諧波對船用發(fā)電機的影響及處理

■鄭雪連

（福建東南造船有限公司，馬尾 350015）

1 前言

在現(xiàn)代船舶建造中，船舶自動化程度越來越高，越來越多的非線性電力電子設備被使用，如整流器、變頻調速裝置、不間斷電源、逆變器等等，對船舶電網(wǎng)而言，應用的非線性電力設備越多，容量越大，產生的諧波就會使電網(wǎng)污染越嚴重，直接影響到船舶運行的安全性、可靠性及經濟性。本文主要講述在我廠建造的應急救助船上，其可伸縮全向推進器采用6脈沖變頻驅動時產生的諧波對發(fā)電機的影響及抑制處理。

2 諧波的產生及其危害

2.1 諧波的產生

所謂諧波，簡單的說，不同于工頻的其它頻率的正弦電壓或電流，我們就認為是諧波，諧波是工頻電壓或電流作用于非線性負載時所產生的，當電流流經負載時，與所加的電壓不呈線性關系，從而形成非正弦電流，即為諧波。例如，發(fā)電機發(fā)出的電能頻率是工整的50Hz，如果遇到非線性設備在電網(wǎng)中，當這些設備工作時，就會產生諧波，如單相整流器，就把50Hz的基波“整”成具有100Hz、150Hz、200Hz……等等成分的信號，就出現(xiàn)了諧波，這種會產生諧波的非線性的用電設備，我們通常稱它為諧波源。在船舶電網(wǎng)中主要的諧波源有整流器、變頻調速裝置、不間斷電源、逆變器等等。

2.2 諧波的危害

諧波的存在造成電網(wǎng)污染，使得正弦電壓波形畸變，導致電力系統(tǒng)中用電設備及其元器件出現(xiàn)許多異常現(xiàn)象和故障，如旋轉電機、通信裝置、保護裝置、變壓器、電容器組等等。

2.2.1 諧波對發(fā)電機的危害有哪些：

（1）文獻[1]中已經通過實驗記錄了同步發(fā)電機帶整流負載的端電壓和三相電流的波形，可以清楚的看到當發(fā)電機帶整流負載時，受負載非線性工作特性的影響，發(fā)電機的機端線電壓和三相電流的波形都發(fā)生了嚴重的畸變，含有大量的諧波。同時諧波對發(fā)電機的電磁轉矩有很大的危害，產生了一系列的附加諧波穩(wěn)定轉矩和脈動轉矩，使發(fā)電機伴隨著震動現(xiàn)象[1]。

（2）當發(fā)電機供電給變頻器時，由（1）我們知道三相電壓含有諧波分量，會使機端電壓和三相電流發(fā)生畸變，畸變的電壓和電流經過電網(wǎng)傳輸給各用電設備，其產生的危害詳見下文2.2.2。這里我們來看看對發(fā)電機AVR（自動電壓調節(jié)器）的影響，此時的自動電壓調節(jié)器在疊加了較大的諧波量和基波量后除了會發(fā)熱外，其整個調節(jié)功能將受到影響，無法精準地控制和調節(jié)發(fā)電機的機端電壓和無功功率，而且發(fā)熱會使絕緣介質提前老化，從而縮短元器件的使用壽命。

（3）發(fā)電機正常工作時，由于諧波產生的集膚效應使得發(fā)電機鐵磁設備損耗明顯增大，導致鐵芯的溫度升高，過熱，發(fā)電機出力明顯不足，絕緣介質提前老化，從而縮短了發(fā)電機的壽命。

2.2.2 諧波對用電設備的危害

電網(wǎng)中的諧波除了對供電設備如發(fā)電機、變壓器，電力電容等產生危害外，對用電設備不論自身是線性負載還是非線性負載產生的危害也不容小覷，例如：（1）一些敏感性負載受到干擾，如：計算機出錯、死機,計算機控制的設備出現(xiàn)異常故障等；（2）保護裝置異常動作,開關誤跳閘等；（3）使交流異步電動機增加附加損耗，降低效率，嚴重時使電動機過熱，當頻率接近某零件的固有頻率時還會使電動機產生機械振動，發(fā)出很大的噪聲。(4)使船上通訊設備數(shù)據(jù)傳送發(fā)生故障、廣播間斷并伴有工頻交流噪聲等；（5）對于含有電感、電容器件的電路，將使其溫度升高，損耗增大，元器件提前老化，使用壽命明顯縮短等;（6）對于由電壓或電流信號啟動動作的繼電器或啟動元件，當基波動作量并未達到整定值時，由于較大的諧波量和基波量疊加后的綜合量超過動作值,將引起繼電器誤動作。

3 治理諧波的措施及實例分析

3.1 治理諧波的措施

諧波對電力設備的危害早已被社會各界所了解，為了避免諧波導致的電氣設備老化，降容和損壞而提前更換設備，且使供電網(wǎng)絡更加可靠和連續(xù)性，必須采取有效的治理措施。目前最有效而且被廣泛采用的措施就是在諧波源處安裝濾波器，就近吸收諧波源產生的諧波電流。濾波器可分為無源濾波器和有源濾波器，它們的優(yōu)缺點主要是有源濾波器利用時域補償原理能做到適時補償，且不增加電網(wǎng)的容性元件，濾波效率高但是造價也高。無源濾波裝置可以吸收高次諧波，而所有濾波支路對基波呈現(xiàn)容性，正好滿足無功補償要求，不必另裝并聯(lián)電容器補償裝置，這種方法經濟、簡便，國內外廣泛采用。以上兩種型式濾波器各有利弊，在實際使用中應當根據(jù)實際情況綜合考慮選用。

對于船舶制造業(yè)來說，考慮到船舶供電網(wǎng)絡的可靠及航行的安全，各大船級社早已經出臺相關要求嚴格控制諧波超標問題，比如說ABS船級社要求THDu值應控制在8%以內。

3.2 實例分析

3.2.1 概況

我廠建造的應急救助船，船長60M，船寬15M，型深6.1M；入ABS級，動力采用雙主機驅動可調螺距螺旋槳，艏部一臺艏橫向推進器及一臺可伸縮全向推進器，艉部一臺艉橫向推進器組成，其中可伸縮全向推進器采用6脈沖變頻器驅動，為電流源型變頻器，見圖1，由單臺軸帶發(fā)電機供電，完整電路如下圖2。

圖1

圖2

G-發(fā)電機；

品牌規(guī)格：LeroySomer/LSAM 49.1M6/4P

額定功率PN:750KVA;

額定電壓/頻率:440V/60Hz;

Xd"=0.141

FC-6脈沖變頻器；

品牌規(guī)格：Schneider(施耐德)/ATV71HC40N4;

額定功率PN:400kW;

額定電壓/頻率:440V/60Hz;

額定電流：759A;

過載能力:=1138A（過載60S）;=1252A（過載2S）;

DC扼流圈:=37.5uH（額定1160A）

M-電動機；

額定功率：500kW;

額定電壓/頻率:440V/60Hz;

額定電流：810A;

功率因數(shù)：0.85;

效率：95.3%

3.2.2 分析

6脈沖整流電路具有結構簡單且較為經濟，更適用于簡單的電路當中，但是輸入電流中會產生很高的諧波分量，根據(jù)6脈沖變頻電路的交流電網(wǎng)側電流諧波規(guī)律6n±1次，n=1，2，3…，可以得出諧波次數(shù)越高，幅值越小，其中5次諧波分量最高，7次諧波分量次之。下圖3為西門子公司針對各脈沖變頻器做的仿真理論值。

圖3

基于圖3給出的仿真理論值，我們可以清楚的看到6脈沖變頻器產生的總諧波值理論上已高達31%，實際上，該電路中影響諧波的另一重要的因數(shù)是發(fā)電機的超瞬態(tài)阻抗值Xd"，該值的設定要與系統(tǒng)短路電流及諧波值協(xié)調考慮。為使該電路的諧波值滿足ABS船級社的要求控制在8%以內，考慮到該電路主要需要對特定次數(shù)的諧波進行處理及補償功率因數(shù)，且從經濟性角度出發(fā)首選是無源濾波器。目前國內外已有相當多的專業(yè)濾波器生產廠家，如西門子，ABB，施耐德，德國ELTROPLAN-REVCON等等。該項目選用的是德國ELTROPLAN-REVCON公司生產的RHF-A型無源LC濾波器，以吸收5次及7次諧波分量為目的，采用2組RHF-A型濾波器并聯(lián)方式，其中每組濾波器由電源側阻抗L0及并聯(lián)的雙LC串聯(lián)諧振回路組成，見圖4虛線框圖。其電感及電容參數(shù)的初步設定可根據(jù)文獻[3]給出的推導公式計算，再通過仿真實驗調整參數(shù)，以達到最佳濾波效果。

圖4

3.2.3 結果

通過計算及仿真實驗確定各參數(shù)值如下：L0=0.119mH;L1=0.27mH;L2=0.356mH;C1=300μF;C2=150μF,得出結果THD(u)為4.64%，小于8%，該電路諧波已被有效的抑制，完全滿足ABS船級社的要求，以下圖5（a）（b）及圖6分別為REVCON公司提供的該電路在使用濾波器前后的波形失真圖及柱狀分析圖。

圖5 （a）

圖5 （b）

圖6

4 小結

綜上所述，諧波的存在將降低發(fā)電機的供電質量，使船舶電力系統(tǒng)運行不穩(wěn)定，還會縮短發(fā)電機的壽命，增加船東的維修成本，必須采用有效手段予以消除。

[1]李璨.電力系統(tǒng)諧波對發(fā)電機的影響分析.電力科學與技術學報.2011(9).

[2]西門子.Topologies&Harmonics.

[3]茅建華.無源消諧濾波器LC 參數(shù)選擇原則的研究.電力建設,2006(5].