24脈沖電力推進船舶電網諧波分析

何金平，朱沈紅

（1.中海油能源發展采油服務公司，天津300457；2.西門子（中國）有限公司上海分公司，上海200082）

0 引言

自從世界上第一條電力推進船舶問世后，這種采用電力推進的方式被越來越多地在船舶建造中所接受。尤其對于海工船，比如半潛船、運輸船、物探船、深水工程勘察船、起重船、風車安裝船、破冰船、挖泥船、布纜船等類型的船舶。在采用電力推進系統下其操縱性、經濟性及航行轉速等方面的優勢更為明顯。但由于電力推進需要使用大容量的電力電子裝置，如整流、逆變設備，而這些電力電子裝置在實現功率控制和處理的同時，都不可避免地產生大量的諧波。

大多電力系統都可以容忍一定程度的諧波產生，但是當諧波在總電網中所占比例較為明顯時就會導致出現一系列問題，例如發電機效率降低，電氣設備過熱，產生振動和噪聲，增加設備損耗，導致絕緣老化、使用壽命縮短等；諧波也會引起電力系統局部諧振，使諧波含量放大，造成危險的過電流和過電壓，電容器設備可能會因此而燒毀；諧波還會引起船舶繼電保護和自動控制裝置誤動作而降低其可靠性；另外，在現代化的船舶條件下，諧波會對通訊電子設備產生干擾，降低信號的傳輸質量，破壞信號的正確傳遞，甚至威脅船舶電力系統的安全。因此對船舶電力推進系統在系統設計階段就進行諧波仿真分析就顯得尤為重要，從而在必要時提前采取有效措施，抑制并防止電網中因諧波危害而造成嚴重后果。

1 諧波的產生

1.1 諧波的定義

諧波的概念實際來自于研究正弦波形畸變的數學方法，國際上公認的諧波的定義為：“諧波是一個周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波的整數倍”。[1]諧波是指正常電流等波形的一種失真，一般情況下是由非線性負載所產生的，這些非線性電源產生高振幅短脈沖電流，造成電流和電壓波形嚴重失真，為諧波失真，一般按總諧波失真（THD）來衡量。

1.2 諧波的來源

電網中有一些特殊的用電設備，它們的工作電流和電壓不成正比，被我們稱為非線性負載，這些就是諧波的主要來源。理想化的電網頻率是比較規整的，但是如果遇到非線性設備在運行，就會產生非電網基準頻率的成分信號。比如整流器，就可以把50 Hz的基波處理成為具有100 Hz、150 Hz、200 Hz……等等的成分信號，這就是諧波。圖1說明了在電力電子變流器輸入電流（is）中的電流諧波（ih）如何影響電源電壓（u(t)）[2]。

1.3 電力推進船舶電網的諧波源

在船舶電網中諧波來源有三個方面：一是發電源產生諧波；二是輸配電系統產生諧波；三是用電設備產生的諧波。

船舶電網中的發電源是指發電機，發電機的諧波是由于三相繞組很難做到絕對對稱，鐵芯也很難做到絕對均勻一致，導致轉子和定子之間空氣隙中的磁場就成非正弦分布從而產生諧波。因此發電機的輸出電壓本身就含有一定的諧波，其諧波電壓的幅值和頻率取決于發電機本身結構和工作狀態。

輸配電系統中主要是指電力變壓器。變壓器的勵磁回路具有非線性電感，因此勵磁電流是非正弦波形，使得電流波形發生波形畸變。在空載時，非正弦的勵磁電流在變壓器原繞組的漏抗上產生壓降，使變壓器感應電勢中包含諧波分量。變壓器鐵芯的飽和、磁化曲線的非線性，加上設計時考慮經濟性，其工作磁密選擇在磁化曲線的近飽和段上，使得磁化電流呈尖頂波形，含有奇次諧波，其大小與磁路的結構形式、鐵芯的飽和程度有關，鐵芯的飽和程度越高，變壓器工作點偏離線性越遠，諧波電流就越大。[3]

產生諧波的用電設備主要指具有非線性特性的電氣設備，即使電源給這些設備供給的是正弦波形的電壓，但由于它們具有非線性的電壓-電流特性，使得流過電網的電流也變成非正弦的，即產生了諧波，使電網電壓嚴重失真。即諧波電流會導致線路電壓畸變。

一般來說，如果知道了諧波電流和相應的源阻抗，就可以在電網中的任何一點計算電壓畸變。圖2是最簡單的為非線性設備（變頻器）供電的電網示意圖。

電力推進系統中的變頻器是電網產生諧波的最主要設備，因為船舶電推系統采用變頻進行調速，而諧波頻率又隨頻率變化，這樣直接影響船舶電網的電源質量。對于變頻器而言，只要是電源側有整流回路，都將產生因非線性引起的諧波，諧波的含量取決于它們本身的特性和工況。在平衡的三相系統中，由于對稱關系，偶次諧波已經被相互抵消或含量很小，因此通常只對電網的奇次諧波進行分析。

2 諧波治理的措施

為解決電力推船舶系統中諧波污染的問題，傳統的手段都是設置濾波器，但這種方法需要額外的成本并且需要考慮濾波器的安裝空間以及濾波效果，因此通常都作為由于前期對電網可靠性分析不足而在后期做出的補救措施。治理諧波的最佳方案當然是在設計階段就預見到諧波污染的最惡劣情況，并在不增加其余設備的基礎上利用系統原本的設備特性進行諧波的治理，使其經濟性地滿足行業規范并達到驗收的標準。

結合船舶電網中諧波的來源，在設計作為諧波源的設備時，改進系統結構或合理確定相關的影響諧波的主要性能參數就顯得尤為重要。針對三種主要的諧波來源，可以進行如下設計改善：

改善同步發電機短路功率，即直軸超瞬態電抗（Xd”）來提高電源功能，Xd”越小，諧波影響就越小，但由于發電機的 Xd”同時影響電網的短路電流，Xd”越大，短路電流越小，所以對于發電機來說Xd”需要選擇一個兼顧電網短路電流和諧波的合理值[4]。

圖1 帶有變流器負載、變壓器和其他負載的設備

圖2 為變頻器供電的船舶電網示意

圖3 電力推進系統中影響諧波的因素

改善變壓器的短路阻抗Uk，Uk越大，諧波影響越小。

采用12或24脈沖整流變壓器系統，改善內部濾波功能，同時可以使能量利用率越高，運行效率也就越高。出于系統的整體考慮，更多地都考慮通過整流方式即改善用電設備的供電方案達到諧波治理的目的。目前整流系統主要有單相半波、單相全波、三相半脈波、三相全脈波、12脈波、24脈波、36脈波和48脈波等整流電路。

諧波次數和整流脈波的關系式

式中：P：含有脈波次數；n：整流脈波次數；k：正整數。

由上式可得出結論：脈波數越多，諧波含量越少，比如采用12脈波整流方式系統中的特性諧波包含11、13、23和25次等，如采用24脈波整流方式，系統中的特性諧波包含23、25次等，且各次諧波數值很小。圖4給出了幾種整流變壓器解決方案的連接方式及其對應的電流波形，可見24脈波整流方式比12脈波整流方式在諧波治理方面有很大的優勢[5]。

6脈沖、12脈沖和24脈沖整流系統的結構分別如下：

6脈沖二極管整流橋，包含6個不可控整流器或二極管以及一個電抗器，該電抗器與一個直流電容器共同形成一個低通濾波器，可以對直流電流進行平波處理。6脈沖整流器操作簡單，但產生的5、7、11次低次諧波較大，尤其在平波電抗較小的情況下。

12脈沖整流器是將兩個6脈沖整流器并聯起來為一個公共直流母線供電。整流器的輸入帶有一個三繞組變壓器，變壓器的副邊有 30°的相位偏移。采用這種布局的好處是電源端的一部分諧波處于相反相位，因為可以被抵消掉。從理論上來說，在變壓器原邊能看到的最低頻率諧波成分是11次。

24脈沖整流器是由兩個并聯的 12脈沖整流器組成，帶有兩個三繞組變壓器，兩個變壓器的原邊有 15°相位偏移，對于高功率的推進系統來說，24脈沖系統是最佳的方案，諧波畸變也最小[6]。從圖4和圖5可以明顯看出，整流器的波次越多，波形越接近于正弦波，諧波成分也就越少。從供電效益和經濟效益方面來講，2臺三相雙繞組變壓器構成24脈波整流變壓器系統”的組合方式更優越，實用性更強，需要注意的是24脈波必須采用特殊的接線方式，使一二次側對應的最小相位差15°，實現所需的移相角度通常有延邊三角形和曲折形接線兩種接線模式；同時需要注意的是在基本聯結組別基礎上移相，必須保證具有相同的技術參數（空載損耗、負載損耗及短路阻抗等），從而保證供電的線性度和穩定性[7]。

圖4 整流電路特性圖

圖5 諧波分布圖

圖6 6.6kV電力系統單線圖

3 三萬方LNG運輸船諧波分析計算

三萬方方 LNG運輸船是一艘由雙燃料主機為原動機的主發電機組作為公共電站向全船所有負載供電，由24脈沖變頻器整流系統驅動全回轉推進器作為主推進，并且全船各系統高度自動化的船舶。

全船中壓系統電力系統單線圖如圖6。

由于各工況運行的發電機臺數和電機負載不同，Case 4是變頻負載占比最大的工況，即諧波最大的工況。即對諧波最大工況軟件仿真。

根據仿真工況分析，選取Case 4諧波最大工況下，分析數據輸出。波形圖輸出見圖7。波形說明: 1)發電機電流； 2)6600 V電壓和 400 V電壓；3)整流器 ； 4)負載：主推和400 V變頻設備。通過軟件仿真計算，其得出結果見表1。

4 現場實測的結果

在船舶常規試航中，根據諧波分析數據，對諧波產生最大工況下的諧波進行檢測，其測量結果如下所示：6600 V 主配電板Voltage THD值為1.8%，400 V 輔助配電板Voltage THD 為1.6%。

5 結論

本文通過對電力推進船舶電網諧波問題以及主要的諧波抑制方法的分析總結，結合三萬方LNG運輸船24脈沖電力推進系統軟件仿真諧波分析計算，驗證了本船入級中國船級社（CCS），CCS規范 2013第 8篇 第 15章第 2節 15.2.2.2明確規定“為電力推進供電的配電板，總的電壓畸變應不超過 10%。”[8]之要求，確認本船采用 24脈沖電力推進系統，有效減小諧波的影響，提高了電網的穩定性，其結果滿足船級社的要求。

圖7 波形輸出圖

表1 諧波計算結果

[1]Stefan Iden.Harmonic distortions in power system of diesel-electrical propelled ships[A].Proc.of EPE'99[C],Lausanne，1999,3:301-310.

[2]聶延生，王曉巖，汪涌泉等.交交變頻電力推進系統的諧波分析[J].大連海事大學學報,2004,30(1):42-44.

[3]船舶設計實用手冊：電氣分冊/中國船舶工業總公司編.北京：國防工業出版社，1997.

[4]王兆安，楊君，劉進軍，吉桂明．諧波抑制和無功功率補償[M].北京：機械工業出版社，1998:25-26.

[5]S Hansen,P Nielsen,F Blaabjerg.Harmonic cancellation by mixing non-linear single-phase and three-phase loads[J].IEEE Trans.On Industry Applications,2000,36(1): 152-159.

[6]馬偉明等.中國電氣工程大典第 12卷.船舶電氣工程[M].北京:中國電力出版社，2009：329.

[7]IEEE Std 519-1992.IEEE recommended practice and requirements for harmonics control in electricalal power systems[S].IEEE,New York,1993.

[8]中國船級社.CCS鋼質海船入級規范 第 8篇第 15章第2部分.2012.