有源滤波柜在半潜改装船谐波抑制中的应用

周 健

(青岛北海船舶重工有限责任公司，山东 青岛 266520)

随着全球海洋事业的不断发展，众多的工程船舶和施工机械需要在世界范围内被频繁调遣，使得半潜船的需求量不断加大，在半潜改装船中，对压载泵的操作大多采用新加交流变频器驱动，变频驱动除了能够满足设备的精确控制外，也会产生大量的谐波，对电网造成危害，特别是近几年的半潜改装船中，人们已开始分析研究谐波，逐步实施谐波的治理工作，降低变频装置对原船电网的影响。

1 半潜改装船谐波产生原因及危害

谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致，线性负载吸收的电流是与电压频率相同的正弦波电流，电流与电压之间存在着固定的相位差；而非线性负载吸收的电流是周期性的，但不是正弦波电流，电流中含有谐波而造成波形失真。谐波主要由谐波电流源产生。当正弦基波电压施加到非线性负荷时，设备吸收的电流与施加的电压波形不同，电流因此发生了畸变，由于负荷与电网相连，故谐波电流注入到电网中，这些非线性负荷就成了电力系统的谐波源[1]。

以“海燕”油船改装为半潜船项目为例，改造前有2台225 kW的压载泵，改造后将配有6台压载泵，均需变频驱动方式，包括4台225 kW/440 V压载泵和2台370 kW/440 V压载泵。压载泵变频驱动系统选用ACS800系列6脉变频器进行控制，图1为“海燕”半潜改装船电力系统单线图，ACB表示空气断路器。该交流变频控制系统包括大量的大功率电力电子器件，会产生(6n±1)次谐波(n为任意整数)，例如：5、7、11、13、17次谐波等,该谐波会影响整个平台电力系统的稳定性和安全性。

图1 “海燕”半潜改装船电力系统单线图

谐波对全船的电气设备有大量危害：可造成变压器的温度升高，噪声增加；电缆老化，绝缘老化加速；导致电动机及发电机效率降低，并影响转矩；断路器继电保护装置、接触器、热继电器等电气保护元件过热、误动作等；对一些电脑通讯设备可造成干扰等。

2 谐波抑制方式选择

目前电力系统谐波治理主要存在2大主流方法：无源滤波和有源滤波[2]。无源滤波是比较传统的方法，通过采用一组或数组单调谐波器组成，但由于变频器产生的谐波次数主要是(6n±1)次谐波，而无源滤波装置对每次谐波都要单独设计单谐振回路，滤波特性依赖于电源阻抗和补偿容量，不能完全消除谐波，反而存在更大谐振的危险，其结构简单、成本低，适合于负荷单一、变化率小的系统。有源滤波可消除与系统阻抗发生谐振的危险，具有自适应功能，基本原理是从治理对象中检测出谐波电流，由滤波器产生一个与谐波电流大小相等、极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波分量，这种滤波器能够快速对频率、幅值都变化的谐波进行动态跟踪补偿，且滤波特性不受电网阻抗的影响，完全解决了无源滤波无法克服的一系列问题。基于以上分析，选用有源滤波装置进行谐波治理，由图1知，作为谐波源的变频器有6台，所以采取集中治理的方案，即在A母线和B母线分别配置1套有源滤波装置进行谐波治理。

3 谐波治理

3.1 治理前仿真

根据“海燕”船电力负荷计算书，6台压载泵变频驱动系统仅在“装卸货”工况下运行，其它工况下，压载泵变频驱动系统不运行，电网谐波满足规范要求。在谐波计算中，仅计算“装卸货”工况，即3台发电机运行，全部电机及负荷同时运行情况。在计算过程中，“装卸货”工况下的负载全部等效连接至主配电板。该谐波计算考虑以下操作条件：压载泵平均负载率80%，功率因数为0.83； 因为变频器是6脉冲交流变频驱动，产生谐波畸变率按最大30%计算。

通过仿真软件计算，可模拟出谐波治理前谐波电压畸变率及各计算线电流值见图2，图2中箭头“↓”表示电流的方向，母线谐波电压畸变率为13.88%，超过规范要求的8%；同时，通过仿真软件，得出治理前单次谐波电压畸变率见表1，其中5次、7次单次谐波电压畸变率已经超过5%。

图2 谐波治理前谐波电压畸变率及各计算线电流值

表1 治理前单次谐波电压畸变率

根据图2，总结出AC440 V母线下4个计算点的谐波电流畸变率见表2。

表2 治理前谐波电流畸变率

3.2 基波电流和谐波电流计算

电流计算公式如下：

(1)

Ih1=IF1×THDi，

(2)

式中，IL为线电流；IF1为基波电流；Ih1为谐波电流；THDi为谐波电流畸变率。

根据公式(1)、公式(2)可知，各计算点基波电流与谐波电流计算值见表3。

表3 各计算点基波电流与谐波电流计算值

系统谐波电压畸变率需要低于8%，为保证达到要求，按照基波电压440 V，系统等效阻抗0.16 Ω,补偿前谐波电压畸变率为13.88%,补偿后谐波电压畸变率为5.00%计算，A母排、B母排所需最小补偿谐波电流为241 A。

3.3 增加有源滤波器治理谐波

通过仿真计算，A母排、B母排各增加一套241 A有源滤波器后，仿真有源滤波治理单线图见图3，此时母线谐波电压畸变率为3.2%。

图3 仿真有源滤波治理单线图

通过仿真计算，滤波开启前、后电压波形对比图见图4，有源滤波柜开启后电压谐波畸变情况见表4。

图4 滤波开启前、后电压波形对比图

表4 有源滤波柜开启后电压谐波畸变情况

由仿真结果可知，母线谐波电压畸变率为3.2%，低于改造方案所需的8%要求。单次谐波畸变率都低于5%，满足规范要求。

3.4 滤波器选型

A母排段、B母排段所需最小补偿谐波电流均为241 A，且有源滤波器工作在其最大输出功率85%左右性能最佳、运行最稳定，建议在A母排段、B母排段均安装容量为270 A的有源滤波器。补偿后母线上总谐波电压畸变率小于8%，单次电压谐波畸变率低于5%，满足改造方案要求。

4 结束语

谐波污染是电力系统不能忽视和回避的问题，直接影响供电质量和设备寿命，在半潜改装船中采用有源滤波装置，进行了谐波抑制，提高了电能质量，是很有价值的尝试。谐波电流和电压降低到了国标允许值以下，满足规范提出的单次电压谐波畸变率低于5%、总谐波低于8%的要求。通过以上分析研究，可知设置有源滤波装置是比较理想的谐波治理方案，为解决此类改装项目提供了宝贵经验。