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设计（论文）题目： 内河新造船舶能效测试系统研究
2016年2月26日
船舶动力系统中用来提高电力质量和能效的无源谐波滤波器的设计
Chun-LienSu Ci-Jhang Hong
电器和电子工程师学会成员 高雄海洋大学轮机工程系，
高雄海洋大学轮机工程系， 台湾
台湾cls@webmail.nkmu.edu . twagga0612msa@hotmail.com
摘要：变频驱动器（VFDs）被用来驱动船上的泵，风机，风扇，加热器，通风和空调（HVAC)设备的电机，它们的数量迅速增加。由于它们的非线性性质，他们成为在船上电力系统谐波的主要来源。为了减轻谐波，无源谐波滤波器被应用，无源谐波滤波器是一个LC回路，调谐每一个需要被过滤的谐波的顺序。依照海运业的排放法规中的新规则，无源滤波器的安装在维护其能效方面吸引了更多的关注。本文提出了一种无源滤波器的设计，以减少船舶电力系统中的电压和电流失真，同时通过无源滤波器校正功率因数来提高能效。根据谐波电流和无功功率的要求，在滤波器中的电感和电容的设计。通过分析一个实际的装有大量变频驱动器的船舶的动力系统来说明本滤波器的设计。现场测试结果验证了由所提出的方法来设计的滤波器的性能。
关键词：节能；过滤；谐波；船舶。
1.引言
为了满足能效和控制的性能要求[1,2]变频驱动器（VFD）越来越多地在海上应用，从小型电器到最大的推进驱动器和压缩机，这些电气负载具有非线性特性，当它们被操作时，可以产生非正弦谐波注入电流。谐波电流是通过电网来传递和散播的，从而破坏了母线电压，降低了船上的供电质量。由于敏感的负载和安装在现代船舶上的自动化设备，船东和船厂面临越来越多的船舶事故和与谐波相关的事件[ 4 ]。
从系统设计的角度看，船舶动力系统中的谐波不应超过允许值，然而，严格的限制，会增加造船成本。为了评估船舶电力系统的谐波干扰，减少谐波，许多船级社和国际法规规定了对船舶用电谐波的限制，这些限制类似于工业网络谐波限值的标准，这些限制涵盖了低电压网络以及中压电源。总谐波失真（THD），总电压谐波畸变率、应小于5%。一些限制是不严的，呼吁不低于8%或10%。单体电压谐波失真（IHD），单体电压谐波畸变率，取决于的船级社和国际标准的不同规定，通常是3%、5%和8%。例如，用于研究的船舶符合IEC 60092-507 [ 6 ],的总电压谐波畸变率和单体电压谐波畸变率的限分别是5%和3%。这些限制可以作为造船厂制定谐波抑制策略时的参考。
许多方法可以用于减轻谐波。在预防措施中，如在供应系统中，对安装和特殊设备的修改是不够的，过滤系统的安装是必要的[ 7 ]。在所有类型的过滤器，无源滤波器，是一个LC回路，调谐每一个需要被过滤的谐波的顺序，与非线性负载平行安装，由于其成熟的技术，可靠的操作，低廉的安装和维护成本的特点，被广泛用于工业中。该旁路电路吸收谐波，从而避免了它们在配电网中的流动。一般而言，无源滤波器是调谐一个谐波阶次至命令值，从而被消除。如果需要大幅度降低谐波失真，可以使用过滤器的几个平行的分支。
有些文献是关于无源滤波器设计在海上电力谐波分析中的应用的。文献主要包括船舶推进动力无源滤波器的设计[ 5,8,9 ]，近海海底电缆供电系统[ 10 ]无源滤波器的设计，滤波器配置[ 5 ]，和无源滤波器的性能验证[ 14 ]。无源滤波器的设计被定为一个最佳的问题，，为了达到系统功率因数的所需标准，通过函数算法，以尽量减少解决最优设计方案的问题而需要的成本[ 15 ]。类似的解决方法也在[ 16 ]中应用，它用一个目标函数最小化系统线损和约束条件，增加总谐波电压畸变率的期望值。在[ 17 ]中提出了一个无源滤波器的优化设计模型以减少负荷的总谐波电压畸变率，同时保持一定程度的功率因数。
依照海运业排放法规的新规定[ 18 ]，在维护其能效方面，无源滤波器的安装吸引了更多的关注。该措施被用于船舶能源效率管理计划的发展。操作者可以测量一个船舶的燃油效率，并为燃油效率采取最佳做法。在这种新的能源使用框架中，一个新的无源谐波滤波器的设计模型，解决问题的质量和效率的船舶电力系统值得考虑。
为了提高船舶的动力服务质量和效率，本文提出了一种无源滤波器设计模型，它结合了无功补偿和谐波电流滤波的功能。电容/电感组合表现为一个电容的在基本电源频率下，同时对特定的谐波频率具有过滤性能。为了提高系统中的谐波和功率因数，降低板上的燃油消耗，根据谐波电流和无功功率的要求，设计了滤波器的电感和电容。通过带有大量的变频器的实际船舶电力系统验证了所提出的方法的表现。无源滤波器设计模型和现场测试结果在下面的章节中详细介绍。
2.船用无源滤波器设计数学模型
在船舶电力系统中，有大量的发电机和配备变频驱动器的负荷。所有的发电机和大负载直接连接到主配电板（MSB）总线，总线通过配电馈线和分支机构向配电网和配电板供电。为了简化问题，假定系统里所有的母线当中，该线电压畸变是最严重的，为达到提高整个系统供电质量和效率的目的，无源滤波器连接到主配电板总线。因此，对无源滤波器设计的数学模型描述如下：
把带有大量变频驱动器的船舶动力系统模型化为一个等效的谐波电流源和一个高阶谐波无源滤波器，如图1所示，额定相电压VS(V)，额定频率（基频） fS(Hz)，和无功功率的需求，系统中的每个相需是QC(Var)。假定功率发生器的输出是纯正弦波，也就是说，没有谐波分量，从功率发生器产生的谐波电流可以被忽略，进一步假定该系统的最小无功功率的需求可以被过滤器中的电容提供,发电机产生的无功功率是QG(Var)。如果要被过滤的谐波是h，频率是fh，电感的电抗和滤波器中的容抗以及发电机的容抗分别是XLh(Omega;), XCh(Omega;) 和 XGh(Omega;)，在一个基本频率下，无源滤波器的电抗XF(Omega;)可以用以下公式计算：
带有无源谐波滤波器的船舶动力系统中的谐波和无功功率流动示意图
基本频率fS(Hz)，XF（Omega;），是电容器的电抗XC（Omega;）和滤器的电感电抗XL（Omega;）的差值，描述如下：
当谐波滤波器调谐到高阶频率时，XC 和 XL的关系可以表示为：
（3）带入（2），XC等于：
电容可由下式得出：
过滤器中的电容和电感可以由（4）和（5）来确定。结果被用来计算XL（Omega;），在高阶谐波频率下，由以下公式得出：
电感L(H)可以由下式确定：
在计算滤波器中的电容和电感后，负载要求应该被计算出来以容抗和电抗的耐压和耐流，首先，在基本频率的条件下，通过以下方程得到XF的结果，在此基础上，电流 IF1(A)可以被确定：
在基本频率条件下，通过电容的电压可由下式获得：
在调谐频率条件下，滤波器电抗XFH（Omega;）和发电机的同步电抗Xgh（Omega;）可表示为：
其中，X G(Omega;)是基本频率条件下发电机的同步电抗。
这应该是高阶谐波带有已知统计的电流Ih，统计的数据可以通过历史记录,统计分析,或工程判断中（获得），被高阶滤波器所吸收的谐波电流可以由一下方程算得：
在高阶谐波频率条件下，通过电容的VCh值是：
通过滤波器的电流的均方根的计算应该考虑（两方面），IF1的均方根值和在基本谐波频率和高阶谐波频率条件下的通过滤波器的IFh 的值滤波器中电感所需要的最小耐流可以由下式得到：
对于电容的额定电压，假设通过电容的电压VC1和VCh同时达到最大值，那么电容的最小耐压应该比电容的峰值电压要大，峰值电压由下式得出：
把从（15）中得到的结果作为电容的额定电压，要进一步考虑电容上不同电压下的效果，电容的无功功率由以下方程修正：
因此，在高阶谐波频率条件下，校正的电容电抗是：
校正的电感电抗如下：
把从（17）和（18）中得到的修正过的电容和电感的电抗值分别带入到式子（5）和式子（7）中，以判断出滤波器中电容和电感的最终值，因为发电机提供的一部分无功功率被滤波器所补偿，所以可以减少发电机的无功电流，从而，由于无功功率被补偿，且谐波被滤波器所控制，发电机的运行效率就被提高了。柴油发电机的机械输入功率也就随之减少了[20]。因此，船上发电机燃烧燃料所节约下来的能量在无源滤波器连接处的前后位置可以被表示为：
在这个式子中，FO是为发电柴油机所节省的油料。 Pouta 和 Poutb 分别是在滤波器的连接处前后的发电机的输出功率，eta;b 和eta;a分别是在滤波器的连接处前后的发电机的运行效率，他们可以通过在一定负载条件下发电机的效率和功率因数二者之间的关系来获得， RT是发电机的运行时间，单位是小时，FOR是发电机的油耗率(g/kWh)。
以上所描述的设计模型可以用来减轻现有的和新造的船舶中的电力系统中的任何特定阶的谐波。假设要求和谐波电流已经从历史记录、统计分析、工程评估中所得的统计数据中得知。如果一个单一的调谐滤波器的谐波抑制效果不能被接受或满足的限制条件，可以使用几个调谐滤波器，在这种情况下，由滤波器所补偿的无功功率需要被分配给其他的滤波器，以上的设计程序就可以实现。系统中有好几个无源滤波器时，需要考虑在不同频率下的阻抗对谐波电流的影响。谐波频率扫描计算，这种计算可以用来调整谐波滤波器参数，并且能够用来测试最终的结果，这种计算的作用是，在船舶动力系统由于谐振而导致的超压状态下保证和维护船舶动力系统中由于谐振状况而导致的超压状态下能够运行安全。
3.测试结果和结论
为了确保所提出的方法的有效性，选了一艘实际的船舶动力系统，对它进行计算机仿真和现场测试，以探索为船舶动力提供质量和效率（效果）的无源滤波器的优势。图2所示是船舶动力系统的简化单线图。这艘船有107英尺长，带有两个50kW/1phi;/230V/50Hz的发电机，他们的基频阻抗是0.095Omega;，平均油耗率是232g/kWh。交流电压单相220V ，直流电压是24V。发电机的输出直接传给了主线，没有使用变压器。联络开关是用于发电机组的操作控制，在这里，一台发电机正在运行，联络开关关闭，形成了一个单独回路。当两台发电机并联运行时，联络开关打开，两台发电机向各自的系统提供功率。
在系统中，驱动变频驱动器的驱动设备主要是5.5kW的空气压缩机，两台3.5kW的机舱通风泵，一台14.9kW的稳定液压泵。在正常情况下，配有单台发电机的动力系统的需求是，43.65kW最大有功功率43.65kW，最小无功功率13.11kVar，平均功率因数滞后是0.92。由于具有高谐波需求的发电被限制，系统遭受严重的谐波失真。表1是不同运行条件下船舶电力系统电力谐波实际测量的统计资料。总谐波电压畸变率最大值为15.83%，三阶和五阶的电压谐波畸变率分别是14.72% 和 4.62%，它们被认为是在所有频率条件下最严重的谐波阶数。总电压谐波畸变率和单体店呀谐波畸变超出了船级社的规范。这表明，为了追求更好的供应质量，船舶电力系统的谐波要被进一步减少。通常，单相电力系统中的原始谐波畸变是三阶谐波，它被表I中实际测量的数据所证实。三阶谐波电流的变化如图3所示，它的最大值是 53.69A。
图2，实际船舶电力系统的简化线路图
船舶电力谐波实际测量的统计资料（TABLE I）
首要的是三阶（h= 3）调谐谐波滤波器。滤波器中的电感和电容根据（1）至（7）式所确定，（1）到（7）这些式子是根据表一所示的实际测量数据得到的。给出了系统的额定电压为220V，13.11kvar的最小无功功率，滤波器的表现电抗被计算为3.69Omega;，滤波器电容和电感分别为4.15Omega;和0.46Omega;。因此，电感和电容分别是1.46mh 和767.4mu;F。确定电容和电感后，电容的耐压和电感的耐受电流被计出来。由（10）和（11），过滤器的表现电抗和发电机同步电抗在三阶调谐频率条件下分别为0.01Omega;和4.5Omega;（150Hz）。最大的三阶谐波电流为53.69A，它被用来计算被滤波器所吸收的谐波电流和经过电容器的三阶谐波电压的均方根值，被确定为74.11V。当最大基频
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