22 000 TEU集装箱船电力系统谐波抑制方案

2020-07-30周祎隆傅晓红夏骏

船海工程 2020年3期

周祎隆，傅晓红，夏骏

(中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011)

22 000 TEU是目前全球首款采用双燃料推进的超大型集装箱船，该型船与传统燃油动力船舶相比，能够减少99%的硫和固体颗粒排放量，其氮氧化物排放量也将减少85%左右，能效指数低于现行标准60%。为达到船东经济环保的运营要求，本船配置有大量的变频设备,有一套燃气供给系统将燃气输送至主推进设备，燃气系统中存在着处理和控制气体的大功率变频设备，其中包括将蒸发气体增压至设定要求的BOG(boil off gas)压缩机和将蒸发气体输送到动力设备的燃气泵组。为满足降低能耗的设计要求，全船部分泵和风机也采用变频控制方式。船舶电力系统属于一种运行工况复杂的小型孤岛电网，具有容量较小、受负荷运行变化影响明显，抗干扰能力弱的特点。大功率变频设备产生的高次谐波，如果不加以有效抑制，会使得船舶电网母线电压畸变并对船舶电力系统造成极大的危害[1-2]，因此,船东对电能质量提出了更高的设计要求。

本船在设计之初对于电网的谐波含量进行估算，由于全船变频设备总的额定功率超过单台发电机容量的40%，必须采取相关谐波抑制方式才能使得谐波畸变率符合建造规格书和规范的指标要求。关于船舶谐波治理问题的研究，之前大部分的实际使用案例主要集中在采用电力推进的科考船上，对于商用运输船舶极少有配置谐波抑制设备的案例。本船通过研究比较谐波抑制方式，提出了使用有源滤波器来抑制谐波的解决方案。

1 船舶电力系统谐波抑制规范要求

考虑到船舶电力系统运营的安全性和稳定性，国际电工委员会(International Electrotechnical Commission,IEC)和各国船级社对于船舶电网的谐波都有严格的限制要求。对于船舶电网这种独立的小型电力系统来说，规范主要考核的是电压谐波总畸变率THDu(total voltage harmonic distortion)[3]，其计算公式如下：

(1)

式中:U(1)为电网中基波电压的有效值；U(n)为电网中第n次谐波电压的有效值。

本船入籍的法国船级社，在规范NR467,Part C,Ch 2,Sec 2，2.4中对于船舶电力系统中的谐波做出了电压谐波总畸变率不超过5%，单次谐波不超过标称电压3%的限制要求。并且在Part C,Ch 2,Sec 3，3.22中要求在使用滤波器的船舶电力系统中，应该配置连续监测母排谐波畸变的装置。当母排谐波畸变率超过规范要求的上限值时，在船员工作的场所有报警信号提示[4]。

2 船舶电网谐波抑制方式选定

船舶电网谐波治理措施主要分为两种：主动型谐波抑制方案；被动型谐波抑制方案[5]。主动型谐波抑制需要设备采取主动型多脉整流、多电平或脉冲宽度调制技术[6-7]，使得变频器向交流母线不产生谐波，此种方式受到各个变频设备由不同厂家提供的限制，难以将谐波控制在规范要求的范围之内。被动型谐波抑制技术可以分为：无源滤波器(passive power filter,PPF)和有源滤波器(active power filter,APF)两种形式。无源滤波器具有结构简单，成本低廉的特点，但存在补偿特性受电网系统阻抗的影响，电网与滤波器间可能发生串、并联谐振使得谐波电流增加，只能滤除主要谐波不能对谐波和无功实现动态补偿，体积大等缺点[8]。与无源滤波器相比较，有源滤波器具有以下优点。

1)动态实时补偿响应速度快、滤波范围全、自适应能力强，可满足不同的工况需求。

2)在滤除谐波的同时动态补偿基波无功，提高系统功率因数。

3)可以对U、V、W三相分别补偿,具有恢复三相电流平衡的功能，避免负序电流对电网及电气设备影响。

4)滤波器独立于电网阻抗及系统阻抗,不受电网阻抗和系统阻抗变化的影响，不会产生谐振。

5)安全性好，可抑制系统电压闪变。

基于两种滤波器自身的特点，并结合船舶电网高瞬态性能的要求，本船在设计的初始阶段对于滤波器设备形式、补偿容量、布置位置等技术经济特性进行了论证[9]。最终选用了在低压母排侧并联有源滤波器的方式来达到抑制电网谐波的目标。本船选用了4台施耐德AccuSine型有源滤波器，容量分别是3台300 A和1台120 A。其基本原理是从需要谐波抑制的电网中通过电流互感器检测出谐波电流，经控制器快速计算并提取出各次谐波电流的含量，产生谐波电流指令，然后有源滤波器通过控制快速绝缘双极晶体管(IGBT)的通断向电网注入一个与该谐波电流幅值相等而极性相反的补偿电流，从而使得电网电流只存在基波分量[10]。施耐德AccuSine型有源滤波器可以同时滤除2～51次谐波，也可以有选择滤除各次谐波，总谐波补偿率大于95%，谐波治理全响应时间为20 ms。施耐德AccuSine型有源滤波器在产品手册中明确说明自带智能过温降载功能，当环境温度超过40 ℃时会自动降容工作，在环境温度50 ℃以内每上升1 ℃滤波器降容2%。基于以上情况，本船选择将4台有源滤波器布置在配有空调柜机的高压配电板室内，以满足有源滤波器使用时对工作环境的需求。

3 实船建模仿真验证

利用ETAP软件谐波分析模块对22 000 TEU集装箱船进行建模仿真，计算出各典型工况下电力系统的谐波电压畸变率，通过比较对在设计之初选用的有源滤波器谐波抑制方案的效果进行验证。ETAP软件可以计算分析电力系统电能质量方面的问题, 为电能质量问题的治理提供更加准确可靠的依据[11]。

3.1 电力系统单线图

船舶电网的谐波畸变率是基于电力系统拓扑图搭建的仿真模型进行计算的，本船电站配置为6台AC 6.6 kV、60 Hz、3 PH的高压发电机组，其中2台发电机组额定输出功率为4 150 kW，另外4台发电机组额定输出功率为3 690 kW，2台6 600 V/450 V的主变压器容量为4 800 kVA。本船电网采用了辐射形的配电网络结构，母线电压分为三个等级：6.6 kV、440 V、220 V，在440 V电压等级母线上共有16套带变频装置的泵组在不同工况下运行，另外4台燃气系统变频泵组由燃气系统电机控制中心供电，燃气系统电机控制中心通过两个联络开关与440 V母线连接，全船变频设备功率参数见表1。本船采用对全部变频设备谐波集中治理的方式，4台有源滤波器并联在440 V母排的A段，滤波器之间通过网线进行通信。22 000 TEU电力系统单线图见图1。

图1 22 000 TEU电力系统单线图

表1 变频设备额定功率

谐波计算涉及的参数较为复杂，包括总电站的容量、单台发电机组的容量、发电机的次瞬态电抗、变压器的阻抗压降、电缆的阻抗、变频电机的阻抗等重要设备的参数。在ETAP软件中输入设备的实际参数,发电机组、变频电机、艏侧推电机、变压器具体数据见表2、3。并通过输入每个变频装置的基本参数设定了谐波源。

表2 22 000 TEU发电机和变频设备参数

3.2 典型工况下谐波计算对比

22 000 TEU集装箱在实际运营中存在不同的使用状态，通常分为航行、进出港、装卸货等多种工况。不同工况下由于在网发电机组数量的不同以及变频设备运行时使用功率的变化，产生的谐波含量也是有差异的。本文选取了4种典型工况在没有使用滤波器的情况下进行谐波计算，表4中显示了不同工况下相对应的6.6 kV和440 V母排总谐波含量和最大单次电压谐波含量。由计算结果可知，4种工况下的电压谐波总畸变率和最大单次电压谐波含量均不满足船级社规范要求。

表3 22 000 TEU变压器组参数

由表4对比结果可知，在不带冷藏集装箱的4种典型工况下，航行工况谐波含量最大。在此工况下考虑投入2台300 A和1台120 A的有源滤波器进行谐波治理，经过仿真计算结果可以看出电网的谐波含量发生了下降。通过有源滤波器治理后6.6 kV和440 V母线电压谐波总畸变率分别减少为1.29%和1.67%，见表5，满足了船级社规范的要求。由此得出，在其他3种工况下的母线电压谐波总畸变率在使用有源滤波器后也可以控制在船级社规范要求以内。

表4 各工况下谐波畸变情况

表5 航行工况下使用有源滤波器后谐波畸变情况

3.3 最恶劣工况下谐波计算对比

为验证配置的有源滤波器总容量是否合理，本文还针对谐波最恶劣的情况，对有源滤波器的谐波治理最大能力进行了考核。即考虑单台额定功率为3 690 kW的发电机在网运行，所有变频设备全部满负荷工作的情况。在此工况下考虑投入3台300 A和1台120 A的有源滤波器进行谐波治理。将未使用滤波器和使用滤波器后的仿真计算数据进行对比可以得到出，见表6、7，6.6 kV母排电压电网的电压谐波总畸变率从19.04%下降到1.56%，440 V母排电压电网的电压谐波总畸变率从26.28%下降到2.01%，单次谐波没有超过标称电压3%的限制要求，所有谐波畸变率都控制在了船级社规范要求的范围内。