基于電力推進船舶的電網諧波分析

趙玉文

（中國地質調查局 青島海洋地質研究所，山東青島 266071）

0 引言

隨著電力電子、交流變頻調速、智能控制技術的發展，電力推進船舶以其振動小、噪聲少、能源效率高、自動化程度高、可靠性和維護性強等顯著優勢，成為現代船舶推進的重要發展趨勢，尤其是海工船，如平臺供應船、挖泥船、布纜船、科考船等，已越來越多地采用電力推進系統。電力推進電網是指由發電裝置（發電機組）、配電裝置（配電板）、用電裝置（推進負載、日用負載、 特種作業負載等）等組成的電力網絡，可實現發電、配電、用電的統一管理和集中控制，符合智能化發展趨勢[1]。

然而，電力推進系統中采用的非線性電力裝置，如整流、逆變設備等，將不可避免地導致電力網絡上出現諧波。大多電力網絡都可以承受一定程度的諧波，但當諧波污染嚴重時，則會降低 電網電能的質量，產生發電機效率降低、設備過熱損壞、振動噪聲大、絕緣老化快、使用壽命短、 繼電保護和自動控制裝置誤動作等危害。因此在電力系統的設計過程中，應考慮諧波問題，研究諧波治理方案，并對方案進行仿真計算，防止工程實施后電網因諧波危害造成嚴重后果。

1 船舶電力推進系統組成

本文所述船舶的電力推進系統由發電、配電和用電裝置組成，其系統單線圖如圖1所示[2]。其中，發電裝置是由4臺1 200 kW、額定電壓為690 V、額定頻率為60 Hz的柴油發電機組構成；配電裝置是由1套690 V配電板、1套PMS和1套440 V配電板構成，配電板中間通過母聯開關連接，母聯開關打開后，左右2個電站可獨立運行，690 V配電板用來給主推進、側推進系統及高壓沖水泵供電，440 V配電板用來給除推進系統外的各日用負載供電；用電裝置是指船上的所有用電設備，種類較多，其中推進負載是該船最大且最重要的負載，采用了690 V供電系統，包含2個主推進支路和2個側推進支路，690 V配電板的左右母排各連接一個主推進支路和一個側推進支路，主推進支路采用2套12脈波變頻器給推進電機供電，2臺主推進變頻器整流側采用不可控電力二極管，通過移相變壓器形成虛擬24脈波；逆變側驅動主推進電機額定轉速為1 800 r/min，額定功率為1 650 kW；側推進支路為2個獨立支路，采用軟啟動供電。側推電機額定轉速為1 800 r/min，額定功率為690 kW。

圖1 船舶電力推進系統單線圖

2 諧波抑制措施

工程應用中，應分析船舶電力系統的諧波源，對比各種諧波抑制方法的優缺點，并考慮實際的諧波抑制投入和產生的諧波抑制效果，選擇一種適用于實際工程的諧波抑制方法[3]。

2.1 諧波源分析

電網諧波主要是由各種變流設備和非線性負載產生的。在非線性負載上施加正弦基波電壓時，負載吸收的電流波形和施加的電壓波形不同，畸變電流會影響電流回路中的電子設備。當系統電源存在阻抗時，畸變電流會在阻抗上產生電壓降，從而導致畸變電壓，影響電網中的所有負載。

在船舶電力推進系統中，發電、配電和用電裝置都會產生諧波：1）發電裝置是由于發電機的三相繞組無法做到絕對對稱，鐵心也很難絕對一致，因而會產生一些諧波，但數量很少；2）配電裝置中主要因變壓器產生諧波，由于其具有非線性的飽和磁化曲線，且因經濟原因工作磁密一般選在曲線的近飽和段上，磁化電流會呈尖峰波形，從而導致以3 次諧波為主的奇次諧波；3）用電裝置中的諧波是由具有非線性電壓-電流特性的設備產生的，電力推進系統中的最大的諧波源是大容量變流裝置（變頻器），且其產生的高次諧波多，是諧波處理的主要對象。

2.2 諧波抑制措施的選擇

目前船舶電力系統諧波的抑制方案主要有以下2 種[4]：

1）預防型諧波抑制方案。工程應用中常采取這種措施，通過增加整流裝置的脈沖數，來減少系統中諧波源產生的諧波數量，一般用于較大整流裝置。目前變頻器常用的脈沖整流方式有6 脈沖整流、12 脈沖整流和24 脈沖整流，脈沖數越多，諧波的含量越少。

2）補償型諧波抑制方案。在諧波源附近安裝濾波器，就近吸收已產生的諧波電流，通常可分為2 種：無源濾波和有源濾波。無源濾波器是由電感、電容等元件搭建而成，如LC 濾波器，其具有很大的局限性，只能吸收特定次諧波電流。而有源濾波則是一種可擬補無源濾波不足的新型諧波抑制方法，其原理是檢測抑制對象中的諧波電流，由補償裝置產生一個大小相等極性相反的補償分量，從而使電網電流只含基波分量。有源濾波是一種動態抑制諧波、補償無功的措施，能對頻率、大小變化的諧波進行快速的補償響應，是今后的趨勢，但成本高。

因無源濾波具有只消除特定次諧波的局限，不能滿足12 脈沖變頻器產生諧波次數多的特點，且有源濾波的成本高、投入大。因而，本文選用預防型諧波抑制方案，在2 主推進支路分別通過移相變壓器移相作用構成虛擬24 脈沖整流回路，并進行仿真計算，以保證所選方案滿足工程要求。

3 電力推進系統諧波仿真分析

ETAP 軟件是美國OTI 公司開發的電力系統分析計算軟件，內含潮流計算、短路計算、繼電保護配合、弧閃分析、諧波分析和變壓器容量選擇等多個計算模塊。其中，諧波分析模塊是遵守IEEE 519 標準，涉及諧波潮流計算、頻率掃描分析、諧波共振，可計算電壓電流的總有效值RMS、合成峰值ASUM、各次諧波分量和總諧波畸變率，并自動生成各結果的響應曲線。

3.1 ETAP 仿真模型的建立

本文所述船舶的電力系統如圖1 所示，在ETAP 軟件進行諧波計算前，要建立電力系統的模型，將系統中含有的各元件拖到模型中，并輸入各電氣參數，主要元件包括發電機、母線、變壓器、變頻器、開關、電機、電纜等，所建模型如圖2 所示。

圖2 船舶電力系統ETAP 仿真模型

3.2 ETAP 仿真計算結果

ETAP 軟件的諧波分析主要是進行諧波潮流計算和頻率掃描計算，在諧波分析工具欄中使能仿真后，可得到690 V 和400 V 母線的電壓諧波波形圖，如圖3 所示。從圖3 可看出，兩母線的電壓波形基本接近正弦波，且因主要的諧波源—變頻器連接在690 V 母線上，690 V 母線的諧波成分比400 V 母線大。諧波頻譜圖如圖4 所示，從圖4 可看出，由于采用的是虛擬24 脈沖整流，電網的諧波主要為23 次諧波和25 次諧波，且690 V 母線和400 V 母線的單次最高電壓諧波含有率分別為2.2%和1.6%，從仿真后的電力系統ETAP仿真模型圖上可看出，690 V 母線和400 V 母線的總諧波畸變率分別為3.78%和2.79%。

圖3 電壓諧波波形圖

圖4 諧波頻譜圖

3.3 諧波結果評價

IEEE 519—1992標準規定的諧波電壓畸變限制值（U＜69 kV）如表1 所示。

表1 畸變限制值表

CCS 船級社關于電網諧波的規定如下：

1）對于有半導體變換器裝置運行的網絡，單次諧波至15 次的諧波應不超過標稱電壓的5%，其后逐漸減少；在100 次諧波時，應減少到1%。

2）對于專用系統，例如電力推進供電的配電板，總的電壓畸變應不超過10%。

由仿真結果可以看出，此船所采用的虛擬24脈多相整流諧波抑制技術，完全滿足CCS 船級社和IEEE 519—1992 標準關于電網諧波的規定。

4 本文所述船舶電網諧波實船測試

4.1 實船測試設備

本次諧波測試采用美國DRANETZ公司的專業電能質量分析儀Power Xplorer PX5 400，其滿足美軍標MIL-STD-1399、IEEE 1159、IEC 61000-4-30 Class A和歐盟EN50160等標準關于電能質量的測試要求，在國內外電力系統電能質量分析領域具有極高的權威。Power Xplorer PX5 400具有8通道隔離輸入，可同時測量4路電壓和4路電流，滿足項目的測試要求。

諧波測試時，將電壓探頭分別接于690 V母線和440 V母線上，并保持工況相同。測試現場儀器布置和接線如圖5所示。

圖5 測試現場接線和儀器布置圖

4.2 實船測試工況及結果

根據負荷計算書及諧波仿真結果，對船舶經濟航行、全速航行、外部消防和定位4種工況進行諧波測試，并將各測試工況的諧波結果列入表2中。從表2可看出，本次諧波測試結果中，各測試項目的母線電壓THD 均小于5%，既能滿足項目技術規格書要求，也能滿足CCS規范和IEEE 519標準關于諧波的要求。

表2 諧波測試結果

續表2：

5 結論

本文在介紹了船舶電力推進系統的組成后，闡述了諧波的產生原因和常見的抑制方法，并以一艘典型的電力推進船舶為實例，制定了適合本船的諧波抑制方案，進而用ETAP軟件完成了諧波仿真計算。其結果滿足CCS規范和行業標準要求，實船諧波測試結果與仿真結果接近，滿足船舶的工程要求。因此，本文對今后電力推進船舶的諧波處理具有一定的參考意義。