一种船舶岸边供电系统的双频方案设计

田立秋

(青岛农业大学，山东 青岛266109)

0 引 言

随着中国经济的飞速发展，各国船运贸易随之扩大，而伴随的是船舶体积增大及船只数量的大规模扩张，由此带来燃油的耗能增大以及海面污染问题。而利用船舶在港口泊位期间使用岸边供电系统［1－2］替代自身发电机已经成为船舶航行中必不可少的部分，对有效降低油耗以及海面污染具有十分重要的意义。

离岸供电系统，按照电压幅值分为高压供电及低压供电［3］。低压电源幅值为440 V/960 V，其只适用于向低压船舶进行供电［4］。而幅值高于6.6 kV/11 kV 称为高压岸电电源，其既可向低压船舶供电，也可以通过变频器为中压船舶供电。现在世界绝大多数港口多采用高压供电方式，在相同需求的功率下，高压供电输送到船舶的电流只需低压的1/20 左右，简化了岸基电源与船舶电力系统的连接方式;同时，高压方式也能够提高供电电源的使用效率。

岸基高压电源对低压船舶供电，需要进行变频，其产生的谐波对船舶自身的电力系统会造成极大的危害，并影响岸基电网的供电效率。本文研究岸基高压电源系统及谐波产生原理，在此基础上提出了一种高压双频电路来抑制高压电源供电过程中产生的谐波，并通过实验证明方法的有效性。

1 岸基高压供电系统分析

本节分析现有的高压供电系统结构进行分析。

1.1 高压供电系统结构

在岸基高压供电系统中，按照其电压幅度与其接收充电的船舶自身电力系统电压等级的对比，可以分为下面4 种结构:低压变频器低压受电船舶、高压变频器低压受电船舶、低压变频器高压受电船舶、高压变频器高压受电船舶。本文对现阶段使用最频繁的高压变频器低压受电船舶结构进行分析，此系统需要对固定频率输入进行一系列降压处理，最终到达受电的低压船舶供电系统，整个系统原理如图1所示。

图1 中，初始出入的电压幅值为10 kV/50 Hz或6 kV/50 Hz，经过固定频率变换器、升压变压器、码头岸电箱、配电板以及降压变压器，最终达到低压船舶配电板的电压为440 V/60 Hz。其中，码头岸电箱与船舶岸电配电板之间通过可热插拔的电缆直接相连;降压变压器根据实际情况，可由船舶自行配备，也可放置于岸口驳船上。

1.2 高压供电系统中的电子变频技术

从第1.1 节中可知，在低压船舶接收高压电源供电，主要是将不同频率和幅值的高压交流电转变为船舶供电系统可接收等级的交流电，其关键就是电子变频技术［5］的实现，下面对其进行阐述。

大功率高压变频器主要由逆变换器与整流器组合而成。它的主要网络结构有:串联二元电平线路、级联三元电平电路以及单串多元电路结构。这里我们以串联二元结构做剖析，其结构图如图2所示。

由图1 可知，电网的高压交流电经由高压断路器后进入变频降压器，图中前半部分为逆变换器，后半部分为整流器。其中逆变换器经由电阻和电阻组成的正弦滤波器后输出至整流器。

图2 串联二元电平电路图Fig.2 Circuit diagram of 2 serial electric switch

3 种电路结构的变频器各有其利弊，如串联二元电平线路具有结构简单，较易实现，使用器件较少的特点;级联三元电平电路具有电路结构紧凑，电路体积小，耗能较低;单串多元电路结构具有以上2 种优点的集合。但是高压变频的3 种级联方式都具有相同的缺点，即变频过程中产生的谐波，送达船舶配电板的交流电压对船舶自身供电系统易产生电磁干扰，造成较大的危害以及降低能源的吸收。因此，对谐波的抑制是变频器性能的重要性能指标。本文在此基础上提出一种抑制谐波的双频电路方案，较好地解决了变频中的谐波震荡，下面进行详细介绍。

2 岸基双频电路抑制谐波技术

2.1 谐波分析及抑制方法

上一节分析了高压供电系统中的变频器方案，对于高压交流电经过整流器，由于整流器的非线性特征，引起交流电的三次及高次谐振波形，需要采取一定措施进行抑制，使初始交流电具有平稳的波形。抑制谐波具体步骤如下:

1)对于变频器中整流器前段增加EMI 滤波器，其由电感﹑电容的低通元器件构成，确保整流器前端输入电流稳定。

2)在逆变器前侧接入限流器，抑制输入侧的高压交流电在逆变器电路中产生的高频振荡，同时也改善高压电流波形的稳定性。

3)在变频器及整流器中引入双频脉冲谐振技术，消除3 次以上的高压交流电谐波电流，即消除了绝大部分的谐波。

4)最后在整个变频器输出端前加入正弦过滤器，改变高压电的方波波形为正弦波形，用以消除一部分3 次及以下谐波波形。

前段加入的正弦过滤器很难消除所有的3 次及以下谐波波形，还可以引入其他的一些技术，如增加过滤电容用以消除电子器件之间干扰引起的电器谐波，保护容器件的稳定。

2.2 双频电路抑制谐波

图3 双频抑制谐波电路图Fig.3 Circuit diagram of dual band to reduce power grid

双频电路抑制3 次以上的高压交流电谐波的原理图如图3所示。图3 为双频电路抑制谐波的电路原理图，它由12个IGBT 直流行整流母线组成，分为T1和T2两部分。其中T1对出入的高压交流电傅里叶级数为:

T2端的接入电压相位比T1端电压相位小30°，同样可以推出T2端电流相位比T1端小30°，则对T2端电流进行傅里叶展开得:

则经过双频电路T1和T2两部分的合成电流为:

可看出，双频抑制谐波电路对高频电流产生的3，5，7，9 次谐波通过合成互相抵消，而11，13，17，19 谐波没有得到消除，与基数小的谐波相比，遗留的谐波振荡幅度明显衰退，表1 列出了通过双频抑制谐波电路后的谐波能量与之前的比较。

表1 各阶谐波理论值Tab.1 Theoretical value of power grid

由表得出，使用双频抑制谐波电路后，谐波脉冲能量最大的5，7，9 等谐波被滤除，达到了很好的抑制谐波的效果。

2.3 EMI 滤波及正弦滤波

EMI 滤波目的是使输入整流器的高压交流电电流稳定，抑制离岸供电系统中产生的电磁干扰信号，稳定电网能量。它由电容C 及电感L 组成，通过抑制大型电子电路设备中的电磁辐射耦合以及电缆传导耦合来对干扰性能进行屏蔽。EMI 是大型电子设备中非常重要的抗干扰器件。

正弦滤波用在整个双频抑制谐波电路末端，通过对流入的余量谐波设置一个低阻抗的过滤通路，是最终输出的高压交流电流拥有较小的波形畸形，电压波形更加平稳。正弦滤波器件是由滤波电阻﹑滤波电容以及电抗器组成。也是整个双频抑制谐波电路中不可缺少的重要部位。

3 双频电路抑制谐波实验分析

低压船舶接入带有双频谐波抑制电路的岸基供电系统，外部气温条件为2°～11°，相对湿度≤89%。表2 为没有接入双频抑制谐波电路后的岸基供电系统测试结果，表3 为接入双频抑制谐波电路后的岸基供电系统测试结果。

表2 非双频谐波抑制供电系统实验参数值Tab.2 The experimental results of power supply system not used dual band circuit

表3 非双频谐波抑制供电系统实验参数值Tab.3 The experimental results of power supply system not used dual band circuit

表2和表3分析可看出，带有双频谐波抑制电路岸基供电系统最终提供给低压受电船舶的电压﹑电流以及交流电频率区域稳定，振幅较小，最终导致的电压幅度失真率变窄，同时对能量的使用率有较好的提升。图4 给出了岸基供电系统使用双频谐波抑制电路前后的电压幅度失真率比较图。

图4 电压幅值失真率曲线比较图Fig.4 The compared curve graph of voltage distortion rate

4 结 语

本文研究了岸基供电系统中的变频技术，对串联二元电平线路进行原理剖析，分析了其中的利弊。重点讨论了变频器输入端的谐波电流，阐述了谐波电流产生的原因以及谐波对整个岸基供电系统带来的损害;最后提出双频电路抑制谐波电路解决方案，电路分为T1和T2两部，并且T1和T2端输出电流具有30°相位差，这样利用对两端电流傅里叶级数展开，通过求和可以消除大部分3 次及以上部分谐波振荡，在通过最后的正弦滤波器，则可消除3 次以下谐波，有效地避免了谐波对整个供电系统的损伤。

另外，此方式虽消除了大部分的谐波振荡，但是有部分谐波并不能消除，这也是谐波抑制技术需要改进的地方。

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