船舶電網諧波分析

吳祖橋，宋才生，彭善輝，張 華

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船舶電網諧波分析

吳祖橋，宋才生，彭善輝，張 華

(舟山萬達船舶設計有限公司，浙江舟山316000)

本文介紹了電力推進船舶諧波，闡明了諧波產生的原因和諧波的危害，分析總結了抑制船舶諧波的方法和措施。

船舶電網 諧波 諧波抑制

0 引言

近些年來，隨著電子設備和裝置在船舶系統中廣泛應用，尤其是在電力推進船舶逐漸替代傳統柴油機推進船舶的趨勢下，電力電子裝置和設備數量越來越多、容量越來越大，使得船舶電網中諧波污染問題變得尤為突出并且難以防范。對于船舶來說，電力系統極其重要的組成部分，因此船舶電網諧波對船舶安全和經濟運行有著重大影響[1]。

1 諧波的產生

船舶電網中諧波的產生主要來源于三個方面[2]：

1）發電機電源質量問題導致產生諧波。由于發電機繞組和鐵心的生產工藝很難做到對稱和均勻，所以發電機電源將產生部分諧波。

2）電網中電力變壓器產生諧波。由于電力變壓器的磁化曲線和鐵心飽和是非線性的，同時考慮其工作磁密在磁化曲線的飽和區域，磁化電流曲線為尖頂波形，其波形含有主要為3次諧波的奇次諧波。

3）電網中用電設備產生諧波。隨著非線性電氣設備在船舶電網中廣泛應用，非線性設備使得電網中電流為非正弦波形，導致電網中產生諧波，電網電壓處于嚴重失真狀態。

2 諧波的危害

2.1對船舶電網的危害

在船舶電網中，線路上流動的諧波電流會造成有功功率損耗。特別是當諧波頻率高時，線路上集膚效應會使得諧波損耗比基波損耗大的多，所以電網諧波會導致輸電線路附加損耗增大[3]。

對于基本由電纜構成的船舶電力系統，諧波不僅會增大線路附加損耗，而且還會引起電壓諧振，從而在線路上產生過電壓。這將導致電纜老化加快，產生的溫升和介質損耗增加，甚至會引局部放電，嚴重影響線路電纜壽命。一般而言，諧波對電纜的危害是隨著電纜額定電壓的升高而增大。

2.2對船舶主要負載的影響

1）電機

電機在運行過程中，諧波不僅會產生附加損耗、增加多余熱量，而且會引起諧波過電壓、超出正常值的噪聲以及機械振動，這些都會對電機的壽命產生影響，最嚴重時可能影響電機正常運行。

2）變壓器

諧波對變壓器的影響主要是會增加變壓器損耗，包括銅損耗和鐵損耗。諧波頻率越高，集膚效應越嚴重，鐵損耗也越大。所以，諧波中高次諧波造成的損耗更大，也更容易造成變壓器發熱。

3）電力電容器

電力電容器在船舶電站中常被用來補償感性負載。而高次諧波對于電容器表現出低阻抗性，導致流過電容器的電流增加，長時間的過流將導致電容器使用壽命減少，甚至會出現電容器爆炸的危險。此外，由于諧波頻率，系統的感性阻抗與電容器的容性阻抗存在發生諧振的可能。

4）變流裝置

船舶電網中變流裝置不僅作為諧波源會產生諧波注入電網，而且外部產生的諧波源又會影響變流裝置的正常運行。當諧波引起電壓和電流變化率升高，引起系統指示儀表產生誤差，甚至導致晶閘管故障時，都會影響給變流裝置正常工作。

5）控制和保護裝置

船舶電網中諧波對晶體管型繼電器影響很大，對保護繼電器的性能產生影響，嚴重時會引起控制和保護裝置的誤動作。

6）船舶電子通信設備

船舶諧波對船舶電子通信設備有很大影響，特別是高次諧波對信號線路和通訊設備有很強的干擾作用，通訊網絡中的電磁效應會發生變化，通訊載波的正常工作也受到影響。

3 諧波治理措施

船舶電網諧波會影響電能波形質量，更嚴重危害電力系統各用電負荷運行的安全性和經濟性。因此，為確保船舶電網中電能質量的穩定性，必須對船舶電網諧波進行治理。目前，諧波治理措施主要分為兩類，即主動型和被動型[4]。

3.1主動型諧波抑制

主動型諧波抑制是指對電網中的設備自身進行技術改進，對設備產生的諧波進行抑制，從而達到減少諧波的目的。常用的主動型諧波抑制方法有多脈整流、合理配置諧波源以及脈寬調制技術。

1）多脈整流

目前最常見整流相數為6脈，當整流相數增加，由6脈增加為12脈時，對幅值較小的低頻諧波有很好的消除效果，因此可以有效降低諧波電流的有效值。為抑制諧波，目前船舶電力推進系統一般采用12脈或者24脈變頻器進行諧波抑制，從而降低電網側諧波電流。根據理論分析，隨著整流脈數增多，諧波抑制效果就越好。

2）脈寬調制技術

脈寬調制技術是指將指令電流信號作為調制信號和高頻率載波信號相比較，電子開關器件動作是通過PWM驅動信號實現的，其產生的電流和電壓波形極其接近正弦波。因此，其諧波含量很低，能夠減小對其他用電設備的影響。但需要注意，脈寬調制技術的應用要求變流器由可控通斷器件組成。

3.2被動型諧波抑制

被動型諧波抑制指在設備或系統外部增加諧波抑制裝置，對船舶電網諧波進行抑制，從而達到減少諧波的目的。常用的被動型諧波抑制有無源濾波器、有源濾波器以及混合型有源電力濾波器。

1）無源濾波器

顧名思義，無源濾波器是由無源器件組成的，包括電容、電感以及電阻等，其利用LC諧振原理進行濾波。一般治理電網諧波時，將無源濾波器安裝于諧波含量高的電網節點或者靠近諧波源，利用無源器件的諧振特性對調諧頻率處諧波進行消除。但是，無源濾波器只能針對特定次數諧波進行濾出，濾波效果并不理想。無源濾波器的優點是能進行無功補償，價格實惠，維護也相對簡單。

2）有源電力濾波器

有源電力濾波器具有比較復雜的電路結構和控制系統，實際上是一個電子式諧波發生器，它是通過產生一個與電網諧波幅值相同、方向相反的諧波來消除電網諧波。有源電力濾波器克服了無源濾波器只能固定補償的缺點，實現了動態跟蹤補償，可以既補諧波又補無功。有源濾波器與無源濾波器相比，諧波治理效果好，可以同時濾出多次和高次諧波，不會引起諧振，但價格較高。

4 多脈整流抑制諧波

6脈波變頻器的整流輸出電壓為每個周期有6個紋波的直流波形，每個紋波的相角為60°。將兩套三相整流橋交流輸入側的電壓相角相差30°，整流橋直流輸出側進行串聯或者并聯，則在直流側形成12脈波的直流電壓波形，通常我們稱之為12脈波整流。

4.1 12脈波變頻器主電路

增加了整流的脈沖數后，可以減小整流電壓的脈動，12脈波的整流電壓脈動波寬度為30°，整流脈沖數越多，其整流輸出的脈動頻率越高，脈動周期越短，脈動的幅值越小，輸出的電壓越高，即越接近交流電壓峰值。

圖1 12脈波變頻器主電路

圖2 12脈沖和6脈沖整流電壓波形比較

6脈波變頻器脈動幅度：

W=P(1-sin60)=0.134P

12脈波變頻器脈動幅值：

W=P(1-sin30)=0.034P

4.2 12脈波變頻器諧波分析

圖3 12脈波變頻器整流波形

12脈波電路中，可以將變壓器設計成為一組一次繞組接成Y聯結，兩組二次繞組采用三角形聯結，第一組順延，=15°，即二次線電壓比一次線電壓超前15°，第二組逆延，α=-15°，即二次線電壓比一次線電壓滯后15°。

由計算可得：

兩式相加可得：

a=a1+I2=

由此可知，將變壓器設計成為一組一次繞組接成Y聯結，兩組二次繞組采用三角形聯結12脈波電路時，一次電流中5次，7次，17次，19次等各次諧波均被抵消，一次電流中的特征諧波為11、13、23、25、35，即12±1次諧波，其中k=1、2、3…。

5 結束語

本文對電力推進船舶電網諧波進行了研究，分析了諧波產生的原因，討論了諧波對船舶電網自身和重要負載的危害，分析總結了目前治理船舶電網諧波的措施和方法，對電力推進船舶電網的安全運行具有理論意義和實際參考價值。

[1] 肖湘寧. 電能質量分析與控制. 北京: 中國電力出版社, 2004.

[2] 趙懷軍, 宋倩楠, 邱宗明等. 艦船電力系統諧波的產生、危害和抑制. 船舶科學技術, 29(4): 61-65.

[3] 李先林. 電力推進船舶電網諧波分析. 大連海事大學碩士學位論文, 2004.

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

Harmonic Analysis of Electric Propulsion Ship

Wu Zuqiao, Song Caisheng, Peng Shanhui, Zhang Hua

（Zhoushan Wonderful Marine Design Company Limited, Zhoushan 316000, Zhejiang, China）

TM461

A

1003-4862（2017）08-0077-03

2017-04-29

吳祖橋（1972-），男，工程師。研究方向：輪機工程。