新型海上谐波标准外文翻译资料

英语原文共 10 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

新型海上谐波标准

为了解决船舶和海上石油钻井平台上的电力系统谐波失真，船舶调节机构引入了新的更为严格的谐波标准。这些标准定义了他们的船舶上所允许的谐波电压失可接受水平。 由于增加使用电力 - 电子驱动转换器用于电力推进，钻井和泵送应用以及变速驱动（VSD）系统的许多其它设备，出现了高谐波失真。 为了满足这些新的标准，必须采用控制谐波的方法。 本文将讨论这些方法中的一些，并提出一种应用，其中使用独特的宽频谱无源谐波滤波器来满足电缆敷设船的谐波限制是着重讨论的，满足这种要求以前需要使用租用的发电机以允许VSD的操作。

随着在船舶应用中的交流和直流电驱动器的越来越多的使用，例如电介质推进和海上石油钻探操作，由于谐波失真而导致的较差的电力质量已经成为关键的安全问题。 电力推进提供了显着的好处，例如更大的冗余，更低的排放，改进的机动性，以及用于货物和其他重要用途的回收甲板空间。 石油钻井平台不能在没有其电机的可变速度控制的情况下工作。 然而，通过以非线性或非正弦方式汲取电流，VSD可以引入电流和电压谐波的过高电平。 船舶的非线性负载现在可以达到机载发电量的80％[1]，导致总谐波电压失真（THDv）超过20％。

所有海洋分类机构都非常关注谐波电压失真以及某些关键设备故障或失效可能产生的后果。 通常被视为潜在的海上生命安全（SOLAS）问题，分类机构对根据其规则[2]分类的船舶所允许的谐波电压失真的大小施加了严格的限制。 任何寻求分类的船舶现在都需要证明符合这些标准。

各种海洋分类机构的谐波标准都集中在电压谐波失真极限上。 虽然与高水平的电流谐波失真相关的增加的损耗在配电系统中可能是一个问题，但是当设备负载更重时，这只是一个严重的问题。 谐波电流的更大问题是当它们流过配电系统时它们产生电压失真。 为了满足电压失真极限，必须降低电流谐波。 因此，通过建立电压失真的限制，海洋标准也间接地限制电流失真。

电压失真是当每个谐波电流通过电力系统的阻抗时由欧姆定律确定的单个电压降的累积。 如果谐波电流和系统阻抗的组合很大，系统电压可能变得严重失真。 在海洋应用中，重非线性负载和电源发生器的相对高源阻抗的组合导致过高水平的电压失真。

海洋分类机构的谐波标准

挪威分类机构Det Norske Veritas（DNV）是第一个将谐波识别为问题和引入限制的国家之一。 这些限制符合其海上标准DNV-OS-D201-电气安装[8]。

谐波失真的限制在第2节，A207。 THDv在配电系统中不超过5％，任何单级谐波也不应超过3％。 允许超过这些限制，条件是所有经受增加的失真水平的消费者和配电设备应被记录以承受实际水平。 指导说明列出了一些考虑因素：

1. 机器，变压器和开关设备和控制装置线圈中的附加热损失；
2. 电容器中的附加热损耗，例如在补偿荧光照明中；
3. 共振效应；
4. 受到扭曲的仪器和控制系统的功能；
5. 测量仪器和保护装置（继电器）的精度失真；
6. 各种电子设备的干扰，例如调节器，通信和控制系统，定位系统以及雷达和导航系统。

美国船级社（ABS）于2006年5月引入了新的谐波限值。它们的出版物“电力系统谐波控制指导说明”[2]提供了对谐波的广泛概述，包括各种处理方法。 限值列在第11节中。在一般系统中，THDv不得超过5％，且没有单独谐波大于基波电压值的3％。 测量至少应达到50次谐波。

ABS允许专用系统的上限为10％。 然而，专用系统上的所有连接设备必须具有制造商的保证，即在此较高的电压失真水平下可以无故障运行。

对于移动式海上钻井平台（MODU），ABS规则在2009年1月略有宽松。MODU的谐波信息表（参考文献：4-3-2 / 7.9）允许THDv级别高达8和5％ 有关各方（业主，造船厂，设计师和系统集成商）没有反对意见。

大多数海洋分类组织已采用类似于DNV和ABS的电压失真限制。 例如，劳埃德寄存器（LR）使用8％的更宽松的水平。 谐波极限可以在其船舶分类规则和条例[6]的第6部分第2节第1.7.3条中找到。 THDv允许在交换机或分区板上达到8％的限值，测量的谐波高达50％。 然而，LR确实认识到，即使相对低水平的高次谐波频率也可能引起问题，因此，对于高于25°的任何单个电压谐波建立1.5％的极限。

VSD和谐波

大多数电力系统可以容纳一定水平的谐波电流，但是当非线性负载成为整体负载的重要组成部分时将会遇到问题。 这在许多海洋应用中是肯定的，因为VSD的广泛使用。

AVSD是将电源电压转换为可变电压和频率以控制三相感应电动机（也称为变频驱动器（VFD））或直流电动机应用的直流的速度的固态装置。 通过控制电机的速度，可以实现节能和更好的电机控制。 典型的VSD船舶和海上应用包括主推进驱动器，推进器，缆索远程操作挖沟车（ROV）驱动器，顶驱，绞车，绞车，泥浆泵，压缩机和通用风扇和泵驱动器。

VSD产生谐波电流，因为它们的前端或输入整流器不以正弦方式汲取电流。 相反，它们汲取不连续的脉冲电流，可以通过应用傅立叶分析将其分解为谐波分量。 对于典型的三相整流桥，将产生的主要谐波电流为第五，第七，第11和第13。 典型的电流失真水平范围为35％至大于80％，具体取决于电源阻抗以及交流或直流电抗器是否应用于驱动器。

谐波可能是1区和2区防爆电机安装中的一个特别严重的问题，例如在炼油厂和石油生产平台。 例如，爆炸的风险增加可能是由于双笼式隔爆电动机上的轴封的退化。 此外，由于谐波过热的转子会降低轴承润滑，导致摩擦产生火花。 为了防止这种情况，标准国际电工委员会（IEC）防爆电机的认证取决于它们的具体保护概念[3] - [5]，电压失真水平为2或3％。 如果超过这些限制，电机将失去防爆型认证。

防爆电机的谐波电压畸变问题并非没有根据。 可以考虑的可能性是，1988年世界上最大的海上油田灾害 - 苏格兰北海的Piper Alpha平台 - 可能是由于大型电潜泵和其他变频器导致的电力系统谐波造成的。 可能的是，具有连接到具有高水平电压失真的电源的双笼式转子的固定速度ExN电动机（仅用于区域2的非停止）可能引起逸出的气体或蒸汽的点燃。

此外，2006年3月在北海的另一个石油平台发生大火，花了4小时以上熄灭。 该平台具有高水平的电压失真，并且火灾归因于防爆电机的故障。 虽然没有直接的相关性，但问题仍然存在，谐波是否可能是一个促成因素。 2007年，北海平台又发生了两次火灾，其原因可能与谐波无关; 然而，谐波已经成为一个问题，当局开始非常认真地考虑。

相移和多脉冲驱动系统

为了减轻由VSD引入的谐波电流和电压失真，许多技术被用于不同程度的有效性。 多脉冲驱动系统是迄今为止在船舶上使用的最常见的谐波减少形式之一。 在这种技术中，具有多个次级绕组的变压器被用于使多个VSD整流器彼此相移。

驱动系统的脉冲数由所使用的离散转换器的数量和这些转换器之间的相移角确定。 由VSD的二极管桥式整流器产生的特性谐波将遵循以下关系：

h = np 1

其中h是谐波数，n是任何整数，p是整流器的脉冲数。

大多数VSD包括三相六脉冲（p = 6）二极管桥整流器，其导致产生谐波数五，七，十一，十三等的电流。

当使用双整流器并相移30°时，产生12脉冲方案。 12脉冲VSD将仅具有剩余量的第五和第七谐波，因为在早先的方程中代入p = 12离开谐波11th，13th，23rd，25th等。类似地，18脉冲驱动由三个输入整流器组成， 它们之间的相移。

高达48脉冲的配置对于非常大的系统是可能的，但是在高脉冲数量处的相移的有效性变得可疑，因为在较高频率的谐波电流的相位角通常不足够相似以产生足够的消除。

虽然它们在理论上是谐波处理的有效手段，但是所有相移驱动系统在真实世界条件下可以执行得相当差。 变压器绕组制造中的公差，施加的电压不平衡，预先存在的电压失真和轻负载水平将对驱动器在更高频率处消除谐波电流的能力具有不利影响。 图4示出了2％电压不平衡对典型的18脉冲驱动系统的影响，图5示出了当存在背景电压失真时的性能降级。

应当注意，除了增加特性谐波的电平之外，电压不平衡和/或背景电压失真的过度电平也将导致非特征谐波的出现，包括三倍甚至阶[1]。 船舶和海上石油平台上的背景电压失真通常达到10％以上的水平，如图1所示，20％以上的测量结果并不少见。因此，当使用基于相移的驱动系统时，重要的是考虑是否可接受 在高背景失真和电压不平衡的非常可能的情况下将实现缓解的水平。、

有效过滤器

有源滤波器是电流注入装置，并且被分为两种不同类型：选择性快速傅里叶变换（FFT）和宽带。 选择性FFT允许选择被减轻到最大数目的谐波阶数，通常为15或25个谐波阶次。 另一方面，宽带系统可以处理所有非基波电流而不仅仅是整数谐波。 这包括非特征谐波，间谐波和负载产生的干扰。 此外，选择性FFT响应相当缓慢40〜50 ms，而宽带系统以40〜100 ls响应，因此更适合于动态负载。 在本文中，仅考虑宽带类型的有源滤波器。

有源滤波器与负载（非线性和任何线性负载）并联连接，并通过位于有源滤波器连接（图7）负载侧的两个电流互感器（CT）监视负载电流。 来自CT的包括电流波形的测量被馈送到陷波滤波器（即，带阻滤波器）中，其去除电流的基波分量（即，50或60Hz分量）。 剩余的信号然后被分类为失真电流（即，所有非基波电流）。 该信号被处理并用于构造电流波形，当将其实时添加到负载电流波形时，导致滤波器的上游近似正弦的电流。

如果滤波器的消除电流额定值适当地大小，则它将产生谐波电流，负载需要功率，并且源将仅在基本电流的情况下被施加。 有源滤波器不能过载。 在100％消除额定值时，器件将达到电流限制，任何额外的谐波电流将作为失真电流溢出到源中，从而增加总谐波电流失真（THDi）。

如果应用正确，有源滤波器可以提供非常高的性能水平（即lt;5％THDi），但是它们的高成本（购买，备件，调试和维护）和复杂性通常限制了它们的使用。 其他问题包括滤波器的绝缘栅双极晶体管（IGBT）的载波频率和滤波器自身对背景电压失真的敏感性的系统谐振的可能性。

案例研究1：在海上生产平台上的有源滤波器应用

运行63800马力，六脉冲直流驱动器的海上石油生产平台产生超过30％的电流失真（图8）和大于10％的电压失真水平。 为了防止可能由这些高水平的THDv引起的操作问题，23300A宽带有源滤波器安装在主配电板的每一侧。

电流失真从34％降低到3.6％（图9）。 通过消除电流谐波，有源滤波器将电压失真水平降低到小于4％。 为了说明这一点，图10示出了在打开滤波器然后再次关断时THDv的趋势线。

有源前端驱动器

有源前端（AFE）驱动器由交流脉冲宽度调制（PWM）VFD组成，其中标准的六脉冲二极管输入整流器由双向IGBT整流器代替（图11）。 输入整流器吸收更接近正弦波的电流，但通常包含相当高的高频谐波电平。 为了减少这些，必须使用在IGBT的开关或载波频率附近调谐的无源L-C-L滤波器（通常在2和3.5kHz之间）。

由于AFE驱动器的低谐波电流 - 失真曲线（通常lt;5％THDi），AFE驱动器通常被推广为用于船用驱动应用的最佳技术解决方案。

虽然低于50次谐波的谐波性能远优于标准六脉冲VFD产生的谐波性能，但是对于高于50次谐波的AFE驱动器的谐波性能的关注日益增加，这直接归因于输入IGBT的载波开关频率 整流器。 图12提供了AFE驱动器输入端的典型电流波形的高速示波器轨迹，高频成分清晰可见[6]。

波兰船舶登记册（PRS）在用于推进的2390 kW和23315 kW AFE驱动器的研究船舶上进行的最近测量也表明，即使谐波达到第50次测量，电流失真可以gt; 5％[7] 。 在同一船舶上取得的高于50次谐波的电压频谱测量显示在67次谐波附近出现的电压失真显着增加。

这将是AFE驱动器在其载波频率附近汲取的过度电流谐波的结果。 低于第50次的谐波的THDv为3.32％，高于第50次的THDv为3.25％。 总THDv（lt;100次谐波）为4.65％。 不足为奇的是，一些海洋分类机构，包括ABS和PRS，现在在其各自的规则中规定：“对于具有AFE驱动的船舶，应测量100次以上的谐波”[2]。

还有与AFE驱动器相关的其他问题，必须解决这些问题，以确保无故障安装：

1. 从AFE驱动器发出的电磁干扰（EMI）辐射（传导和辐射）几乎是具有二极管桥式整流器的标准六脉冲VFD的两倍。 船舶的配电系统通常基于IT网络（即，隔离中性线），其中船舶的电缆提供到地的高频传导发射路径。 这些高频发射在整个电力系统中循环，可能严重干扰敏感设备。 标准EMC滤波器不能应用于IT网络，因为通过

   剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

   ---

   资料编号：[137614]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word