電力推進船舶電網的諧波抑制

杜智慧

（中船黃埔文沖船舶有限公司，廣州510715 ）

1 前言

艦船綜合電力推進系統(tǒng)是指由共同的發(fā)電機組產生大功率的電力，同時滿足艦船所有負荷—推進系統(tǒng)、日用負載、傳感器系統(tǒng)以及艦載武器等。它將船舶發(fā)電與推進用電、艦載設備用電集成在統(tǒng)一的系統(tǒng)內，從而實現(xiàn)發(fā)電、配電與電力推進用電及其他設備用電統(tǒng)一調度和集中控制。這種全新的推進系統(tǒng)與傳統(tǒng)的機械推進方式相比，具有噪音低、調速性能好、效率高、可靠性好、重量體積小、布置靈活等優(yōu)點。

目前綜合電力推進系統(tǒng)普遍采用大功率的變頻器等非線性負載，在變頻器工作時會產生諧波失真（THD）并分布到電網中，形成嚴重的諧波污染。諧波失真是相對于正弦電壓或正弦電流波形的偏差，CCS和DNV規(guī)范及GJB等對諧波都有明確的指標要求。

根據(jù)CCS《鋼質海船入級規(guī)范》（2012），電壓波形的總諧波失真（THD）為所含諧波的均方分根值與基波的均方根值之比（以百分比數(shù)表示），可用下式計算：

式中：VTHD——總的諧波電壓失真；

Vh——h階諧波電壓的均方根值；

V1——基波電壓的均方根植；

CCS《鋼質海船入級規(guī)范》（2012）規(guī)定供電電源的電壓諧波（THD）成分不大于5%；DNV規(guī)范規(guī)定，配電系統(tǒng)中的電壓諧波（THD）成分不大于5%；《艦船通用規(guī)范3組電力系統(tǒng)》中將交流電力品質特性參數(shù)規(guī)定為：對于船舶電力系統(tǒng)，正弦波形畸變率在5%之內，最大的單次諧波含量為3%。

2 諧波的危害

電力推進系統(tǒng)中的諧波會污染連接到同一個電網上的電容器、電抗器、變壓器、電纜、電機，從而產生各類故障。諧波對船舶電力系統(tǒng)和其他用電設備危害，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）引起諧振和諧波電流放大

對諧波頻率而言，系統(tǒng)的感抗會大大增加而容抗大大減少，可能產生并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振。這些諧振會使諧波電流放大幾倍、十幾倍甚至幾十倍，對系統(tǒng)特別是對電容和與之串聯(lián)的電抗器形成很大的的威脅，常使電容器和電抗器燒毀。

（2）對電機的影響

諧波會引起電機附加損耗，使之發(fā)熱達不到額定功率，損耗隨著諧波成分增加而增加。同時，諧波會使電機產生機械振動，使其局部過熱、絕緣老化，縮短使用壽命甚至損壞。

（3）對配電系統(tǒng)的影響

諧波電流一方面在供配電線路上產生諧波電壓降；另一方面，增加了線路上電流有效值從而引起附加輸電損耗。配電電纜的電場強度隨著諧波電壓的最大值升高而增強，這就影響了電纜的使用壽命。據(jù)有關資料介紹，諧波的影響將使電纜的使用壽命平均下降約60%。高次諧波可能在船舶電力系統(tǒng)中發(fā)生電壓諧振，在線路上引起過電壓，可能擊穿電纜、導線及設備的絕緣，引起重大事故。

（4）對計算機、通信系統(tǒng)的干擾

諧波一般通過電容耦合、電磁感應及電氣傳導三種方式影響計算機、通信系統(tǒng)，載頻低的信號受影響更大。諧波會對測量、保護、控制、操作等系統(tǒng)中的儀表、儀器和設備造成影響。諧波對計算機的干擾，主要是影響磁性元件和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的精度和性能，從而影響計算機處理數(shù)據(jù)的質量。諧波還使電纜在電流傳輸過程中產生電磁干擾，干擾船上的敏感電子器件。

（5）對繼電器和控制電路的影響

諧波會改變保護繼電器的性能，引起誤動作或拒絕動作。

3 諧波的抑制

諧波抑制的目的是采取一定的辦法將諧波減小至標準、規(guī)范允許的范圍之內，以保證船舶電網及用電設備的安全經濟運行。

3.1 變頻器的選用與諧波的抑制

推進電動機的變頻器是大型船舶電力系統(tǒng)諧波的主要來源，變頻器的配置直接影響到電網的諧波指標。在設計時要根據(jù)船舶的電站容量和推進、配電等設備配置情況，計算各種工況下該船的THD諧波分析或進行仿真，選用合適的變頻技術方案，如：PMW（脈寬調頻）、PAM（脈沖幅度調頻）方式，或選擇6脈沖、12脈沖、虛擬24脈沖或純24脈沖等。

變頻器有電壓型交-直-交變頻器和電流型交-直-交變頻器，通用型變頻器大都為電壓型交-直-交變頻器。6脈沖變頻器是最基本的類型，應用非常廣泛。目前發(fā)展出12脈沖變頻裝置、虛擬24脈沖、純24脈沖變頻裝置等。與6脈沖變頻裝置相比，12脈沖變頻裝置具有系統(tǒng)響應快、諧波量少、損耗降低、轉矩脈動低等優(yōu)點。如今在很多大容量、高壓的場合，6脈沖變頻器已無法達到要求。

目前多采用12脈沖變頻器,整流脈沖數(shù)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,也就越接近交流電壓的峰值。

6脈沖變頻器的波形如圖1示意；12脈沖變頻器的波形如圖2示意。

圖1 6脈波晶閘管整流電路輸入波形

圖2 12脈波晶閘管整流電路輸入波形

這種整流電路的優(yōu)點是把整流電路的脈波數(shù)由6提高到12，從而大大改善了輸入電流波形（見圖2），降低輸入諧波電流，總諧波電流失真約10%左右。雖然12脈波整流電路的諧波電流大大下降，但還不能達到規(guī)范規(guī)定的總諧波失真小于5%的要求，虛擬24脈沖和24脈沖變頻器的總諧波失真（THD）才能滿足要求。24脈沖變頻器一般是由兩個并聯(lián)的12脈沖變頻器組成，由于要多一倍的整流逆變單元及移相變壓器，故總的設備重量和體積顯著增加，價格也較貴。

目前比較經濟的技術手段是采用虛擬24脈沖方案，圖3為虛擬24脈沖的典型原理圖。圖中將虛擬24脈沖分為A部分（T1、C1、M1）和B（T2、C2、M2）部分，每部分單獨來看都是12脈沖系統(tǒng)，當他們同時工作時即母聯(lián)開關閉合時，可組成虛擬24脈沖系統(tǒng)，減少主供電回路的諧波量，可保證電網的總電壓諧波含量不大于5%，最大單次電壓諧波不大于3%。

圖3 虛擬24脈沖典型原理圖

3.2 有源濾波器的應用

傳統(tǒng)的濾波手段是設置無功補償電容器和LC濾波器，這兩種方法結構簡單，既可以抑制諧波，又可以補償無功功率，一直被廣泛應用。但這種方法的主要缺點是補償特性受電網阻抗和運行狀態(tài)影響，易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振。此外，這種補償方法損耗大，且只能補償固定頻率的諧波，難以對變化的無功功率和諧波進行有效的動態(tài)補償。

近年來發(fā)展迅速的一種抑制諧波方案是采用有源濾波器（APF），它是一種用于動態(tài)抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置。其基本原理是以并聯(lián)的方式接入電網，通過實時檢測負載的諧波和無功分量，采用PWM變流技術，從變流器中產生一個和當前諧波分量和無功分量對應的反向分量并實時注入電力系統(tǒng)，從而實現(xiàn)諧波治理和無功補償，見圖4。這種濾波器能對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償，且補償特性不受電網阻抗的影響，實現(xiàn)了動態(tài)跟蹤補償。

圖4 有源電力濾波裝置的工作原理圖

有源濾波器（APF）最大的優(yōu)點是：大幅度較少諧波，幾乎無諧波污染，可以將能量反饋到電網，達到節(jié)能的目的。在對電網質量要求非常高的場合，APF具有很高效的使用價值。在具有較大轉動慣量的變頻調速系統(tǒng)中，既能提高系統(tǒng)的制動性能，又能達到節(jié)能的目的。

4 變頻電纜的選用及敷設

由于船舶電網存在諧波的原因，連接電力推進電機和推進變頻器、推進變壓器的電纜，在電流傳輸過程中會產生電磁干擾，這對船上的電子通信系統(tǒng)會嚴重干擾，同時外界電磁波也可能對其進行干擾。為了抑制電磁干擾，減少整個船舶電網中的電磁輻射，同時提高電纜自身的抗干擾能力，故需采用專用的變頻電力電纜。

變頻電力電纜屏蔽由分相屏蔽和總屏蔽構成：分相屏蔽一般采用銅帶、銅絲編織、銅絲銅帶組合或鋁塑復合帶縱包；總屏蔽可采用銅絲銅帶組合屏蔽、銅絲編織屏蔽、銅帶屏蔽、銅絲編織銅帶屏蔽等?？偲帘?鋁塑復合帶屏蔽能提供100%覆蓋，此結構的屏蔽電纜可抗電磁感應、接地不良和電源線傳導干擾，減小電感，防止感應電動勢過大。屏蔽層既起到抑制電磁波對外發(fā)射的作用，又可作為短路電流的通道，能起到中性線芯的保護作用。

變頻電力電纜均需采用對稱電纜結構，對稱電纜結構有3芯和3+3芯兩種。對稱電纜結構有更好的電磁兼容性，對抑制電磁干擾起到一定的作用，能抵消高次諧彼中的奇次頻率，提高了抗干擾性，減少了整個系統(tǒng)中的電磁輻射。

變頻電力電纜為了防止脈沖電壓對絕緣的影響，一般選用交聯(lián)絕緣，選擇實心絕緣而不是選擇繞包絕緣，對于電纜護套材料無特殊要求。

5 施工工藝的注意事項

（1）采取合理的電纜敷設工藝

船上的各類電纜分類分束敷設，相互間距離一般在50 mm以上。其中變頻電力電纜要單獨敷設，距離其他類電纜應≥200 mm。

（2）電纜連接及接地

在變頻電力電纜兩端點做好內、外屏蔽的接地處理，電纜屏蔽層要可靠接到PE點上，接地盡可能采用單獨的接地線。

為防止諧波電磁干擾對自動化系統(tǒng)及電子通信系統(tǒng)的影響，可對船上的電纜采取以下接地工藝：①對于單芯電纜，只在電源端接地；②對于RS485/RS422等串口通信信號，可采用雙屏蔽電纜，對絞線內屏蔽在電源端接地；③對于模擬量或脈沖信號，可采用雙屏蔽電纜，對絞線內屏蔽在電源端接地；④其他電纜兩端接地。

（3）EMC電磁兼容工藝處理

為了保護船上敏感的電子設備免受電磁干擾危害，可采取對電子設備外殼地、數(shù)字地多點接地的措施，以確保設備的屏蔽效能。對船上電子、通信導航設備比較集中的艙室確定電磁屏蔽房間，如變頻器間、報務室、雷達室、計算機室等，要求所有金屬艙壁、地板、頂板和門窗形成一個連續(xù)的導電面，其面上任何兩點的直流電阻不大于10mΩ。電纜穿過電磁屏蔽室要采用屏蔽接地工藝。

（4）變頻器的布置

變頻器在船上的布置一是要考慮對變頻器的保護，選擇安裝在恒溫艙室，振動小、散熱、通風佳；二是要考慮設置單獨的推進變頻器間，變頻器間需遠離敏感電子設備集中區(qū)域，同時為了減少變頻電纜拉敷距離，選擇距推進電機盡量近的區(qū)域。

6 結語

對于諧波抑制，優(yōu)先選用虛擬24脈沖方案或24脈沖方案，可以主動抑制諧波，從根本上減少諧波；當諧波超出規(guī)范要求時，可選用有源濾波器，但要考慮經濟承受能力；選用變頻電力電纜及采用合理的電纜敷設工藝及接地工藝，可以減少諧波對電網及船上的電器、電子設備及計算機控制系統(tǒng)的損害；通過采用合理的設備選型及設計，并采用科學的施工工藝，能有效的控制船舶電網中的諧波。

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