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(多图) 有源电力滤波器在舰船电网谐波补偿中的应用

21ic?? 2010年06月13日 ?? 收藏0

  舰船电网中的非线形设备产生大量的谐波电流,本文对某型号舰艇电网谐波状况进行了测试和分析,对谐波补偿的几种方案进行了讨论,采用有源滤波器方案进行谐波补偿,简要介绍了有源电力滤波器装置的设计,最后给出了补偿的试验结果。

  1.前言

  舰船电网是由数台发电机组并联发电组成的独立电网。近年来,随着舰载非线形用电设备,尤其是雷达设备的数量增多、功率增大,注入舰船电网的谐波电流变大,电流总谐波含量高达27%,严重超出国军标GJB151A中CE101项目关于电流谐波限值的要求,并且对其它较敏感的舰载用电设备造成不良影响或带来使用隐患。因此,必须采取谐波治理措施,降低电流谐波,使其达到相应标准规范的要求。

  2.舰船电网谐波状况和补偿要求

  国产某型号舰艇电网情况:1)电压:额定380V,持续波动不超过±10%,短暂波动不超过±15%;2)频率:额定50Hz:波动不超过±5%;3)相数:三相三线;4)供电特性:满足《GB/T13032-91 船用柴油发电机组技术条件》要求。

  用电设备为混合型,包括大功率雷达系统、电子设备、传动冷却系统和通用用电设备。其中,注入电网电流谐波最大的是雷达系统,该设备容量约300kVA,运行过程中,根据不同的工作模式,负载在约130~260kW之间变化,总谐波失真约27%。

  在雷达供电系统配电屏处测试,电压电流波形和负载电流波动情况如图1、图2所示,电流变化时的各单次谐波分布如表1、表2所示。可见,除电流总谐波最高达29%之外,由于工作期间,工作模式的不同,引起负载电流频繁变化,导致谐波电流也在频繁变化,给谐波补偿带来一定难度。

电压电流波形

图1? 电压电流波形

负载电流波动情况

图2? 负载电流波动情况

表1 满载时电流各次谐波含量

满载时电流各次谐波含量

表2 电流波动时各次谐波含量

电流波动时各次谐波含量

  根据上述谐波状况,对谐波补偿的要求如下:

  •   补偿能力:谐波补偿电流不小于100A;
  •   补偿效果:补偿后,电网侧电流畸变,满足CE101的要求;
  •   跟踪特性:动态跟踪补偿,适应负载的波动特性,动态响应时间≯20ms;
  •   冷却方式:风冷
  •   故障保护:补偿装置具备基本的故障保护功能,故障保护时,装置能自动从电网上脱开,不影响船用电网的正常运行。
  •   结构:采用1.6m高度的与其它船用电气设备相同的标准柜型,重量不大于100kg。

  3.滤波器总体方案选择

  前已述及,雷达设备谐波主要为电流源,要限制谐波源注入电网的谐波电流,可采取以下方案:

  1.对产生谐波的装置进行改造,使其不产生谐波,且功率因数尽量高。可采用在输入侧加装变压器,使整流电路多重化的措施;或采用全控型器件组成PWM整流器,实现功率因数校正的措施。

  2.加装交流无源滤波装置,装置由电力电容器、电抗器和电阻器适当组合而成,组成若干单调谐及高通滤波支路,和谐波源并联运行,以吸收谐波电流,有效地减小谐波量;除起到滤波作用外,还兼顾无功补偿的需要。优点是结构简单,运行可靠,维护方便。

  这种滤波方法的主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响,易和系统发生并联谐振,导致谐波放大,使LC滤波器过载甚至烧毁。此外,它只能补偿固定频率的谐波,补偿效果也不甚理想。

  3.加装交流有源滤波器装置,装置由可控电力电子变流器和检测控制电路组成,其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流,由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流,与谐波电流相抵,从而使电网电流只含基波分量。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿,且补偿特性不受电网阻抗的影响,滤波性能和动态特性均比无源方式大为提高。

  方案1对负载设备进行改造,由于舰载雷达设备采用已经定型的成熟产品,其战技指标和结构外形已经确定,产品已通过例行试验,加之雷达系统供电有多路电源输入,对其进行改造必然使原有定型系统发生较大的变化,因此采用方案1是不切合实际的。

  方案2加装无源滤波装置虽然具有结构简单,运行可靠,维护方便的优点。但由于装置在舰用电网上运行,该电网由数台发电机并联组成,电网容量小,稳定性差,电压尤其是频率均会产生一定范围的波动,加之雷达设备在工作过程中负载电流频繁变化,使得无源滤波器很容易发生并联谐振,产生谐波放大,损害谐波装置,甚至负载设备。因此,方案2存在很大局限性和一定的危险性。


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