岸基船用變頻供電系統(tǒng)諧波問題的分析與處理

岸基船用變頻供電系統(tǒng)諧波問題的分析與處理

0岸基控制乘子系統(tǒng)組成及原理目前，國際上一些先進(jìn)港口已經(jīng)采用了與港口相連的固定電網(wǎng)的供電，并且這種供電方式被稱為“岸電技術(shù)”。岸電技術(shù)的研究、使用與推廣對于保護(hù)港區(qū)、城市的環(huán)境，建設(shè)清潔、宜人的國際航運(yùn)中心，無疑具有十分重要的意義。目前世界上已有的岸電項(xiàng)目都是60Hz港口電網(wǎng)向60Hz船舶電網(wǎng)直接供電，不涉及變頻技術(shù)。然而國外船舶電網(wǎng)頻率大多為60Hz，中國港口岸電電網(wǎng)頻率為50Hz，所以，需要研制適合中國電制的岸電變頻技術(shù)，將中國港口電網(wǎng)交流電變換成適合于外國船舶60Hz交流電，并且實(shí)現(xiàn)50Hz/60Hz雙頻供電。針對岸電變頻電源系統(tǒng)中，諧波對船舶電力系統(tǒng)會造成巨大的危害，使電網(wǎng)波形受到污染，影響各種用電設(shè)備的正常工作的問題，本文論述了岸基船用變頻供電系統(tǒng)的組成及原理。諧波抑制的方法以及電源裝置的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。1其他部件和器件岸基船用變頻供電系統(tǒng)變頻電源裝置主要包括輸入/輸出開關(guān)柜、高壓變壓器柜、變頻器柜、輸出變壓器柜等。除變頻器外，其他部件都采用無源器件，具有極高的可靠性和穩(wěn)定性。變頻電源單線圖見圖1。1.1高壓變壓器設(shè)計(jì)10kV/50Hz先進(jìn)入主移動(dòng)艙內(nèi)高壓開關(guān)柜，由高壓開關(guān)柜控制高壓通斷。采用中電電氣高壓變壓器，將10kV/50Hz降壓至690V/50Hz。高壓變壓器放在屏蔽盒內(nèi)達(dá)到隔斷變壓器內(nèi)外的磁場耦合作用。高壓變壓器選擇三繞組變壓器，其中一套繞組作為原繞組，另外兩套繞組作為副繞組，向變頻裝置輸出功率。高壓繞組是三角形接法，副繞組一個(gè)是星形接法且由中心點(diǎn)引出，另一個(gè)是三角形接法，互差30uf0b0電角度。這種電路的優(yōu)點(diǎn)是把整流電路的脈沖數(shù)由6脈沖提高到12脈沖，兩個(gè)整流橋產(chǎn)生的5、7、17、19、……次諧波相互抵消。1.2輸出開關(guān)690V/50Hz進(jìn)入低壓開關(guān)柜，控制低壓輸出通斷。輸入開關(guān)采用空氣斷路器，用于過載、過流和短路的保護(hù)。輸入EMI濾波器主要用于控制和保證輸入變頻器的電網(wǎng)電能質(zhì)量。1.3v/50hs交流正弦波690V/50Hz進(jìn)入變頻器柜的整流柜、逆變柜進(jìn)行整流、逆變，將690V/50Hz變頻為450V/60Hz方波，再經(jīng)正弦波濾波器整流成450V/60Hz正弦波，最后輸出到隔離變壓器，變頻部分采集輸出450V/60Hz正弦波形成閉環(huán)控制，控制電壓頻率穩(wěn)定。變頻器柜內(nèi)包含變頻器和諧波抑制器。1.4變壓器及硅鋼片的設(shè)計(jì)450V/60Hz正弦波輸出到隔離變壓器，能有效地防止船上負(fù)載電網(wǎng)和岸電電網(wǎng)的相互干擾，保護(hù)變頻電源裝置不會由于負(fù)載設(shè)備的故障而造成損壞。選用環(huán)氧樹脂澆注的高質(zhì)量低短路阻抗干式變壓器，絕緣級別為H級，是專為變頻電源設(shè)備特殊設(shè)計(jì)的。其具有較低短路阻抗、低損耗、低發(fā)熱量及高效率特性。硅鋼片采用0.3mm高導(dǎo)磁晶粒取向硅鋼片。干式隔離變壓器可增加用電安全和防止來自電網(wǎng)的干擾，能有效地防止船上負(fù)載電網(wǎng)和岸電電網(wǎng)的相互干擾，同時(shí)也保護(hù)變頻電源裝置不會由于負(fù)載設(shè)備的故障而造成損壞。1.5岸電主控制室隔離變壓器450V/60Hz輸出經(jīng)末端低壓開關(guān)柜，通過副艙9根柔性電纜及快速插頭接至船舶的岸電主控制室，供船舶設(shè)施用電。為使變頻電源系統(tǒng)正常運(yùn)行，安裝了溫控器、風(fēng)道、4臺散熱風(fēng)機(jī)及一臺空調(diào)。2交流特性全面凈化對于變頻電源整流時(shí)，因非線性引起的高次諧波，采用補(bǔ)償方式進(jìn)行諧波抑制，確保輸出具有良好的可靠性和穩(wěn)定性。1)變頻輸入側(cè)采用EMI濾波，濾波器由L、C（電感、電容）構(gòu)成的低通器件，保證輸入側(cè)電壓電流穩(wěn)定；2)變頻輸入側(cè)接入交流限流器，抑制輸入側(cè)和變頻器內(nèi)部產(chǎn)生高頻擾動(dòng)，同時(shí)改善變頻器輸入電流波形；3)變頻采用12脈沖整流技術(shù)，可消除11次以下的輸入諧波電流，抑制含量較大的諧波；4)變頻輸出側(cè)采用正弦濾波器，使變頻器輸出電壓（PWM控制）方波經(jīng)濾波后，波形接近正弦波，以消除方波中的高次諧波含量對電網(wǎng)的污染；5)正弦濾波器一般很難達(dá)到理想效果，輸出側(cè)還需采用其他濾波技術(shù)，增加濾波電容抵制諧波，防止電氣諧振。2.1多相流抑制技術(shù)2.1.1雙向橋式igbt電流特性6脈沖指以6個(gè)IGBT（絕緣柵雙極晶體管）組成的全橋整流，由于有6個(gè)開關(guān)脈沖對6個(gè)IGBT分別控制，所以叫6脈沖整流。當(dāng)忽略三相橋式IGBT整流電路換相過程和電流脈動(dòng)，假定交流側(cè)電抗為零，直流電感為無窮大，延遲觸發(fā)角a為零，則交流側(cè)電流傅里葉級數(shù)展開為：其中：Id——直流電流平均值。由公式（1）可知，電流中含6k±1(k為正整數(shù)）次諧波，即5、7、11、13…等各次諧波，各次諧波的有效值與諧波次數(shù)成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)。2.1.2整流器諧波次數(shù)12脈沖是指在原有6脈沖整流的基礎(chǔ)上，在輸入端、增加移相變壓器后再增加一組6脈沖整流器，使直流母線電流由12個(gè)IGBT整流完成，因此又稱為12脈沖整流。圖3為橋I和橋II兩個(gè)三相整流電路通過變壓器的不同聯(lián)結(jié)構(gòu)成12相整流電路。橋I的網(wǎng)側(cè)電流傅立葉級數(shù)展開為：橋II網(wǎng)側(cè)線電壓比橋I超前30uf0b0，因網(wǎng)側(cè)線電流比橋I超前30uf0b0，其傅立葉級數(shù)展開為：故合成的網(wǎng)側(cè)線電流：可見，兩個(gè)整流橋產(chǎn)生的5、7、17、19、…次諧波相互抵消，注入電網(wǎng)的只有12k±1(k為正整數(shù)）次諧波，即11、13、23、25等各次諧波，且有效值與諧波次數(shù)成反比，而與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)。從表1可得，6脈沖整流器諧波含量最大為5次諧波、12脈沖整流器強(qiáng)度最大為11次諧波。隨著岸電變頻功率的提高，可以采用24脈沖或者36脈沖整流，以達(dá)到更好的諧波抑制效果。2.2電磁干擾的屏蔽措施EMI濾波器是由L、C構(gòu)成的低通器件，主要抑制電磁干擾信號的傳導(dǎo)干擾，用于控制和保證輸入變頻器的電網(wǎng)電能質(zhì)量。在電子設(shè)備及電子產(chǎn)品中，電磁干擾能量可通過輻射性耦合或傳導(dǎo)性耦合進(jìn)行傳輸。抑制電磁干擾信號的輻射干擾，屏蔽是有效的措施；抑制電磁干擾信號的傳導(dǎo)干擾，EMI濾波器是十分有效的器件。2.3等組合而成正弦波濾波器主要由濾波電容器、濾波電抗器、無感電阻、控制保護(hù)系統(tǒng)等組合而成，與諧波源并聯(lián)，根據(jù)諧波電流的成份、大小及系統(tǒng)的無功需求情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得裝置向諧波提供一個(gè)低阻抗通道，大部分諧波電流流入濾波裝置，避免其流入電網(wǎng)，使電網(wǎng)的畸變減小。3輸出側(cè)供電時(shí)間及環(huán)境2010年3月22～23日，中海集運(yùn)“新福州”輪?？可虾８弁飧邩蚨诩b箱碼頭，移動(dòng)式岸基船用變頻變壓供電系統(tǒng)成功為“新福州”輪提供陸上電源，見圖4。此次供電目的為檢驗(yàn)2000kVA岸基變頻變壓電源給船上負(fù)載供電時(shí)的電氣特性。供電時(shí)間為22日17:39至23日10:24，共計(jì)為船舶供電16.75h。與“新福州”輪接電時(shí)間為22日，共50min；撤電時(shí)間為23日，計(jì)25min。外部環(huán)境為風(fēng)雨露天，溫度-5～11℃，相對濕度≤93%。表2為移動(dòng)式岸基船用變頻變壓供電系統(tǒng)輸出側(cè)測