電力推進(jìn)船舶電網(wǎng)諧波分析及抑制方法

1、摘 要電力電子技術(shù)的發(fā)展促成了船舶電力推進(jìn)技術(shù)的快速發(fā)展,但同時(shí)各種非線性電力電子器件的大量使用,在船舶電力系統(tǒng)中產(chǎn)生大量的諧波,導(dǎo)致設(shè)備容量和線路損耗增加,使得電網(wǎng)質(zhì)量惡化,影響了電力設(shè)備的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。諧波污染問題日益嚴(yán)重,如何有效的治理諧波,將諧波控制在規(guī)范允許的限值以下,是當(dāng)前具有重要現(xiàn)實(shí)意義和工程實(shí)踐價(jià)值的課題。但是由于電力推進(jìn)需要使用大容量電力電子裝置，如整流、逆變設(shè)備。所有電力電子裝置在實(shí)現(xiàn)功率控制和處理的同時(shí)都不可避免地產(chǎn)生大量的諧波，很容易會對電力系統(tǒng)產(chǎn)生影響。諧波的危害非常嚴(yán)重。一方面，諧波使電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的效率降低，導(dǎo)致設(shè)備過熱、絕緣老化、使用壽命降低，嚴(yán)重時(shí)還會

2、使設(shè)備電器和機(jī)械間產(chǎn)生諧振。諧波也有可能引起電力系統(tǒng)的局部串聯(lián)或并聯(lián)諧振，引起保護(hù)設(shè)備誤動(dòng)作。諧波在電力線路中的傳輸或者在設(shè)備工作中的發(fā)射還會對電網(wǎng)中的電子設(shè)備或通信設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾；另一方面，諧波對電力電子器件以及電力電子裝置本身也造成了很大的損傷。諧波會增加系統(tǒng)的損耗，損耗的增加直接導(dǎo)致系統(tǒng)的發(fā)熱量增加，相應(yīng)要求系統(tǒng)的散熱措施要加大，造成系統(tǒng)的體積、成本增加。諧波還會造成裝置的過電流、過電壓等問題，從而影響系統(tǒng)的可靠性。電力濾波器可以有效地抑制電力推進(jìn)船舶電網(wǎng)諧波。關(guān)鍵詞：電力電子技術(shù)，非線性電力電子器件，諧波，電力濾波器目錄一、概述1二、電力推進(jìn)船舶電網(wǎng)諧波產(chǎn)生的原因及造成的危害2(一

3、)電力推進(jìn)船舶電網(wǎng)諧波產(chǎn)生的原因21.發(fā)電源質(zhì)量不高產(chǎn)生諧波22.輸配電系統(tǒng)產(chǎn)生諧波23.用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波24.船舶上應(yīng)用的元器件產(chǎn)生的高次諧波3(二)電力推進(jìn)船舶電網(wǎng)諧波造成的危害31.對船舶電網(wǎng)的影響32.對船舶主要負(fù)荷的影響3三、諧波與有源電力濾波器的基本概念及原理5(一)諧波的基本概念及含義51.諧波的定義52.諧波分析的基本概念6(二)有源電力濾波器的基本概念及原理71.有源電力濾波器的基本概念72.有源電力濾波器的原理8四、電力推進(jìn)船舶電網(wǎng)諧波抑制方法9(一)減少諧波源產(chǎn)生的諧波含量9(二)在諧波源附近安裝濾波器，就近吸收諧波電流9五、基于ABB有源濾波器的電力推進(jìn)海工船電網(wǎng)諧波

4、抑制的實(shí)例分析10(一)ABB有源濾波器用于電力推進(jìn)海工船的設(shè)計(jì)10(二)ABB有源濾波器用于電力推進(jìn)海工船電網(wǎng)諧波分析11(三)電力推進(jìn)海工船電網(wǎng)諧波治理前后對諧波情況的比較14六、結(jié)論與展望15參考文獻(xiàn)16致謝17一、 概述“諧波”一詞起源于聲學(xué)。有關(guān)諧波的數(shù)學(xué)分析在18世紀(jì)和19世紀(jì)已奠定了良好的基礎(chǔ)。傅里葉等人提出的諧波分析方法至今仍在廣泛采用。電力系統(tǒng)的諧波問題早在20世紀(jì)20年代和30年代就引起了人們的關(guān)注。當(dāng)時(shí)在德國，由于使用靜態(tài)汞弧而造成了電壓、電流波形的畸變。1945年J.C.Read發(fā)表的有關(guān)變流器諧波的論文是早期關(guān)于諧波研究的經(jīng)典論文。到了50年代和60年代E.W.Kim

5、bark在其著作中對此進(jìn)行了總結(jié)。70年代以來由于電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)、交通及家庭的應(yīng)有日益廣泛，諧波所造成的危害也日趨嚴(yán)重。世界各國都對諧波問題給予充分關(guān)注，定期召開有關(guān)諧波問題的學(xué)術(shù)討論會。國際電工委員會（IEC）和國際大電網(wǎng)會議都相繼組成了專門的工作組，制定包括供電系統(tǒng)、各項(xiàng)電力設(shè)備和用電設(shè)備以及家用電器在內(nèi)的諧波標(biāo)準(zhǔn)。近年來，配電網(wǎng)中整流器、變頻調(diào)速裝置、電弧爐、電氣化鐵路以及各種電力電子設(shè)備的應(yīng)用不斷增加。這些非線性、沖擊性和不平衡性的用電特性，對供電質(zhì)量造成嚴(yán)重的污染。另一方面，現(xiàn)代工業(yè)、商業(yè)以及居民用戶的用電設(shè)備對電能質(zhì)量的要求更加敏感，對供電

6、質(zhì)量提出了更高的要求。隨著信息產(chǎn)業(yè)、高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展以及傳統(tǒng)行業(yè)采用計(jì)算機(jī)管理及先進(jìn)控制技術(shù)的應(yīng)用，現(xiàn)代數(shù)字信息對供電可靠性及個(gè)性化電能質(zhì)量需求有了更高的要求。這意味著信息社會不僅依賴于電力供應(yīng)，而且更需要新的特殊的電力供應(yīng)。美國電力研究院(EPRI)的Narain G.Hingorani博士于1988年首先提出了“Custom Power”的新概念及其質(zhì)量分成三個(gè)等級。這實(shí)質(zhì)上就是計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代控制理論和電力電子技術(shù)應(yīng)用于配電系統(tǒng)，構(gòu)成能夠提供優(yōu)質(zhì)電力和其他不同質(zhì)量的電力的配電系統(tǒng)以適應(yīng)不同電力用戶的不同要求。這是新一代柔性配電系統(tǒng)的發(fā)展方向。柔性配電新技術(shù)將為在電力市場條件下的電力

7、用戶提供純凈、穩(wěn)定、可靠的綠色電源；同時(shí)，也提高了電能的傳輸效率，給供電部門帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。僅依靠過去的無源濾波技術(shù)治理諧波已不能滿足要求，研究和開發(fā)適應(yīng)這一要求的新技術(shù)已成為近年來電力系統(tǒng)領(lǐng)域中的熱點(diǎn)。用戶電力（Custom Power）新技術(shù)主要利用GTO、IGBT等大功率電力電子器件組成的控制設(shè)備向用戶提供增值的、高可靠的、高質(zhì)量的電能，提高系統(tǒng)的供電可靠性（減少斷電次數(shù)），保證功率流質(zhì)量。二、 電力推進(jìn)船舶電網(wǎng)諧波產(chǎn)生的原因及造成的危害(一) 電力推進(jìn)船舶電網(wǎng)諧波產(chǎn)生的原因電力推進(jìn)船舶電網(wǎng)中的諧波主要是由各種變流設(shè)備以及其他非線性負(fù)載產(chǎn)生的。當(dāng)正弦基波電壓(電源阻抗為零阻抗時(shí))施

8、加于非線性負(fù)載時(shí)，負(fù)載吸收的電流與施加的電壓波形不同，畸變電流影響電流回路中的配電設(shè)施。在實(shí)際存在系統(tǒng)電源阻抗時(shí)，畸變電流將在阻抗上產(chǎn)生電壓降，因?yàn)楫a(chǎn)生畸變電壓，畸變電壓將對所有的負(fù)載產(chǎn)生影響。系統(tǒng)中的主要諧波源有含半導(dǎo)體非線性元件的諧波源及含電弧和鐵磁非線性設(shè)備的諧波源。前者如各種整流設(shè)備，交流調(diào)壓裝置，變流設(shè)備，直流拖動(dòng)設(shè)備整流器，PWM變頻器，相控調(diào)制變頻器以及現(xiàn)代工業(yè)設(shè)施為節(jié)能和控制用的電力電子設(shè)備等。后者如交流電弧爐，交流電焊機(jī)，日光燈和發(fā)電機(jī)，變壓器及鐵磁諧振設(shè)備等。所有這些都使得電力系統(tǒng)的電壓，電流波形發(fā)生畸變，從而產(chǎn)生高次諧波。1. 發(fā)電源質(zhì)量不高產(chǎn)生諧波發(fā)電源質(zhì)量不高產(chǎn)生諧波

9、。由于發(fā)電機(jī)的三相繞組無法做到絕對對稱，鐵心也很難做到絕對均勻一致，因此發(fā)電源會產(chǎn)生一些諧波。但一般較少。2. 輸配電系統(tǒng)產(chǎn)生諧波輸配電系統(tǒng)產(chǎn)生諧波。輸配電系統(tǒng)中主要是電力變壓器產(chǎn)生諧波。由于變壓器鐵心的飽和、磁化曲線的非線性，加上設(shè)計(jì)變壓器時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性，其工作磁密選擇在磁化曲線的近飽和段上，使得磁化電流呈尖頂波形，含有奇次諧波，以3次諧波為主，其大小與磁路的結(jié)構(gòu)形式、鐵心的飽和程度有關(guān)。鐵心的飽和程度越高，變壓器工作點(diǎn)偏離線性越遠(yuǎn)，諧波電流就越大。3. 用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波。越來越多具有非線性特性的電氣設(shè)備被應(yīng)用于船舶上。即使電源供給這些設(shè)備的是正弦波形的電壓但由于它們具有非

10、線性的電壓-電流特性。使得流過電網(wǎng)的電流波形是非正弦的，即產(chǎn)生了諧波，使電網(wǎng)電壓嚴(yán)重失真。4. 船舶上應(yīng)用的元器件產(chǎn)生的高次諧波在船舶上產(chǎn)生高次諧波的元件很多例如舵機(jī)系統(tǒng)、冰庫制冷系統(tǒng)、輔鍋爐系統(tǒng)中的變流設(shè)備。最為嚴(yán)重的是電力推進(jìn)系統(tǒng)中采用變頻器調(diào)速和串級調(diào)速的交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)以及采用晶閘管變流的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)等。都有大型的變流裝置，它們產(chǎn)生的高次諧波電流尤為突出，是造成船舶電力系統(tǒng)中諧波干擾的最主要因素。(二) 電力推進(jìn)船舶電網(wǎng)諧波造成的危害隨著電力電子裝置在船舶上的廣泛應(yīng)用，電力電子裝置已成為網(wǎng)絡(luò)中最大的諧波源。而諧波對電力系統(tǒng)會造成非常嚴(yán)重的影響，對船舶電網(wǎng)和主要設(shè)備都會產(chǎn)生不同程

11、度的危害。1. 對船舶電網(wǎng)的影響與陸上電網(wǎng)相比，船舶電網(wǎng)線路短、負(fù)荷密度大，高次諧波電流在線路阻抗上形成諧波電壓降落，產(chǎn)生有功功率和無功功率損耗，但數(shù)值不大。船舶電網(wǎng)主要由電纜構(gòu)成。對于此類輸電系統(tǒng)，諧波除了引起附加損耗外，還可能使電壓波形出現(xiàn)尖峰，從而加速電纜絕緣的老化，引起浸漬絕緣的局部放電，也使介質(zhì)損耗增加、溫升增高，縮短電纜的使用壽命。最嚴(yán)重的是，高次諧波可能在船舶電力系統(tǒng)中發(fā)生電壓諧振引起線路過電壓，可能擊穿電纜、導(dǎo)線及設(shè)備的絕緣，引起重大事故。2. 對船舶主要負(fù)荷的影響船舶電力系統(tǒng)的主要負(fù)荷是電機(jī)。電網(wǎng)中含高次諧波時(shí)，會使電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生高頻磁場，使運(yùn)行中的電機(jī)發(fā)熱、損耗增加、效率降低

12、。此外，當(dāng)電機(jī)中諧波電流頻率接近于某些零部件的固有振動(dòng)頻率時(shí)，會產(chǎn)生機(jī)械共振、噪聲和諧波過電壓。這些都將縮短電機(jī)的壽命，情況嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)p壞電機(jī)。在電力推進(jìn)系統(tǒng)中，同步電機(jī)占了很大容量，對同步電機(jī)來說，定子繞組流過諧波電流后將產(chǎn)生與諧波頻率相對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)磁場，在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出諧波電流。對隱極電機(jī)來說，諧波電流主要在轉(zhuǎn)子的槽楔、齒和轉(zhuǎn)子端部的套箍上流動(dòng)。對凸極電機(jī)來說，諧波電流主要在極靴中流動(dòng)。由于諧波頻率高，集膚效應(yīng)顯著，因此諧波電流只在上述轉(zhuǎn)子各部件的表層流動(dòng)，所以轉(zhuǎn)子中的阻尼繞組、槽楔、齒和套箍最容易受到諧波電流的損害。諧波發(fā)熱對隱極電機(jī)的影響要比對凸極電機(jī)的影響嚴(yán)重得多。集膚效應(yīng)使得定子

13、繞組中的諧波電流的分布也很不均勻。定子雙層繞組中沿槽高度的上層線棒內(nèi)的諧波損耗可能比下層線棒內(nèi)高幾倍。但對電機(jī)而言，諧波損耗主要還是在轉(zhuǎn)子中。異步電機(jī)的定子繞組流入正序和負(fù)序諧波電流I時(shí)，形成正向或反向以n倍同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的磁場。正序分量諧波電流將產(chǎn)生正向轉(zhuǎn)矩，和基波正序分量轉(zhuǎn)矩方向相同。負(fù)序分量諧波電流將產(chǎn)生相反方向的轉(zhuǎn)矩。由于諧波分量一般并不大，因此產(chǎn)生的轉(zhuǎn)距也很小，而且正序和負(fù)序諧波電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩相互抵消一部分，所以諧波電流產(chǎn)生的平均轉(zhuǎn)矩可以忽略，但是它產(chǎn)生的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩卻會引起電機(jī)的機(jī)械振動(dòng)和噪聲。諧波對變壓器的影響主要是引起附加損耗和過熱，其次是產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)、噪聲和諧波過電壓。變壓器勵(lì)磁電

14、流中的諧波電流通常不大于額定電流的1，且其作用是使磁通為正弦波，因此并不引起變壓器鐵損耗增大。變壓器在剛通電過程中諧波電流可能很大，但歷時(shí)很短，一般也不會形成危害。但當(dāng)發(fā)生諧振時(shí)，就有可能危及變壓器的安全當(dāng)直流電流或低頻電流流入變壓器時(shí)，會使鐵心嚴(yán)重飽和，勵(lì)磁電流中的諧波電流就會大大增加，會使變壓器受到危害。諧波源的諧波電流流入變壓器時(shí)，對其主要影響是增加了它的銅損耗和鐵損耗。隨著諧波頻率的增高，集膚效應(yīng)更加嚴(yán)重，鐵損耗也更大。因此高次諧波分量比低次諧波分量更易引起變壓器的發(fā)熱。諧波電流還會引起變壓器外殼、外層硅鋼片和某些緊固件的發(fā)熱，并有可能引起變壓器局部嚴(yán)重過熱。諧波還會引起變壓器的噪聲增

15、大。對電力電容器的影響，在船舶電站中常采用電力電容器補(bǔ)償感性負(fù)載導(dǎo)致的功率因數(shù)下降。高次諧波對電容器的影響最為突出，高次諧波對電容器呈現(xiàn)出低阻抗，電容器為高次諧波提供了通道，諧波電流與基波疊加，通過電容器的總電流增加，持續(xù)的過流使電容器溫升增加、壽命縮短，嚴(yán)重時(shí)使電容器損壞、甚至爆炸。另外，電容器容性阻抗和系統(tǒng)感性阻抗可能在某次諧波頻率附近發(fā)生諧振。船舶上的變流裝置一方面是主要的諧波源，產(chǎn)生特征和非特征諧波并注入電網(wǎng)；另一方面，由于諧波引起控制系統(tǒng)誤差，電流變化率、電壓變化率過高或產(chǎn)生過熱效應(yīng)，都會引起晶閘管故障，給換流裝置帶來影響。某些受控的變流器的控制邏輯往往因畸變電壓而導(dǎo)致運(yùn)行誤差。電力

16、系統(tǒng)中的諧波會改變繼電保護(hù)設(shè)備的性能，引起誤動(dòng)作或拒絕動(dòng)作。高次諧波會產(chǎn)生電磁干擾，影響通訊網(wǎng)絡(luò)的電磁效應(yīng)和正常的通訊載波工作，導(dǎo)致敏感設(shè)備故障，因此通常需要采用獨(dú)立的清潔電源(如UPS等)對船舶敏感設(shè)備供電。對船舶通信、電子設(shè)備的影響船舶通訊包括與外界的無線通訊和船舶內(nèi)部的有線電話通訊。高次諧波形成對通訊設(shè)備和線路的干擾信號，影響通訊網(wǎng)絡(luò)的電磁效應(yīng)和正常的通訊載波工作。如對電話線路而言，音頻通道的工作頻率約為3003000Hz，而供電線路的許多諧波就在這個(gè)范圍內(nèi)由于電力線路和電話線路的功率差別很大，所以供電系統(tǒng)的諧波將引起可以察覺、有時(shí)甚至是不能允許的電話雜音。船舶的導(dǎo)航設(shè)備和采用微電腦及其

17、它電子元件控制的船舶自動(dòng)控制系統(tǒng)包含了大量數(shù)字電路部件。它們都要求可靠和穩(wěn)定的工作，特別是導(dǎo)航設(shè)備。數(shù)字電路所用邏輯元件都有各自的閥電平和與之相對應(yīng)的干擾信號容限，如果諧波的干擾超過其容限，就可能破壞觸發(fā)器和存儲器保存的信息，排除干擾后，它仍會在系統(tǒng)內(nèi)部的存儲器件里留下痕跡，系統(tǒng)也不會再恢復(fù)到原來的工作狀態(tài)。即使含有微處理器的系統(tǒng)里程序沒遭破壞，若地址總線受到干擾，也會有程序丟失的危險(xiǎn)，使系統(tǒng)進(jìn)人預(yù)想不到的狀態(tài)，甚至陷入意外停機(jī)狀態(tài)。因此高次諧波對導(dǎo)航等電子設(shè)備危害是嚴(yán)重的。三、 諧波與有源電力濾波器的基本概念及原理(一) 諧波的基本概念及含義1. 諧波的定義在供電系統(tǒng)中，通?？偸窍Ｍ涣麟妷?/p>

18、和交流電流呈正弦波形。正弦電壓可表示為 u(t)=Usin() 式中 U電壓有效值初相角角頻率f頻率T周期正弦電壓施加在電阻、電感和電容這些線性無源元件上，其電流和電壓分別為比例、積分和微分關(guān)系，仍為同頻率的正弦波。但當(dāng)正弦電壓施加在非線性電路上時(shí)，電流就變?yōu)榉钦也?，非正弦電流在電網(wǎng)阻抗上產(chǎn)生壓降，會使電壓波形也變?yōu)榉钦也?。?dāng)然，非正弦電壓施加在線性電路上時(shí)電流也是非正弦波。對于周期為T=的非正弦電壓u()，一般滿足狄里赫利條件，可分解為如下形式的傅立葉級數(shù) u()= a0+ 式中 ; ; b=;或u()= a0+ 式中 c, , 和 a, b的關(guān)系為 c= ； =arctg(); a=

19、csin; b= ccos；在傅立葉級數(shù)中，頻率為1/T的分量稱為基波，頻率為大于1/T的整數(shù)倍基波頻率的分量稱為諧波，諧波次數(shù)為諧波頻率和基波頻率的整數(shù)比。國際上公認(rèn)的諧波含義為：“諧波是一個(gè)周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍”。所以，諧波次數(shù)必須為整數(shù)。如:我國電力系統(tǒng)的額定頻率為50Hz，則其基波為50Hz, 2次諧波為100Hz,以此類推。即諧波次數(shù)為諧波頻率和基波頻率的整數(shù)比, 也可以分為奇次諧波和偶次諧波。2. 諧波分析的基本概念n次諧波電壓含有率以HRU (Harmonic Ratio U)表示 HRU= 式中 U第n次諧波電壓有效值； U基波電壓有效值；n次諧波電

20、流含有率以HRI表示 HRI= 式中 I第n次諧波電流有效值； I基波電流有效值；諧波電壓含量U和諧波電流含量I分別定義為: 電壓諧波總畸變率TND(Total Harmonic Distortion)和電流諧波總畸變率THD分別定義為: THD= THD= 以上介紹了諧波以及與諧波有關(guān)的基本概念?？梢钥闯觯C波是一個(gè)周期電氣量中頻率為大于1整數(shù)倍基波頻率的正弦波分量。(二) 有源電力濾波器的基本概念及原理1. 有源電力濾波器的基本概念有源電力濾波器是一種能夠彌補(bǔ)無源濾波器不足的一種新型諧波抑制設(shè)備，是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無功的新型電力電子裝置，它能對大小變化的諧波以及變化的無功進(jìn)行補(bǔ)償

21、。它的基本原理是從補(bǔ)償對象中檢測出諧波電流，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個(gè)與該諧波電流大小相等而極性相反的補(bǔ)償電流，從而使電網(wǎng)電流只含基波分量。其應(yīng)用可克服LC無源濾波器等傳統(tǒng)諧波抑制和無功補(bǔ)償方法的缺點(diǎn)，與傳統(tǒng)無源濾波器相比，具有突出的優(yōu)點(diǎn)，概括起來主要有：實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，可對頻率和大小都變化的諧波以及變化的無功功率進(jìn)行補(bǔ)償，對補(bǔ)償對象的變化有極快的響應(yīng)；可同時(shí)對諧波和無功功率進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償無功功率時(shí)不需要儲能元件，補(bǔ)償諧波時(shí)所需要儲能元件容量也不大，且補(bǔ)償無功功率的大小可做到連續(xù)調(diào)節(jié)；即使補(bǔ)償電流過大，有源電力濾波器也不會發(fā)生過載，并能正常發(fā)揮補(bǔ)償作用；受電網(wǎng)阻抗的影響不大，不容易和電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振；

22、能跟蹤電網(wǎng)頻率的變化，故補(bǔ)償性能不受電網(wǎng)頻率變化的影響；既可對一個(gè)諧波和無功源單獨(dú)補(bǔ)償，也可對多個(gè)諧波和無功源集中補(bǔ)償?；谟性礊V波器的上述優(yōu)點(diǎn)，采用有源電力濾波器是對諧波進(jìn)行抑制的一個(gè)發(fā)展趨勢，因而受到廣泛的重視，對于保證電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性具有重要意義，具有廣闊的應(yīng)用前景。例如電力推進(jìn)系統(tǒng)中通常采用交一交變頻裝置，其輸入電流的諧波分量十分復(fù)雜，其頻率不僅和輸入電源頻率、變頻電路的結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且和變頻電路的輸出頻率有關(guān)，其頻率通常不是輸入頻率的整數(shù)倍。這種諧波特點(diǎn)直接決定了抑制諧波采用的方法。由于無源濾波器通常只能抑制特定頻率的諧波，不能滿足諧波抑制的要求。有源濾波器是一種能

23、夠彌補(bǔ)無源濾波器不足的一種新型的控制裝置，它首先檢測出不同頻率的諧波，然后產(chǎn)生出相位相反的同頻率諧波進(jìn)行補(bǔ)償，以達(dá)到消除諧波的目的。由此看來，在交一交變頻電力推進(jìn)船舶上采用有源電力濾波器，可以更好地消除電網(wǎng)的諧波。2. 有源電力濾波器的原理有源電力濾波器由有源逆變器構(gòu)成，與被補(bǔ)償?shù)闹C波負(fù)載并聯(lián)連接，通過實(shí)時(shí)檢測負(fù)載電流波形，控制有源電力濾波器產(chǎn)生相應(yīng)的補(bǔ)償電壓，使有源支路的阻抗對各次諧波都為零，濾除波形中的基波（50/60Hz）成分，將剩余部分的波形反向，通過控制IGBT的觸發(fā)，將反向電流注入供電系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)濾除諧波、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)波動(dòng)、抑制諧振、提高功率因素等四大功能。從而提高濾波器的濾波效果

24、。有源電力濾波器是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無功的新型電力電子裝置，它能夠?qū)Σ煌笮『皖l率的諧波進(jìn)行快速跟蹤補(bǔ)償，它可以通過采樣負(fù)載電流并進(jìn)行各次諧波和無功的分離，控制并主動(dòng)輸出電流的大小、頻率和相位，并且快速響應(yīng)，抵銷負(fù)載中相應(yīng)電流，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償，而且可以既補(bǔ)諧波又補(bǔ)無功和不平衡。有源電力濾波器通過電流互感器檢測負(fù)載電流，并通過內(nèi)部DSP計(jì)算，提取出負(fù)載電流中的 諧波成分，然后通過PWM信號發(fā)送給內(nèi)部IGBT,控制逆變器產(chǎn)生一個(gè)和負(fù)載諧波電流大小相等，方向相反的諧波電流注入到電網(wǎng)中，達(dá)到濾波的目的。指令電流檢測電路的功能主要是從負(fù)載電流中分離出諧波電流分量和基波無功電流，然后將其反極性

25、作用后發(fā)生補(bǔ)償電流的指令信號。電流跟蹤控制電路的功能是根據(jù)主電路產(chǎn)生的補(bǔ)償電流，計(jì)算出主電路各開關(guān)器件的觸發(fā)脈沖，此脈沖經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后作用于主電路。這樣電源電流中只含有基波的有功分量，從而達(dá)到消除諧波與進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)哪康?。根?jù)同樣的原理，電力有源濾波器還能對不對稱三相電路的負(fù)序電流分量進(jìn)行補(bǔ)償。有源電力濾波器的主電路一般由PWM逆變器構(gòu)成。根據(jù)逆變器直流側(cè)儲能元件的不同，可分為電壓型有源濾波器(儲能元件為電容)和電流型有源濾波器(儲能元件為電感)。電壓型有源濾波器在工作時(shí)需對直流側(cè)電容電壓控制，使直流側(cè)電壓維持不變，因而逆變器交流側(cè)輸出為PWM電壓波。而電流型有源濾波器在工作時(shí)需對直流側(cè)電感電流

26、進(jìn)行控制，使直流側(cè)電流維持不變，因而逆變器交流側(cè)輸出為PWM電流波。電壓型有源濾波器的優(yōu)點(diǎn)是損耗較少，效率高，該電流在電感內(nèi)阻上將產(chǎn)生較大損耗。四、 電力推進(jìn)船舶電網(wǎng)諧波抑制方法(一) 減少諧波源產(chǎn)生的諧波含量降低諧波源的諧波含量。也就是在諧波源上采取措施,最大限度地避免諧波的產(chǎn)生。這種方法比較積極,能夠提高電網(wǎng)質(zhì)量,可大大節(jié)省因消除諧波影響而支出的費(fèi)用。這種措施一般在工程設(shè)計(jì)中予以考慮。最有效的辦法是增加整流裝置的脈波數(shù)，常用于大型整流裝置中。對接入電網(wǎng)的設(shè)備本身進(jìn)行改進(jìn)，限制其產(chǎn)生諧波的含量或不產(chǎn)生諧波。具體方法有：開發(fā)新型交流器，使其不產(chǎn)生諧波且功率因數(shù)為l，這種變流器被稱為單位功率因數(shù)

27、變流器(Unity Power Factor Converter)；在中小功率電力變換裝置中，采用脈寬調(diào)制技術(shù)的整流電路的有功功率因數(shù)校正(PFC：Power Factor Correct)電路，已經(jīng)在開關(guān)電源中獲得了廣泛應(yīng)用；在大功率電力交換裝置中，采用多繞組變壓器的多脈整流或?qū)⒍嗝}整流與控制移相相結(jié)合構(gòu)成準(zhǔn)多脈整流。(二) 在諧波源附近安裝濾波器，就近吸收諧波電流在諧波源附近安裝濾波器，就近吸收諧波電流。目前抑制諧波的方法主要有兩種：一是無源濾波器，二是有源濾波器。諧波濾波裝置的傳統(tǒng)方法就是采用LC濾波器，既可補(bǔ)償諧波又可補(bǔ)償無功功率，且結(jié)構(gòu)簡單，故一直被廣泛應(yīng)用，但其存在諸多問題。諧波抑

28、制的另一個(gè)趨勢是采用有源電力濾波器，其基本原理是從補(bǔ)償對象中檢測出諧波電流，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個(gè)與該諧波電流大小相等而極性相反的補(bǔ)償電流，從而使電網(wǎng)電流中只含有基波分量。這種濾波器能對頻率和幅值都變化的諧波進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償。且補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響近年來受到業(yè)界和用戶的廣泛重視。五、 基于ABB有源濾波器的電力推進(jìn)海工船電網(wǎng)諧波抑制的實(shí)例分析(一) ABB有源濾波器用于電力推進(jìn)海工船的設(shè)計(jì)ABB有源濾波器PQFI用于電力推進(jìn)海工船的設(shè)計(jì)模型圖ABB有源濾波器PQFI用于電力推進(jìn)海工船的實(shí)例圖(二) ABB有源濾波器用于電力推進(jìn)海工船電網(wǎng)諧波分析ABB有源濾波器PQFI工作原理是吸收一個(gè)非正弦電流

29、（非線性負(fù)載），諧波是失真波形的分量。可通過它們將波形分解成多個(gè)正弦分量來分析任意非正弦周期的波形。根據(jù)傅立葉定理，任何周期為T的周期函數(shù)通常是連續(xù)和估計(jì)實(shí)質(zhì)幅值有限。它們可以通過一系列無限正弦項(xiàng)（頻率為原始函數(shù)頻率的整數(shù)倍）表示。頻率相當(dāng)于原始波形周期的諧波為基波，頻率等于基波頻率n倍的諧波為n次諧波。根據(jù)傅立葉定理，一個(gè)純正弦波形表現(xiàn)的諧波階次與基波的相同。如圖所示ABB有源濾波器PQFI濾波前系統(tǒng)三相諧波電流電壓波形記錄ABB有源濾波器PQFI濾波后系統(tǒng)三相諧波電流電壓波形記錄ABB有源濾波器PQFI濾波前A相諧波電流ABB有源濾波器PQFI濾波后A相諧波電流ABB有源濾波器PQFI用于

30、電力推進(jìn)海工船電網(wǎng)諧波抑制的分析：通過ABB諧波仿真軟件記錄的濾波器PQFI濾波前后系統(tǒng)三相諧波電流電壓波形可知，三相電壓THD(U)%分別由4.2、4.3、4.5變?yōu)?.2、1.2、1.2，三相電流THD(I)% 分別由30.3、30.6、29.3變?yōu)?.2、2.4、2.5，使用ABB濾波器PQFI濾波后，THD%控制在5%以內(nèi)，符合國際標(biāo)準(zhǔn)和船級社標(biāo)準(zhǔn)。分析ABB有源濾波器PQFI濾波前后A相諧波電流，得出的結(jié)論是3次5次7次11次13次諧波得到了有效地控制。綜上所述，ABB濾波器PQFI濾波能夠有效地抑制電力推進(jìn)船舶電網(wǎng)諧波。(三) 電力推進(jìn)海工船電網(wǎng)諧波治理前后對諧波情況的比較ABB有

31、源濾波器PQFI用于電力推進(jìn)海工船電網(wǎng)中對諧波治理前后諧波情況的比較：通過ABB諧波仿真軟件記錄的濾波器PQFI濾波前后系統(tǒng)三相諧波電流電壓波形可知，諧波治理前系統(tǒng)三相電壓THD(U)%分別是4.2、4.3、4.5，諧波治理后系統(tǒng)三相電壓THD(U)% 分別是1.2、1.2、1.2。諧波治理前系統(tǒng)三相電流THD(I)% 分別是30.3、30.6、29.3，諧波治理后系統(tǒng)三相電流THD(I)% 分別是2.2、2.4、2.5。通過對諧波治理前后諧波情況的比較，證明了使用ABB濾波器PQFI濾波后，THD%可以把諧波控制在5%以內(nèi)，達(dá)到了國際標(biāo)準(zhǔn)和船級社標(biāo)準(zhǔn)。對ABB有源濾波器PQFI治理諧波前后A

32、相諧波電流的比較，得出的結(jié)論是3次5次7次11次13次諧波得到了有效地治理。綜上所述，我們可以得出的結(jié)論是ABB有源濾波器PQFI能夠有效地治理電力推進(jìn)船舶電網(wǎng)諧波。六、 結(jié)論與展望眾所周知,電力系統(tǒng)諧波測量與分析已經(jīng)成為電力系統(tǒng)領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)重要研究方向。近幾十年來,隨著各種電力電子裝置(主要是一些非線性設(shè)備)的廣泛應(yīng)用,使得電網(wǎng)的諧波污染日益嚴(yán)重,電能質(zhì)量下降,由諧波引起的各種故障和事故不斷發(fā)生。因此,實(shí)時(shí)測量和分析電網(wǎng)諧波分量以及非線性用電設(shè)備將產(chǎn)生的諧波分量,實(shí)時(shí)掌握電力系統(tǒng)中諧波的實(shí)際情況,對于防止諧波危害、提高電能質(zhì)量是十分必要的。本文就電力系統(tǒng)諧波測量與分析方法做了系統(tǒng)介紹并進(jìn)行了仿真研究,得出了一些重要結(jié)論。有源電力濾波器能夠有效地抑制電力推進(jìn)船舶電網(wǎng)諧波。論文的具體工作包括以下幾個(gè)方面: 首先,概括地介紹了電力系統(tǒng)諧波的一些基本概念,總結(jié)了船舶電網(wǎng)諧波抑制分析的主要方法以及諧波分析的現(xiàn)狀和發(fā)展。對電力推進(jìn)船舶電網(wǎng)諧波問題以及已有的諧波抑制方法及相關(guān)技術(shù)進(jìn)行分析和總結(jié)，闡述了諧波對船舶電網(wǎng)產(chǎn)生的影響和危害。簡述了抑制諧波的思路和主要途徑,探討了船舶電網(wǎng)諧波抑制方案及相關(guān)技術(shù),主要從有源電力濾波器這個(gè)方面進(jìn)行討論,并給出了ABB有源濾波器PQFI在船舶電力推進(jìn)系