船舶綜合電力推進系統電力諧波標準探討

張志強 馬守軍 余林剛

（海軍裝備研究院，北京10073）

1 引言

電力推進技術在船舶上，特別是在豪華游輪、輪渡等船舶上早已廣泛應用，但以往大多采用直流電力推進系統。由于電力電子技術和計算機控制技術的迅猛發展，使得交流電力推進系統逐漸替代了直流電力推進系統。圖1是典型的船舶綜合電力推進系統，全系統主要分為發電模塊、推進模塊和日用負載模塊及供電網絡。

船舶電站交流同步發電機產生的電壓基本上是正弦波，即波形中基本無直流和高次諧波分量。但是交流推進模塊中的大功率變流裝置產生大量高次諧波，對船舶電網造成“污染”，對船舶電力系統發、配、用電設備造成不良影響，甚至出現嚴重危害。此外日用負載模塊中的蓄電池組充放電裝置、船舶通訊、導航、報警設備和電視機、電腦、節能燈等文娛、生活用電器都向電網注入各次諧波[1,2]。為了控制諧波“污染”，各國和船級社都對諧波制定了相關標準。雖然都是針對電力系統諧波提出的限制標準，但是這些標準在范圍、內容、限制指標上存在較大差異。

本文針對電力推進船舶的特點，對各種標準的諧波限值指標進行了對比和分析，提出了電力推進船舶諧波限值指標的剪裁意見，為綜合電力推進船舶的論證，設計，建造和驗收提供服務。

2 船舶綜合電力推進系統諧波特點

綜合電力推進船舶的電力系統與陸用電力系統相比有較大區別，在分析綜合電力推進系統的諧波時要看清其特點：

圖1 典型的船舶交流電力推進系統

（1）船舶電力系統容量小，非線性負載所占比例大，推進用變頻調速裝置就成為主要的諧波“污染源”，系統內諧波含量高。

（2）船舶電力系統設計好以后，各種用電設備的數量和功率明確，使用狀態相對固定，因而對諧波的監測、分析和抑制手段帶來方便。

（3）電力推進船舶的電力網絡簡單，電壓等級少，中壓網絡上只有少數大功率負載如推進變頻器和螺旋槳電機、中壓變壓器、中壓電動機等，低壓網絡上的設備眾多分布全船但單個功率較小。

（4）船舶電力系統布置空間有限，設備比較集中，輸電距離短，電纜可作為短線路處理，簡化處理時可以忽略。

3 諧波限值相關標準介紹

我國1993年頒布了國標《電能質量 公用電網諧波》（GB/T 14549-93）[2]，對諧波限值做出了明確規定。除了各國頒布的諧波相關標準外，各船級社標準、國軍標、IEEE標準、EN標準等都有相關諧波限值規定。

電力系統諧波限制標準主要包括電壓諧波限值和注入諧波電流允許值兩部分。本文主要討論諧波電壓限值相關標準。電壓諧波限值相關標準給出各電壓等級下，總諧波畸變率及單次諧波含有量的最大限值，注入諧波電流允許值相關標準給出各電壓等級電網中，允許連接于該電壓等級母線的非線性負載注入電網諧波電流的最大允許值。表1對國內外多個具有代表性的諧波電壓限值標準進行對比。

4 綜合電力推進系統諧波限制分析

目前，現有艦船相關標準中，僅僅給出了380 V等級低壓電網電壓諧波總畸變率和單次諧波最大含量給出了規定，如表2所示。

船舶的相關標準并沒有像陸用公用電網相關標準一樣，給出690 V、6 kV、10 kV等各電壓等級的電壓諧波限制標準，也沒有給出各單次諧波和間諧波含有量的具體限制值。因此，艦船電壓諧波限制標準，應在現有低壓電網電壓諧波限制要求的基礎上，有選擇地借鑒相關公用電網電壓諧波限制標準。

表1 諧波電壓限值相關標準對比[3,4]

132 1 0.5 1.5注：諧波次數小于20奇次諧波（非3的倍數次）奇次諧波（3的倍數次）偶次諧波h HRh（%）h HRh（%）h HRh（%）5 6 3 5 2 2 7 5 9 1.5 4 1 IEC6100 0-2-2 低壓公用電網電壓諧波限定值11 3.5 15 0.3 6 0.5 13 3 ≥21 0.2 8 0.5 17 2 － － 10 0.5 19 1.5 － － ≥12 0.2 23 1.5 － － － －25 1.5 － － － －≥29 0.2+12.5/h － － － －注：對直到40次的電壓諧波THD≤8%。奇次諧波（非3的倍數次%）奇次諧波（3的倍數次）（%）偶次諧波（%）次數 1類 2類 3類 次數 1類 2類 3類 次數 1類 2類 3類h HRh HRh HRh h HRh HRh HRh h HRh HRh HRh 5 3 6 8 3 3/5 3/5 5 2 2 2 3 7 3 5 7 9 1.5 1.5 2.5 4 1 1 1.5 11 3 3.5 5 15 0.3 0.3 2 6 0.5 0.5 1 13 3 3 4.5 21 0.2 0.2 1.75 8 0.5 0.5 1 IEC 61000-2-4電壓諧波限定值17 3 2 4 ＞21 0.2 0.2 1 10 0.5 0.5 1 19 1.5 1.5 4 － － － － ＞10 0.2 0.2 1 23 1.5 1.5 3.5 － － － － － － － －25 1.5 1.5 3.5 － － － － － － － －＞25 0.2+12.5/h 0.2+1 2.5/h 5(11/h)1/2－ － － － － － － －注：對于1類，電壓諧波THD≤5%；對于2類，電壓諧波THD≤8%；對于3類，電壓諧波THD≤10%。IEC 61000-2-4間電壓諧波限定值次數 h ＜11 11～13 13～17 17～19 19～23 23～25 ＞25 1類HRh (%)0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 2類HRh (%)0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 3類HRh (%)2.5 2.25 2 2 1.75 1.5 1

表2 艦船相關標準380 V等級低壓電網電壓諧波限定值

對于陸用電網當低壓電網電壓總諧波畸變率為 5%時，隨著配電系統電壓等級的升高，各級高壓配電系統電壓總諧波畸變率逐漸降低。這是由于公用電網規模較大，絕大部分諧波源都在中、低壓電網，隨著電壓等級的升高，公共連接點短路容量變大，相同的諧波源引起的上一級電網電壓總畸變率降低。反過來從需求上分析，公用電網供電區域廣，尤其是中、高壓等級，當中、高壓等級電壓總諧波畸變率大時，全網設備會受到諧波影響，影響范圍大而且危害廣。因此在電力系統設計中應秉承就地控制諧波的原則，對中、高壓等級電壓總諧波畸變率要嚴格控制。

對于艦船而言，常規艦船電力系統一般采用三相交流380 V（220 V）一級主供電網絡，綜合電力推進系統采用3/6/11 kV、（690 V）、380 V兩級或三級主供電網絡，電力系統網絡短路容量有限。而且，綜合電力推進系統最大的諧波源是推進變頻器，變頻器都是直接或通過推進變壓器由中壓主電網供電，相當于主諧波源在中壓側，低壓側諧波源幅值遠小于中壓側，中壓系統諧波電流通過日用變壓器注入低壓電網，造成低壓電網電壓畸變。從原理上講，綜合電力系統不可能像公共電網一樣，中壓電網電壓總諧波畸變率低于低壓電網，因此不能采用 GB/T 14595等公用電網標準。

IEC 61000-2-4 《工業設備低頻傳導干擾的兼容水平》該標準將低頻電磁環境分為三類，制定了各類電磁環境下的諧波兼容標準，三類電磁環境分別為[3,6]：

第1類：對供電要求較高的被保護供電場所，其設備對供電干擾非常敏感，如實驗室的儀器、自動化和保護設備、某些計算機，其兼容性水平嚴于公用電網的水平。

第2類：適用于一般工業環境下電網的公共連接點（PCC）和系統或裝置內部連接點，其兼容性水平與公用電網的兼容水平相同。

第3類：僅適用于特殊工業環境下的系統或裝置內部連接點，其兼容性水平高于公用電網的兼容水平。如大部分負荷由換流器供電；需要頻繁啟動大型電動機；快速變化的負荷；有電焊機時可以考慮用該類兼容性標準。

IEC61000-2-4標準將諧波問題歸結在電磁兼容范圍內，根據設備不同的使用環境提出諧波限制要求，而并不是像IEC61000-2-2等公用電網標準一樣根據不同電壓等級提出諧波限制要求。考慮到我國國家標準及其它國家標準越來越多地等效或等同采用IEC標準，艦船電力推進系統諧波標準限值可參照IEC61000-2-4標準。

5 結論

諧波標準是控制電網諧波含量的主要技術依據。諧波標準實質上是合理解決諧波源和電網之間諧波干擾的電磁兼容，并保證電網安全和經濟運行的重要標準。

量化是制定諧波標準工作的核心內容，涉及對諧波問題發生原因和干擾傳播機理的認識，對用電設備承受干擾能力的分析和測試，以及對抑制擾動和質量達標等技術的保證。在制定諧波標準時應注意到，不是制定的指標越高越好，其指標量化的目的是將電力系統整體的安全和經濟與基本保證用電的可靠性聯系起來，進行綜合優化協調，制定出適度的和可達到的技術指標。在制定諧波標準時應結合國情，綜合考慮上述因素，同時向國際標準靠近以利于國際間的交流和產品的標準化。

[1]肖湘寧. 電能質量分析與控制.[M]. 中國電力出版社, 2004.

[2]GB14529－93 電能質量 公用電網諧波[S]. 北京：中國標準出版社, 1993.

[3]林海雪. 國際電工委員會諧波標準簡介[J].中國電力,1998, 31（10）： 55-59.

[4]林海雪. 從 IEC電磁兼容標準看電網諧波國家標準.[J].電網技術,1999, 23（5）： 64-68.

[5]中華人民共和國國家軍用標準. GJB4000－2000. [S].北京： 總裝備部軍標出版發行部, 2000.

[6]全國電壓電流等級和頻率標準化技術委員會. 電壓電流頻率和電能質量國家標準應用手冊[M]. 中國電力出版社, 2001.