Anwendung von aktiven Oberschwingungsfiltern und statischen Var-Generatoren in elektrischen Schiffssystemen

Ein Schiff, insbesondere ein modernes, fortschrittliches Schiff, ist im Wesentlichen eine schwimmende, hochkonzentrierte Stadt von Energiesystemen. Die Stabilität, Effizienz und Zuverlässigkeit seines elektrischen Systems stehen in direktem Zusammenhang mit der Betriebssicherheit, den Betriebskosten und der Mission des Schiffes. Die SVG, als dynamisch, präzise und leistungsstark Blindleistungskompensationsgerät, spielt eine unersetzliche Rolle bei der Bewältigung der besonderen Herausforderungen von Schiffselektriksystemen.

I. Merkmale und Herausforderungen von Schiffselektriksystemen

Bevor SVG-Anwendungen besprochen werden, müssen die besonderen Aspekte eines maritimen Stromnetzes verstanden werden:

1. „Inselbetriebsmodus“ : Das Stromnetz des Schiffes ist ein typisches Insel-Mikronetz. Die Stromversorgung erfolgt ausschließlich über bordeigene Synchrongeneratoren (Dieselgeneratoren, Gasturbinengeneratoren). Das Netz hat eine begrenzte Kapazität und eine geringe Kurzschlusskapazität, was Probleme mit Spannungsschwankungen und Frequenzstabilität weitaus ausgeprägter als in großen landgestützten Netzen.

2. Komplexe und dynamische Lasteigenschaften :

   • Hohe Stoßbelastungen : Strahlruder, Ruderanlagen, Winden, Kräne und Aufzüge erzeugen beim Anfahren und im Betrieb massive, sich schnell ändernde Blindleistungsspitzen, die zu Spannungseinbrüchen im Netz führen.

   • Zahlreiche nichtlineare Lasten : Frequenzumrichter (VFDs) werden häufig in Hauptstrahlrudern (für Schiffe mit Elektroantrieb), Pumpen, Lüftern usw. eingesetzt, wobei sie erhebliche Oberschwingungen erzeugen und Blindleistung aufnehmen.

   • Pulsierende Belastungen : Geräte wie Radar und Sonar erzeugen während des Betriebs gepulste Energie.

3. Platz- und Gewichtsbeschränkungen : Schiffsraum ist äußerst wertvoll. Jede Ausrüstung muss hohe Leistungsdichte, kleiner Platzbedarf und geringes Gewicht .

4. Raue Umgebung : Die Ausrüstung muss standhalten hohe Temperaturen, hohe Luftfeuchtigkeit, Salzsprühkorrosion sowie ständige Vibrationen und Kippen .

Traditionelle Kondensator-/Reaktorbank-Kompensationsmethoden (TSC/TCR) sind langsam reagierend, ungenau, sperrig und anfällig für harmonische Resonanz mit der Netzimpedanz, was sie für moderne Schiffe ungeeignet macht. Genau hier zeichnet sich das SVG aus.

II. Konkrete Anwendungsszenarien für SVG in der maritimen Industrie

SVGs nutzen leistungselektronische Wandler, um blitzschnell (Reaktionszeit <5 ms) Blindstrom zu erzeugen oder zu absorbieren und so die Netzspannung dynamisch zu stabilisieren. Ihre Hauptanwendungen sind:

1. Blindleistung und Spannungsstützung für elektrische Antriebssysteme

• Zielschiffe : Große Schiffe mit elektrischem Antrieb (Azipod oder andere Pod-Triebwerke), wie z. B. Eisbrecher, Forschungsschiffe, Kreuzfahrtschiffe, Offshore-Versorgungsschiffe (OSVs) und LNG-Tanker.

• Problem : Die Hauptantriebskonverter sind große Blindlasten, deren Bedarf je nach Geschwindigkeit und Last stark schwankt. Dies führt zu:

  • Spannungsschwankungen an den Generatorklemmen können andere empfindliche Geräte beeinträchtigen.

  • Zwingt mehrere Generatoren zum Parallelbetrieb, um ausreichend Blindleistung bereitzustellen, was zu sehr schlechte Kraftstoffeffizienz bei Betrieb mit geringer Last ("Schwachlastbetrieb").

• SVG-Lösung :

  • Installieren Sie SVGs zentral in der Nähe der Hauptschalttafel (MSB), um dynamische Blindleistungsunterstützung für das Antriebssystem, Stabilisierung der Netzspannung.

  • Ermöglicht den „N-1“- oder sogar „N-2“-Betrieb : Das SVG kann einen oder sogar zwei Generatoren bei der Bereitstellung der erforderlichen Blindleistung ersetzen, wodurch Dieselmotoren mit höheren, effizienteren Lastfaktoren laufen können, deutliche Reduzierung von Kraftstoffverbrauch und Emissionen Dies ist eine der wirtschaftlich wertvollsten Anwendungen von SVG auf Schiffen.

2. Unterdrückung von Spannungsschwankungen und Flicker

• Zielschiffe : Alle Schiffe mit schwankenden Lasten hoher Leistung, wie z. B. Containerschiffe (Schiffskräne), Forschungsschiffe (A-Rahmen, CTD-Rosetten), Baggerschiffe und Anchor Handling Tug Supply (AHTS)-Schiffe.

• Problem : Strahlruder und Deckkräne ziehen beim Anfahren und bei plötzlicher Belastung massive Blindströme, was Spannungseinbrüche und Lichtflimmern über das gesamte Schiffsnetz, was den Betrieb anderer Geräte und den Komfort der Besatzung erheblich beeinträchtigt.

• SVG-Lösung :

  • Installieren Sie SVGs in der Nähe der Verteilungskreise schwankender Lasten (z. B. Triebwerkplatinen).

  • Sobald die Last startet, speist das SVG sofort den erforderlichen kapazitiven Blindstrom ein. perfekt ausgleichend die von der Last aufgenommene induktive Blindleistung, wodurch Spannungsschwankungen auf einen sehr kleinen Bereich (z. B. ±1 %) begrenzt und Flimmern vermieden wird.

3. Dynamische Leistungsfaktorkorrektur (PFC)

• Zielschiffe : Alle Handelsschiffe müssen die Leistungsfaktoranforderungen der Klassifikationsgesellschaften (z. B. DNV, ABS, LR, CCS) erfüllen.

• Problem : Zahlreiche Motorlasten (Pumpen, Lüfter) verursachen einen niedrigen Gesamtleistungsfaktor, selbst bei Betrieb mit Netzfrequenz. Herkömmliche Kondensatorbänke können Laständerungen nicht nachverfolgen, wodurch die Gefahr einer Über- oder Unterkompensation besteht.

• SVG-Lösung :

  • Das SVG kann den Leistungsfaktor des gesamten Schiffsnetzes präzise auf einen festgelegten Wert (normalerweise 0,98 Verzögerung oder Vorlauf) regeln, wodurch Leistungseinbußen (an Land) vermieden und die Generatorleistung optimiert werden.

4. Zusammenarbeit mit Geräten zur harmonischen Filterung (APF + SVG)

• Problem : Nichtlineare Lasten wie VFDs erzeugen sowohl Oberschwingungen als auch Blindleistung.

• Lösung :

  • Integrierte Lösung : Moderne Power Quality-Geräte integrieren oft Aktiver Leistungsfilter (APF) Und SVG Funktionalitäten in einer einzigen Einheit (genannt Aktiver Power Conditioner oder Hybrides Gerät zur Oberschwingungs- und Blindleistungskompensation ).

  • Arbeitsteilung : Das APF-Modul filtert Oberschwingungsströme, während das SVG-Modul Blindleistung kompensiert. Ein Gerät löst zwei wichtige Probleme der Stromqualität gleichzeitig, spart Platz und vereinfacht die Systemstruktur. Dies ist besonders attraktiv für Schiffe mit beengten Platzverhältnissen.

III. Zusammenfassung der Vorteile von SVG gegenüber herkömmlichen Lösungen

IV. Wichtige Punkte für Auswahl und Implementierung

Bei der Auswahl eines SVG für den Einsatz auf See sind zusätzliche Überlegungen erforderlich:

1. Umweltverträglichkeit : Die Ausrüstung muss Zertifizierungen der Klassifikationsgesellschaft (z. B. DNV-GL, ABS, LR, CCS usw.), verfügen über eine ausreichende Schutzart (IP) (z. B. IP22 oder höher) und verwenden Designs und Materialien, die für eine Meeresumgebung geeignet sind ( Anti-Salz-Spray, Korrosionsschutz ).

2. Kapazitätsberechnung : Muss auf den schwierigsten Betriebsbedingungen basieren (z. B. Triebwerk startet mit voller Leistung, während der Hauptantrieb ebenfalls beschleunigt).

3. Installationsort :

   • Zentralisierte Vergütung : In der Nähe der Hauptschalttafel (MSB) installiert, um globale Probleme zu beheben.

   • Lokale Entschädigung : Wird in der Nähe bestimmter schwankender Lasten (z. B. Triebwerksverteilertafeln) installiert, um eine gezieltere und effektivere Minderung zu ermöglichen.

4. Systemintegration : Für eine intelligente, koordinierte Steuerung muss das SVG in das Power Management System (PMS) oder Energy Management System (EMS) des Schiffs integriert werden.

In der maritimen Industrie ist die Statischer Var-Generator (SVG) ist nicht mehr nur ein Gerät zur Leistungsfaktorkorrektur, sondern ein Schlüsseltechnologie das verbessert die Stabilität, Sicherheit, Wirtschaftlichkeit und Umweltverträglichkeit des elektrischen Systems des Schiffes.

Es eignet sich besonders für:

• Schiffe mit elektrischem Antrieb , um Energieeinsparungen und einen stabilen Betrieb zu erreichen.

• Arbeitsschiffe (z. B. Forschungsschiffe, Bauschiffe), um die Missionsausführung und die Gerätesicherheit bei schwankender Hochleistungslast zu gewährleisten.

• Alle High-End-Handelsschiffe , als charakteristische Konfiguration eines modernen intelligenten Netzes, das zukünftige strengere Effizienz- und Umweltstandards erfüllt (z. B. EEXI, CII).

Eine Investition in SVG ist eine Investition in die Zuverlässigkeit, Effizienz und langfristige Wettbewerbsfähigkeit des Schiffsbetriebs.