2022年电力推进船舶电网谐波研究及抑制方法 .docx
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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 摘 要电力电子技术的进展促成了船舶电力推动技术的快速进展 , 但同时各种非线 性电力电子器件的大量使用 , 在船舶电力系统中产生大量的谐波 , 导致设备容量 和线路损耗增加 , 使得电网质量恶化 , 影响了电力设备的安全经济运行;谐波污 染问题日益严峻 , 如何有效的治理谐波 , 将谐波掌握在规范答应的限值以下 , 是当 前具有重要现实意义和工程实践价值的课题;但是由于电力推动需要使用大容 量电力电子装置,如整流、逆变设备;全部电力电子装置在实现功率掌握和处 理的同时都不行防止地产生大量的谐波,很简洁会对电力系统产生影响;谐 波的危害特别严峻;
2、一方面,谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低,导 致设备过热、绝缘老化、使用寿命降低,严峻时仍会使设备电器和机械间产生 谐振;谐波也有可能引起电力系统的局部串联或并联谐振,引起爱护设备误动 作;谐波在电力线路中的传输或者在设备工作中的发射仍会对电网中的电子设 备或通信设备产生严峻的干扰;另一方面,谐波对电力电子器件以及电力电子 装置本身也造成了很大的损耗;谐波会增加系统的损耗,损耗的增加直接导致 系统的发热量增加,相应要求系统的散热措施要加大,造成系统的体积、成本 增加;谐波仍会造成装置的过电流、过电压等问题,从而影响系统的牢靠性;电力滤波器可以有效地抑制电力推动船舶电网谐波;关键词: 电力
3、电子技术,非线性电力电子器件,谐波,电力滤波器目录一、概述 1 二、电力推动船舶电网谐波产生的缘由及造成的危害3 2 一电力推动船舶电网谐波产生的缘由2 1. 发电源质量不高产生谐波2 2. 输配电系统产生谐波2 3. 用电设备产生的谐波2 4. 船舶上应用的元器件产生的高次谐波二电力推动船舶电网谐波造成的危害3 1. 对船舶电网的影响3 2. 对船舶主要负荷的影响3 三、谐波与有源电力滤波器的基本概念及原理5 一谐波的基本概念及含义5 I / 19 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 19 页精选学习资料 - - - - - - - - - 1. 谐波的定义 5 2. 谐
4、波分析的基本概念6 14 10 二有源电力滤波器的基本概念及原理7 1. 有源电力滤波器的基本概念7 2. 有源电力滤波器的原理8 四、电力推动船舶电网谐波抑制方法9 一削减谐波源产生的谐波含量9 二在谐波源邻近安装滤波器,就近吸取谐波电流9 五、基于 ABB有源滤波器的电力推动海工船电网谐波抑制的实例分析一ABB有源滤波器用于电力推动海工船的设计10 二ABB有源滤波器用于电力推动海工船电网谐波分析11 三电力推动海工船电网谐波治理前后对谐波情形的比较六、结论与展望15 参考文献 16 致谢 17 II / 19 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 19 页精选学习资料
5、- - - - - - - - - 一、 概述“ 谐波” 一词起源于声学;有关谐波的数学分析在18 世纪和 19 世纪已奠定了良好的基础;傅里叶等人提出的谐波分析方法至今仍在广泛采纳;电力系 统的谐波问题早在 20 世纪 20 岁月和 30 岁月就引起了人们的关注;当时在德国,由于使用静态汞弧而造成了电压、电流波形的畸变;1945 年 J.C.Read 发表的有关变流器谐波的论文是早期关于谐波争论的经典论文;到了 50 岁月和60 岁月 E.W.Kimbark 在其著作中对此进行了总结;70 岁月以来由于电力电子技术的飞速进展,各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭的应有日益 广泛,谐波
6、所造成的危害也日趋严峻;世界各国都对谐波问题赐予充分关注,定期召开有关谐波问题的学术争论会;国际电工委员会的 Narain G.Hingorani 博士于 1988 年第一提出了“Custom Power” 的新概念及其质量分成三个等级;这实质 上就是运算机技术、现代掌握理论和电力电子技术应用于配电系统,构成能够 供应优质电力和其他不同质量的电力的配电系统以适应不同电力用户的不同要 求;这是新一代柔性配电系统的进展方向;柔性配电新技术将为在电力市场条 件下的电力用户供应纯洁、稳固、牢靠的绿色电源;同时,也提高了电能的传 输效率,给供电部门带来了可观的经济效益;仅依靠过去的无源滤波技术治理 谐波
7、已不能满意要求,争论和开发适应这一要求的新技术已成为近年来电力系统领域中的热点;用户电力Custom Power)新技术主要利用GTO、IGBT等大功率电力电子器件组成的掌握设备向用户供应增值的、高牢靠的、高质量的电能,提高系统的供电牢靠性施加于非线性负载时,负载吸取的电流与施加的电压波形不同,畸变电流影响电流回路中的配电设施;在实际 存在系统电源阻抗时,畸变电流将在阻抗上产生电压降,由于产生畸变电压,畸变电压将对全部的负载产生影响;系统中的主要谐波源有含半导体非线性元 件的谐波源及含电弧和铁磁非线性设备的谐波源;前者如各种整流设备,沟通调压装置,变流设备,直流拖动设备整流器,PWM变频器,相
8、控调制变频器以及现代工业设施为节能和掌握用的电力电子设备等;后者如沟通电弧炉,沟通 电焊机,日光灯和发电机,变压器及铁磁谐振设备等;全部这些都使得电力系 统的电压,电流波形发生畸变,从而产生高次谐波;1. 发电源质量不高产生谐波发电源质量不高产生谐波;由于发电机的三相绕组无法做到肯定对称,铁 心也很难做到肯定匀称一样,因此发电源会产生一些谐波;但一般较少;2. 输配电系统产生谐波输配电系统产生谐波;输配电系统中主要是电力变压器产生谐波;由于变 压器铁心的饱和、磁化曲线的非线性,加上设计变压器时考虑经济性,其工作 磁密挑选在磁化曲线的近饱和段上,使得磁化电流呈尖顶波形,含有奇次谐 波,以 3 次
9、谐波为主,其大小与磁路的结构形式、铁心的饱和程度有关;铁心 的饱和程度越高,变压器工作点偏离线性越远,谐波电流就越大;3. 用电设备产生的谐波用电设备产生的谐波;越来越多具有非线性特性的电气设备被应用于船舶 上;即使电源供应这些设备的是正弦波形的电压但由于它们具有非线性的电 压- 电流特性;使得流过电网的电流波形是非正弦的,即产生了谐波,使电网电 压严峻失真;1 / 19 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 19 页精选学习资料 - - - - - - - - - 4. 船舶上应用的元器件产生的高次谐波在船舶上产生高次谐波的元件很多例如舵机系统、冰库制冷系统、辅锅 炉系统中
10、的变流设备;最为严峻的是电力推动系统中采纳变频器调速和串级调 速的沟通电动机调速系统以及采纳晶闸管变流的直流电动机调速系统等;都有 大型的变流装置,它们产生的高次谐波电流尤为突出,是造成船舶电力系统中 谐波干扰的最主要因素;二 电力推动船舶电网谐波造成的危害随着电力电子装置在船舶上的广泛应用,电力电子装置已成为网络中最大 的谐波源;而谐波对电力系统会造成特别严峻的影响,对船舶电网和主要设备 都会产生不同程度的危害;1. 对船舶电网的影响与陆上电网相比,船舶电网线路短、负荷密度大,高次谐波电流在线路阻 抗上形成谐波电压降落,产生有功功率和无功功率损耗,但数值不大;船舶电 网主要由电缆构成;对于此
11、类输电系统,谐波除了引起附加损耗外,仍可能使 电压波形显现尖峰,从而加速电缆绝缘的老化,引起浸渍绝缘的局部放电,也 使介质损耗增加、温升增高,缩短电缆的使用寿命;最严峻的是,高次谐波可 能在船舶电力系统中发生电压谐振引起线路过电压,可能击穿电缆、导线及 设备的绝缘,引起重大事故;2. 对船舶主要负荷的影响船舶电力系统的主要负荷是电机;电网中含高次谐波时,会使电机内部产 生高频磁场,使运行中的电机发热、损耗增加、效率降低;此外,当电机中谐 波电流频率接近于某些零部件的固有振动频率时,会产生气械共振、噪声和谐 波过电压;这些都将缩短电机的寿命,情形严峻时甚至会损坏电机;在电力推动系统中,同步电机占
12、了很大容量,对同步电机来说,定子绕组 流过谐波电流后将产生与谐波频率相对应的旋转磁场,在转子绕组中感应出谐 波电流;对隐极电机来说,谐波电流主要在转子的槽楔、齿和转子端部的套箍 上流淌;对凸极电机来说,谐波电流主要在极靴中流淌;由于谐波频率高,集 肤效应显著,因此谐波电流只在上述转子各部件的表层流淌,所以转子中的阻 尼绕组、槽楔、齿和套箍最简洁受到谐波电流的损害;谐波发热对隐极电机的2 / 19 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 19 页精选学习资料 - - - - - - - - - 影响要比对凸极电机的影响严峻得多;集肤效应使得定子绕组中的谐波电流的 分布也很不匀称;
13、定子双层绕组中沿槽高度的上层线棒内的谐波损耗可能比下 层线棒内高几倍;但对电机而言,谐波损耗主要仍是在转子中;异步电机的定子绕组流入正序和负序谐波电流I 时,形成正向或反向以n倍同步转速旋转的磁场;正序重量谐波电流将产生正向转矩,和基波正序重量 转矩方向相同;负序重量谐波电流将产生相反方向的转矩;由于谐波重量一般 并不大,因此产生的转距也很小,而且正序和负序谐波电流产生的转矩相互抵 消一部分,所以谐波电流产生的平均转矩可以忽视,但是它产生的脉动转矩却 会引起电机的机械振动和噪声;谐波对变压器的影响主要是引起附加损耗和过热,其次是产生气械振动、噪声和谐波过电压;变压器励磁电流中的谐波电流通常不大
14、于额定电流的 1,且其作用是使磁通为正弦波,因此并不引起变压器铁损耗增大;变压器在 刚通电过程中谐波电流可能很大,但历时很短,一般也不会形成危害;但当发 生谐振时,就有可能危及变压器的安全当直流电流或低频电流流入变压器 时,会使铁心严峻饱和,励磁电流中的谐波电流就会大大增加,会使变压器受 到危害;谐波源的谐波电流流入变压器时,对其主要影响是增加了它的铜损耗 和铁损耗;随着谐波频率的增高,集肤效应更加严峻,铁损耗也更大;因此高 次谐波重量比低次谐波重量更易引起变压器的发热;谐波电流仍会引起变压器 外壳、外层硅钢片和某些紧固件的发热,并有可能引起变压器局部严峻过热;谐波仍会引起变压器的噪声增大;对
15、电力电容器的影响,在船舶电站中常采纳电力电容器补偿感性负载导致 的功率因数下降;高次谐波对电容器的影响最为突出,高次谐波对电容器出现 出低阻抗,电容器为高次谐波供应了通道,谐波电流与基波叠加,通过电容器 的总电流增加,连续的过流使电容器温升增加、寿命缩短,严峻时使电容器损 坏、甚至爆炸;另外,电容器容性阻抗和系统感性阻抗可能在某次谐波频率附 近发生谐振;船舶上的变流装置一方面是主要的谐波源,产生特点和非特点谐波并注入 电网;另一方面,由于谐波引起掌握系统误差,电流变化率、电压变化率过高 或产生过热效应,都会引起晶闸管故障,给换流装置带来影响;某些受控的变 流器的掌握规律往往因畸变电压而导致运行
16、误差;电力系统中的谐波会转变继电爱护设备的性能,引起误动作或拒绝动作;高次谐波会产生电磁干扰,影响通讯网络的电磁效应和正常的通讯载波工 作,导致敏锐设备故障,因此通常需要采纳独立的清洁电源 如 UPS等对船舶 敏锐设备供电;对船舶通信、电子设备的影响船舶通讯包括与外界的无线通讯 和船舶内部的有线电话通讯;高次谐波形成对通讯设备和线路的干扰信号,影 响通讯网络的电磁效应和正常的通讯载波工作;如对电话线路而言,音频通道 的工作频率约为 300 3000Hz,而供电线路的很多谐波就在这个范畴内由于 电力线路和电话线路的功率差别很大,所以供电系统的谐波将引起可以察觉、3 / 19 名师归纳总结 - -
17、 - - - - -第 6 页,共 19 页精选学习资料 - - - - - - - - - 有时甚至是不能答应的电话杂音;船舶的导航设备和采纳微电脑及其它电子元 件掌握的船舶自动掌握系统包含了大量数字电路部件;它们都要求牢靠和稳固 的工作,特殊是导航设备;数字电路所用规律元件都有各自的阀电平和与之相 对应的干扰信号容限,假如谐波的干扰超过其容限,就可能破坏触发器和储备 器储存的信息,排除干扰后,它仍会在系统内部的储备器件里留下痕迹,系统 也不会再复原到原先的工作状态;即使含有微处理器的系统里程序没遭破坏,如地址总线受到干扰,也会有程序丢失的危急,使系统进人预想不到的状态,甚至陷入意外停机状态
18、;因此高次谐波对导航等电子设备危害是严峻的;三、 谐波与有源电力滤波器的基本概念及原理一 谐波的基本概念及含义1. 谐波的定义在供电系统中,通常总是期望沟通电压和沟通电流呈正弦波形;正弦电压 可表示为ut=Usin 式中 U电压有效值初相角角频率 f 频率 T周期 正弦电压施加在电阻、电感和电容这些线性无源元件上,其电流和电压分 别为比例、积分和微分关系,仍为同频率的正弦波;但当正弦电压施加在非线 性电路上时,电流就变为非正弦波,非正弦电流在电网阻抗上产生压降,会使 电压波形也变为非正弦波;当然,非正弦电压施加在线性电路上时电流也是非正弦波;对于周期为T=的非正弦电压 u,一般满意狄里赫利条件
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