江南造船(集团)有限责任公司 上海市 201913
摘要:船舶电网属于运行工况复杂的小型孤岛电网,受负载变化影响明显,抗干扰能力弱。因此大量变频设备产生的高次谐波会导致电压畸变,进而对整个电网造成极大的危害本文以某型24000TEU大型箱船为例,重点探讨一种抑制谐波的方法。
引言
在船舶电网中,流动的谐波电流会导致电网有功功率的损耗。特别是谐波频率高时,电网的集肤效应会使谐波损耗比基波损耗大,所以电网的谐波会导致线路附加损耗过大。为了达到船东经济环保的运营要求,大型集装箱船配置了大量的变频设备。船舶电网属于运行工况复杂的小型孤岛电网,受负载变化影响明显,抗干扰能力弱。因此大量变频设备产生的高次谐波会导致电压畸变,进而对整个电网造成极大的危害。本文以某型24000TEU大型箱船为例,重点探讨一种抑制谐波的方法。
1 大型集装箱船谐波分析
1.1 谐波的种类
电力系统中产生谐波的装置即谐波源,是具有非线性特性的用电设备。这些设备大致可分为三类:
含有铁芯设备的各磁饱和装置,如变压器,电抗器等。
电弧焊,电弧炉这种强冲击的非线性负载。
各种电力电子换流装置,是目前电力系统中最主要的谐波源。
1.2 谐波的影响
谐波的短期影响主要是造成保护装置的误动作;干扰电子系统内的控制装置(可控硅,PLC,继电保护等);异常的振动和噪声(低压盘柜,异步电机,变压器等);电容器过载导致异常发热而损坏;对电度计量及常用仪表指示的影响
谐波的长期影响是电源装置产生过热(变压器,发电机);机械应力(电动产生脉动转矩);电气设备长期过热;由于集肤效应,磁滞效应产生的附加损耗(变压器,配电导线等)
1.3 船舶电网THD值对电网污染的评估指标
没有重要的影响 | THDu<5% and THDi<10% |
有显著的污染,可能会产生损害 | 5%<THDu<8% or 10%<THDi<50% |
有严重的污染,会产生损害 | THDu>5% or THDi<50% |
注:THD为谐波总失真
2 本项目采取抑制谐波的方法:
抑制谐波的方法有很多种,本项目采用了通过有源滤波器进行消除谐波。有源滤波器的优势是动态补偿谐波,滤波效率高;不受系统影响,不会产生谐振;可以滤波,也可以同时滤波和无功补偿;不会发生过载
2.1规范对电网中谐波抑制的要求
IEC和船级社对船舶电网的谐波有严格的要求,规范主要考核的指标为电压谐波总畸变率 ,其计算公式为:
式中:为电网中基波电压的有效值;
为电网中第n次谐波电压的有效值。
DNV船级社在规范Pt4 1.2.7里要求单次谐波失真不超过5%,IEC 61000-2-4 规定总电压谐波失真不超过8%。
2.2MSC项目电网系统波计算分析
a)挂在脱硫塔配电板上的变频设备(共计1250KW)
b)挂在后部主配电板上的变频设备(共计1000KW)
c)挂在前部主配电板上的变频设备(共计100KW)
本船最恶劣的工况为:装卸货工况(不带冷箱):1台发电机运行,总负荷3703kW(其中非线性 负荷后部主配电板,前部主配电板和脱硫塔配电板分别为1000kW,100kW和1250kW) 计算结果如下:
谐波电压(%基础电压) | ||||||||
BUS | H5 | H7 | H11 | H13 | H17 | H19 | H23 | THD |
6.6kv BUS | 6.57 | 3.9 | 3.09 | 2.19 | 2.28 | 1.86 | 1.78 | 9.45 |
0.45KV AFT BUS | 4.72 | 3.43 | 3.37 | 1.86 | 1.84 | 1.5 | 1.46 | 7.4 |
0.45KV SCR BUS | 8.82 | 4.53 | 3.99 | 2.63 | 2.84 | 2.33 | 2.19 | 12.26 |
0.45KV FORE BUS | 0.84 | 0.63 | 0.48 | 0.4 | 0.43 | 0.36 | 0.4 | 1.52 |
表格结论:
6.6KV BUS 不能满足DNV船级社的要求
0.45KV SCR BUS 脱硫系统配电板不能满足DNV船级社的要求
3.3 MSC项目的谐波治理方案
根据结果可知:0.45kV的脱硫塔配电板和6.6kV的中压配电板不能满足船级社的谐波限制的要求,故本船采用有源滤波器的方案对脱硫塔配电板进行总补偿,补偿容量为400A。补偿后的计算结果 如下:
谐波电压(%基础电压) | ||||||||
BUS | H5 | H7 | H11 | H13 | H17 | H19 | H23 | THD |
6.6kv BUS | 4.06 | 2.83 | 2.11 | 1.6 | 1.66 | 1.86 | 1.31 | 6.37 |
0.45KV AFT BUS | 4.72 | 3.43 | 3.37 | 1.84 | 1.84 | 1.5 | 1.46 | 7.4 |
0.45KV SCR BUS | 3.11 | 1.94 | 1.76 | 1.23 | 1.42 | 1.18 | 1.11 | 5.11 |
0.45KV FORE BUS | 0.84 | 0.63 | 0.48 | 0.4 | 0.43 | 0.36 | 0.4 | 1.52 |
表格结论:
在脱硫配电板下挂载400A的有源滤波器,有效降低了主配电板和脱硫配电板的THD值,使其符合规范要求。
4.总结
装有大型脱硫系统的集装箱船,在脱硫系统的分电网中挂在有源滤波器,能够有效抑制谐波的产生。本文设计了一种在电网上挂载有源滤波器的方法,可为今后的超大型集装箱船的电网设计提供参考。
参考文献