谐波电压，总谐波电压畸变数据见表 7，电压波形及频谱图见图5和图6。

图5 电压波形图

图6 频谱图

表7 各次谐波电压、总谐波电压畸变数据

3）船舶进出港工况，AC 440 V汇流排处的各次谐波电压，总谐波电压畸变数据见表 8，电压波形及频谱图见图7和图8。

图7 电压波形图

图8 频谱图

表8 各次谐波电压、总谐波电压畸变数据

4）船舶进出港工况，AC 220 V汇流排处的各次谐波电压，总谐波电压畸变数据见表 9，电压波形及频谱图见图9和图10。

图9 电压波形图

图10 频谱图

表9 各次谐波电压、总谐波电压畸变数据

针对以上几个工况的数据，可以比较发现，在不同船舶工况下，单次谐波电压畸变率均未超出规范要求值，然而，在船舶航行工况下，总谐波电压畸变率VTHD较大，已经超出了8%的规范要求值，AC 440 V汇流排处VTHD为9.91%，AC 220 V汇流排处VTHD为9.73%。

3 措施

从满足规范要求和减少谐波对船舶电网影响的角度，需要本船在脱硫改装时提前考虑应对措施，采取合理的方式对谐波进行抑制和消除。通常谐波电压是由谐波电流产生的，因此，可以通过加装无源滤波器或有源滤波器进行谐波抑制的方案[4]。

无源滤波器通常由电容器，电抗器组合而成，因新装的变频器为三相六脉整流，根据式（11）：

K=6P±1

式中：K为谐波次数；P为正整数。

谐波以第5次和第7次为主，因此，可以通过与谐波源（变频设备）并联5次和7次单调谐滤波器[1]，来达到减少谐波的目的，同时起到无功补偿作用。

有源滤波器（APF）则是采用电力电子技术和基于高速 DSP器件的数字信号处理技术构成的谐波治理设备。有源滤波器自身就是谐波源，其依靠电力电子装置，在检测到系统谐波的同时产生一组和系统幅值相等、相位相反的谐波向量，用以抵消系统谐波，使其成为正弦波形。因此，有源滤波可以快速响应，动态抑制谐波，并起到无功补偿作用。

相对于无源滤波器，有源滤波器选型时主要考虑谐波电流值，无需考虑电网阻抗，特征谐波等因素，动态抑制谐波效果更佳，也不会类似无源滤波器发生谐振的危险[5]。为此，选择加装有源滤波器方案更佳。

因作为谐波源的变频器有多台连接至电网，所以宜选用采用集中补偿的方式，通过软件计算出的谐波电流最大值为128 A，选用容量150 A的2台有源滤波器。因此，在AC 440 V BUS1和AC 440 V BUS2两段汇流排上分别并联投入滤波器，电力系统单线图见图11。