电力电子设备对船舶电能的污染及其改善

电力电子设备对船舶电能的污染及其改善

任雨强 孙烨 胡楠

渤海造船厂集团有限公司 辽宁葫芦岛 125004

摘要：近年来，电力电子技术发展取得了一系列显著的进步，其在船舶电力系统中的应用愈发广泛，然而，由于电力电子设备所引起的电能污染问题，也对船舶产生了一定的影响，严重时甚至会给船舶的安全航行埋下不小的隐患。本文在对电力电子设备引起船舶电能污染的内涵进行分析的基础上，，提出了旨在改善电能污染情况的策略建议，以期为这一问题的妥善解决提供一定的借鉴参考。

关键词：电力电子设备；船舶电力系统；电能污染

当前，船舶电力系统中对电力电子设备的应用愈发广泛，所使用的设备类型日渐增加，尤其是大功率类型装置的使用，使得船舶电力系统的电负荷结构发生了深刻的变化，不仅体现在负荷容量方面，同时还体现在负荷种类方面。虽然船舶采用电力推进系统的确享受到了诸多便利，但横亘在面前的电能污染问题形势严峻，由电力电子设备应用产生的电网高次谐波，会严重地干扰船舶的导航设备，对船舶航行的安全性产生极为不利的影响，故而，对该问题解决方案进行研究，具有显著的实践意义。

1 电力电子设备对船舶电能污染的内涵分析

基于提升船舶自动化水平以及能源节约的考量，电力电子设备在船舶中大量使用，从而催生了船舶电力系统中的大量电能污染，这一情况突出表现在电力推进的船舶类型当中。电力电子设备所造成的电能污染的类型可按照电压质量以及频率质量两方面进行划分，其中电压偏差、谐波、间谐波、相位不平衡等构成了电压质量污染的主要内容；频率偏差与波动则构成频率质量污染的主要方面。实际情况中，船舶电力系统所存在的电能污染往往是类型多样且并存，彼此之间亦会产生影响。

2 改善电力电子设备对船舶电能污染的策略

2.1 通过模块化子系统划分进而采取分系统供电模式

SOLAS公约中明确指出，若是船舶电站的总容量升至3MW时需要将其主配电板进行分区，即主配电板分出子配电板，这些子配电板则的供电标的为对电压变化较为敏感的负载、对船舶安全产生重要影响的装置等。

2.2 通过采用特殊装置结构降低船舶电能污染

（1）变压器次级绕组主要的作用是为大容量变频器供电，故而应使其所输出的电压相位互差30°，旨在形成12、24相变频器。大量对船舶电力系统的实践研究表明：电流谐波含量会随着变流器相数的增加而减少，对于降低电流谐波含量具有显著的促进意义。而这之中，12相静止变流器设计发端于12相可控整流电源，后者在直流供电中得到了广泛的应用。12相可控整流电源的优势体现在其高效性方面，并且可以进行MW级别的供电。受到变压器裂相作用的影响，两个电桥输出会发生30°相位移，会使得其相较于其他类型供电的谐波含量大大降低。

（2）将变压器予以分离处理。

（3）对于较为敏感的子系统，对其供电可以通过旋转换流器。

（4）电机、变压器的规格尺寸选择为超大。

（5）发电机选择双绕组6相这一类型。

（6）为使LCI以及交-交变额器所产生的间谐波得到有效的控制，可以采用低阻抗发电机。

（7）运用软开关技术。需要正视船舶电网电力密度较高的这一现实特点，同时还必须观察到部分变流场合电力电子器件高频操作的现实需要，使用软开关技术，即可大大降低因为功率因数校正、滤波所引发的电磁干扰，从而进一步提升器件的工作频率。

2.3 通过滤波和功率因数校正装置对谐波予以抑制

船舶电网电能质量的改善，谐波抑制、功率因数提高是其重中之重。就目前的情况而言，不论是功率因数校正装置亦或是滤波器，其在陆上电网中投入使用的种类繁多，然而，立足于船舶电网的内在特点，综合考虑节能性、稳定性以及安全性等因素，能够真正适用于船舶电网的类型不多。以一直以来在陆上电网中得到广泛应用的无源电力滤波装置为例，其不足之处甚为明显：①动态性能较差，谐波电流的抑制效果会随着负载电流的动态变化而产生弱化；②电容器以及电感参数会因自身运行时所发生的一系列特殊情况而产生相应的改变，这会导致滤波器实际谐振频率与设计预期状态相偏离，从而对滤波效果产生一定影响；③若遭遇电网运行方式改变等情形，则对应的参数会发生变化，即可能引起滤波装置同电网系统阻抗间出现串并联谐振进而使得谐波扩大化的问题，严重时甚至会烧毁滤波电容器；④ 即便是在较为理想的状态下，装置亦只可针对特定次谐波产生相应的抑制效果；⑤体积过于庞大致使其所占用的空间较大，产生一定的不便利性。由此可以看到，无源电力滤波装置在船舶电网中的适用性较差。

有源滤波器具体可分为串联、并联两种类型。其中，并联型有源滤波器对逆变器容量的要求较高，缘其交流电源基波电压会以直接的方式作用在逆变器之上，同时逆变器提供了绝大部分的补偿电流。然而，必须注意的是，以当前的技术条件无法做到大幅度提高逆变器容量，再者，主电路中大功率变换器对电流响应的迅捷性以及自身的低损耗性均相对表现较差，并对应着较高的成本，对于船舶电力系统而言亦不适用。对于串联型有源滤波装置而言，其本质上属于一个谐波隔离器，对谐波的抑制作用有限。而将串联型有源滤波器与无源滤波器结合在一起适用的话，则能够实现无源滤波器缺陷的消除以及谐波抑制的双重目的，此即为“综合电力滤波装置”。在这之中，无源滤波器在发挥其滤波功能的同时可以做到特定数量无功的补偿，有源滤波器一方面发挥自身谐波隔离功能，另一方面对无源滤波器的性能予以必要的改善。另外，在电压分配方面，基波电压的全部以及谐波电压的绝大部分由无源滤波器进行承受；有源滤波器则可通过仅承受小部分谐波电压的方式将自身的功率控制在较小的范围之内，从而使得整个装置对高压大功率场合的适用性大大增强。

2.4 采取合宜的保护措施

这部分的措施主要包括以下四个方面：①可以将照明以及动力系统中旨在校正功率因数的电容器省略；②严格按照走线相互分离的布设方式安装好屏蔽电缆；③可以通过较为特殊的接地方式将屏蔽保护面的感应频率予以消除；④可以采用平波抗电器。

3 结语

电力电子设备对船舶产生电能污染的问题需要得到充分的认识，这既是保障船舶航行安全性的现实需要，同时也是电力电子技术应用“绿色工程”建设的必然要求。为此，需要通过模块化子系统划分进而采取分系统供电模式、采用特殊装置结构、以滤波和功率因数校正装置对谐波予以抑制、采取合宜的保护措施等方式，切实将因电力电子设备应用所产生的船舶电能污染控制在合理的的范围之内，在充分考虑经济性与安全性的基础之上，不断提高电力电子设备在船舶电力系统中应用中的合宜性。

参考文献

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