淺析船舶交流電網的諧波及其治理措施

馮先偉　李俊瑋

摘 要：本文主要針對船舶電網諧波源及其危害進行分析，并提出諧波治理措施。

關鍵詞：諧波；危害；測量；計算；措施

中圖分類號：U665.1 文獻標識碼：A

Abstract： In this paper， the ship power harmonic and its harm are analyzed， and the solution for the harmonic is proposed.

Key words： Harmonic； Harm； Measure； Calculate； Solution

1 概述

船舶交流電力系統(tǒng)的電能質量定義：導致船舶用電設備不能正常工作的電壓、電流或頻率偏差，以及造成船舶用電設備故障或錯誤動作的任何其它電力問題都是電能質量問題。根據(jù)這一定義，電能質量除了保證額定電壓和額定頻率下的正弦波形外，還包括所有電壓瞬變現(xiàn)象，如沖擊脈沖、電壓下降、瞬時間斷等。電能質量根據(jù)電磁擾動現(xiàn)象可以分為：瞬變現(xiàn)象、短時電壓變動、長時電壓變動、電壓不平衡、波形畸變、電壓波動和閃變、工頻變化等七大類。本文淺析波形畸變中的諧波的危害及其治理措施。

2 諧波的產生原因

我們通常所說的諧波，是指具有電源系統(tǒng)指定運行頻率（簡稱工頻，通常為50 Hz或60 Hz）整數(shù)倍的正弦電壓或電流，各次諧波的幅值和相位是不隨時間而變化的。其產生的根本原因是由于電力系統(tǒng)中的某些設備和負荷的非線性特性，即所增加的電壓與產生的電流不成線性關系而造成的電流、電壓波形畸變。非線性的用電設備接入電網會產生諧波電流，它注入電網后通過電網阻抗產生諧波壓降，疊加在電網基波上，引起電網的電壓畸變。

3 諧波源及諧波的危害

3.1 諧波源

一切非線性的設備和負荷都是諧波源，其非線性特性主要有三類：

（1）鐵磁飽和型：各種鐵芯設備，如變壓器、電抗器等，其鐵磁飽和和特性呈現(xiàn)非線性；

（2）電子開關型：主要為各種交直流換流裝置（整流器、逆變器等）、雙相晶閘管、可控開關設備等。在電力系統(tǒng)內部，如高壓直流輸電系統(tǒng)中應用的整流閥、逆變閥等，以及在柔性輸電系統(tǒng)中和補償設備中采用的電力電子設備等。其非線性呈現(xiàn)交流波形的開關切合和換相特性。隨著大功率電力電子設備的出現(xiàn)，現(xiàn)代電力系統(tǒng)中這類設備的數(shù)量將會迅速增加，值得我們引起重視；

（3）電弧型：各種煉鋼電弧爐在熔化期間以及交流電弧焊機在焊接期間，其電弧的特點和劇烈變動形成的高度非線性，使電流不規(guī)則地波動，呈現(xiàn)為電弧電壓與電弧電流之間的不規(guī)則、隨機變化的伏安特性。

3.2 諧波的危害

諧波對電力系統(tǒng)中電能質量的主要危害如下：

（1）大大增加了電力系統(tǒng)中發(fā)生諧振的可能性，從而造成很高的過電壓或過電流，引發(fā)事故的可能性增加；

（2）增加附加損耗，降低發(fā)電機、輸電線路、用電設備等的利用效率；

（3）使電氣設備，如旋轉電機、電容器、變壓器、電抗器等運轉不正常，加速絕緣老化，使變壓器鐵芯產生磁滯伸縮和噪聲、電抗器產生振動和噪聲，縮短電力設備的使用壽命，增加設備維護費用；

（4）使繼電保護、自動裝置、計算機系統(tǒng)，以及許多用電設備運轉不正常或不能正常動作；

（5）使相位控制設備的正常工作因控制信號紊亂而受到干擾，如電子計算機誤動作、電子設備誤觸發(fā)、電子元件測試無法進行等；

（6）干擾通信系統(tǒng)，降低信號的傳輸質量，使通信線路、信息線路產生噪聲甚至造成故障。

交流電氣設備應能在供電電源的電壓諧波成分不大于 8% 的情況下正常工作。當電源的諧波成分可能大于 8% 時，應注意設備選擇以保證其正常工作。

4 諧波測量

電網諧波問題的分析研究和日常監(jiān)管是建立在諧波測量基礎上的，而諧波數(shù)據(jù)的取得必須借助于有效的測量儀器。諧波電壓（電流）測量應選擇在電網正常供電時可能出現(xiàn)的最小運行方式，且應在諧波源工作周期中產生的諧波量大的時間段進行；當測量點附近安裝有電容器組時，應在電容器組的各種運行方式下進行測量；測量的諧波次數(shù)一般為第2次到第19次，根據(jù)諧波源的特點或測試分析結果可以適當變動諧波測量次數(shù)的范圍；對于負荷變化快的諧波源，測量的間隔時間不大于2分鐘，測量次數(shù)一般不少于30次；對于負荷變化慢的諧波源，測量的間隔和持續(xù)時間不作規(guī)定。為了區(qū)別暫態(tài)現(xiàn)象的諧波，對負荷變化快的諧波每次測量結果可為3秒內所測值的平均值。

諧波測量的數(shù)據(jù)應取測量時段內各相實測值的95%概率值（舍棄實測值前面5%的大值）中最大的一相諧波電流值，作為判斷諧波是否超過允許值的依據(jù)。

5 諧波計算

對于穩(wěn)態(tài)諧波，我們通常用各次諧波分量幅值、相位角的頻譜和各次諧波含有率來描述其波形畸變水平，也可以用總諧波畸變率作為測量信號諧波畸變的度量標準。

6 諧波治理措施

（1）增加換流裝置的脈動數(shù)：改造換流裝置或利用相互間有一定移相角的換流變壓器，可以有效地減少諧波含量，但換流裝置容量要相等；

（2）加裝交流濾波裝置：在諧波源附近安裝若干單調諧或高通濾波支路以吸收諧波電流，可有效地減少諧波含量，但應同時考慮無功補償和電壓調整效應；

（3）改變諧波源的配置或工作方式：具有諧波互補性的設備應集中布置，否則應分散或交錯使用，適當限制諧波量大的工作方式可以減少諧波的影響，但對裝置的配置或工作方式有一定的要求；

（4）加裝串聯(lián)電抗器：在設備電源進線處加串聯(lián)電抗器以增大和系統(tǒng)的電氣距離，可減少和系統(tǒng)的諧波相互影響，但應同時考慮功率因數(shù)補償和電壓調整效應；

（5）改善三相不平衡：從電源電壓、線路阻抗、負荷特性等找出三相不平衡原因加以消除，可有效地減少3次諧波的產生，有利于設備的正常用電減少損耗；

（6）加裝靜止無功補償裝置：可有效地減少諧波源的諧波含量，有抑制電壓波動、閃變、三相不對稱和無功補償?shù)墓δ埽淮涡酝顿Y較大；

（7）避免電力電容器組對諧波的放大：改變電容器組串聯(lián)電抗器的參數(shù)，或將電容器組的某些支路改為濾波器，或限制電容器組的投入容量，可有效地減少電容器組對諧波的放大并保證電容器組安全運行；

（8）提高設備或裝置抗諧波干擾能力：改進設備或裝置性能，對諧波敏感設備或裝置采用靈敏的保護裝置；

（9）采用無源濾波器抑制濾波的措施：無源濾波器主要由電抗器、電容器構成，體積比較大。目前國內的諧波治理以無源濾波器為主，其特點是技術實現(xiàn)相對簡單，具有一定消諧效果，但缺點是體積比較大；

（10）采用有源濾波器抑制濾波的措施：源濾波器是利用電力電子技術來監(jiān)控非線性負載，并動態(tài)地糾正，發(fā)現(xiàn)一個諧波自動注入一個補償電流使波形恢復，通過注入和抵消過程恢復正弦波，使失真減少到不足5%。其特點是可主動消諧、設備體積小、消諧效果非常理想，但技術要求較高、價格較昂貴。

上述治理措施的選擇，要根據(jù)諧波達標的水平、效果、經濟性和技術成熟度等進行綜合比較后確定。

7 結束語

船舶電網諧波的治理涉及眾多的電氣設備，治理難度較大，本文僅淺析了電能質量中的諧波及其治理措施，希望對船舶電網諧波的治理起到一定的啟示作用。

參考文獻

[1]鄧清.最新船舶電氣系統(tǒng)設計與安裝新技術新工藝實用手冊.[M]

交通電子出版社， 2011.

[2]工業(yè)與民用配電設計手冊（第三版 ）.[M]中國電力出版社， 2005.

[3]中國船級社.鋼質海船入級規(guī)范2015第4分冊[S].