船舶電力系統(tǒng)諧波的危害與治理

葉 萍

（福建交通職業(yè)技術學院，福州350007）

1 船舶電力系統(tǒng)諧波生成的機理

由于現(xiàn)代船舶大量采用非線性負載，特別是大功率變流設備的廣泛使用，使船舶電力系統(tǒng)產(chǎn)生大量的諧波。船舶電力諧波從內在機理來看，產(chǎn)生的原因有三類：一是含有鐵磁飽和器件所產(chǎn)生的諧波，鐵心的飽和程度越高，諧波電流就越大；二是工作在開關狀態(tài)的電力電子器件所產(chǎn)生的諧波；三是電弧及氣體光源所產(chǎn)生的諧波。下面從船舶電力系統(tǒng)的幾個主要環(huán)節(jié)加以分析。

(l)發(fā)電機

發(fā)電機是船舶電器的電源。在計算和分析發(fā)電機產(chǎn)生的諧波時，為了方便總是假設電壓波形為正弦波，而在實際交流發(fā)電機中其內部的定子和轉子間的氣隙受到鐵心齒、槽或工藝的影響分布不均勻，磁極磁場并不是完全按正弦規(guī)律分布，因此感應電動勢不是理想的正弦波，導致輸出電壓中含有一定的諧波。

(2)電力變壓器

變壓器的諧波電流是由其勵磁回路的非線性引起的。鐵心的磁化曲線決定了勵磁電流和磁通的關系。由于鐵心材料具有非線性的磁化曲線和磁化回線，所以導致產(chǎn)生正弦磁通的勵磁電流是非線性的。變壓器產(chǎn)生的諧波是含有全部的奇次諧波并以3次諧波為主[6]。變壓器勵磁電流的諧波含量與鐵心飽和程度有關，也就是說和所加電壓有關。在正常的情況下，諧波電流是不會太大的，但輕載時或變壓器投入運行過程時以及非正常狀態(tài)運行時，諧波電流都會明顯增大。

(3)用電負載

船上的用電負載種類繁多，由上述三種原理產(chǎn)生的諧波均有，但主要還是由變流裝置與帶鐵芯的電磁裝置產(chǎn)生諧波。交-交變頻器是現(xiàn)代船舶最常用的電力推進電動機驅動控制裝，其功率大，諧波污染嚴重。在一般情況下，變頻器只產(chǎn)生特征諧波，但由于交流阻抗不對稱、交流電壓畸變和脈沖不對稱等原因，變頻器還可能產(chǎn)生特征諧波以外的其他次諧波[1]。

2 船舶電力系統(tǒng)諧波的危害

2.1 對船舶電網(wǎng)的危害

船舶電網(wǎng)由于線路短、負荷密度大，因此諧波電流會在線路阻抗上形成諧波電壓降落，產(chǎn)生有功功率和無功功率損耗，但數(shù)值不大。而嚴重的是高次諧波可能在船舶電力系統(tǒng)中發(fā)生電壓諧振， 引起線路過電壓[5]。船舶電網(wǎng)基本上是采用電纜輸電的，諧波除了引起附加損耗外，還可能使電壓波形出現(xiàn)尖峰，從而加速電纜絕緣的老化，引起浸漬絕緣的局部放電，也使介質損耗增加、溫升增高，縮短電纜的使用壽命。

2.2 對船舶電氣的危害

（1）變壓器

諧波電流通常增加了變壓器的銅損耗和鐵損耗。當直流電流或低頻電流流入變壓器時就會使鐵心嚴重飽和諧波電流大大增加，造成船舶電力系統(tǒng)電能的損失。諧波頻率越高，集膚效應越嚴重，鐵損耗就越大。諧波電流還會引起變壓器外殼、外層硅鋼片和某些緊固件的發(fā)熱以及引起變壓器繞組、線間電容之間的共振使鐵心磁通飽和或歪斜，產(chǎn)生噪聲[4]。

(2)電機

諧波對電機的影響主要是引起附加損耗和過熱，其次是產(chǎn)生機械振動、噪聲和諧波過電壓。這些將縮短電機的壽命，甚至會損壞電機。

(3)電力電容器

諧波對電容器呈現(xiàn)出低阻抗，電容器為諧波提供了通道，諧波電流與基波疊加使通過電容器的總電流增加。持續(xù)的過流使電容器溫升增加、壽命縮短，嚴重時使電容器損壞，甚至爆炸。電容器容性阻抗和系統(tǒng)感性阻抗還可能在某次諧波頻率附近發(fā)生諧振。

(4)變流裝置

船舶上的變流裝置一方面是主要的諧波源，另一方面，由于諧波引起的電流變化率、電壓變化率過高或產(chǎn)生過熱效應，引起晶閘管故障，給換流裝置帶來影響。

(5)繼電器。

船上主要的電器設備都采用繼電器一接觸器控制。當電網(wǎng)電壓、電流存在高次諧波時，控制信號和幅值將會發(fā)生變化，從而控制裝置發(fā)生誤動作；流過電網(wǎng)中斷路器的電流里含有較大的諧波時，斷路器的開斷能力降低。有的斷路器的磁線圈在諧波電流嚴重的情況下將不能正常工作，從而使斷路器無法開斷以至損壞。

（6）對船用測量儀表的影響

電力測量儀表通常是按工頻正弦波形設計的，當有諧波時，將會產(chǎn)生測量誤差。儀表的原理和結構不同，所產(chǎn)生的誤差也不同。諧波對船用兆歐表、功率因數(shù)表和頻率表等也都有不同程度的影響，但這些儀表一般裝置在總配電屏上，諧波分量較小，所受到的影響也較小。

2.3 船舶通信、導航設備

船舶電力系統(tǒng)產(chǎn)生的高次諧波形成了對通訊設備和線路的干擾信號，影響通訊網(wǎng)絡的電磁效應和正常的通訊載波工作。如對電話線路而言，音頻通道的工作頻率約為200—3500 Hz，而供電線路的許多諧波也在這個范圍內。諧波干擾會引起通信系統(tǒng)的噪聲，降低通話清晰度。干擾嚴重時會引起信號丟失[3]。

船舶的導航設備和采用微電腦及其他電子元件控制的艦船自動控制系統(tǒng)包含了大量數(shù)字電路部件。數(shù)字電路所用邏輯元件都有各自的電平和與之相對應的干擾信號容限，如果諧波的干擾超過其容限，就可能破壞觸發(fā)器和存儲器保存的信息，即使在排除干擾后，它仍會在系統(tǒng)內部的存儲器件里留下痕跡，系統(tǒng)也不會再恢復到原來的工作狀態(tài)。即使含有微處理器的系統(tǒng)里的程序沒遭到破壞，若地址總線受到干擾，也會有程序丟失的危險，使系統(tǒng)進入預想不到的狀態(tài)，甚至陷入意外停機狀態(tài)。

3 船舶電力系統(tǒng)諧波的計算

船舶電力系統(tǒng)的諧波計算包括基波潮流計算和諧波潮流計算，其原理是將推進變頻器吸收的基波功率轉化為諧波功率，變?yōu)樽⑷腚娏ο到y(tǒng)的諧波電流源，產(chǎn)生的諧波電流在電網(wǎng)里重新分配。圖1、圖2分別為綜合電力推進系統(tǒng)的基波計算和諧波計算的電路圖。在求解基波潮流和求解諧波潮流的過程中，變頻設備分別被表示為一個線性負荷和諧波電流源，其余設備等效為線性元件。全部的求解過程和結果均可采用線性迭加從而大大簡化了計算.計算流程如圖3所示。

圖1 系統(tǒng)基波計算電路圖

圖2 系統(tǒng)諧波計算電路圖

4 船舶電力系統(tǒng)諧波的治理措施

目前消除或抑制船舶電網(wǎng)諧波的主要途徑有兩條：一種是主動型諧波抑制方案，即對電力電子裝置本身進行改進，使諧波源不產(chǎn)生或降低產(chǎn)生諧波。抑制方案包括增加整流器的相數(shù)、使用脈寬調制法等。另一種是被動型諧波抑制方案，即諧波負載本身不加改變，而是在電力系統(tǒng)或諧波負載的交流側加裝無源濾波器或有源電力濾波器，通過外加設備對電網(wǎng)實施諧波補償。

4.1 主動型諧波抑制技術

（1）多重化技術

大容量變流器減少諧波的主要方法是采用多重化技術，即將多個方波疊加，以消除次數(shù)較低的諧波，從而得到接近正弦波的梯形波。如多重化整流，是幾個移相了的6脈波整流關系，移相角=180°／N，N為脈波數(shù)。重數(shù)越多，波形越接近正弦波，電路結構也越復雜。這種方法一般只用于大容量場合。

（2）利用脈寬調制(PWM)技術

采用PWM技術的基本原理是在所需的頻率周期內，將直流電壓調制成等幅不等寬的系列交流輸出電壓脈沖，來達到抑制諧波的目的。PWM技術使得諧波頻譜向高頻移動，降低了諧波含量，可使得變流器的輸入為正弦波，從而提高了功率因素。但是，在運用PWM技術的電力電子設備中，很高的開關頻率不僅會使PWM載波信號產(chǎn)生高次諧波，還會導致高電平的傳導和輻射干擾，且成本高，不適合大功率設備的應用[2]。

圖3 諧波頻域計算流程圖

（3）高功率因數(shù)變流器

設計或采用高功率因數(shù)變流器。比如采用矩陣式變頻器，四象限變流器等，可以使變流器產(chǎn)生的諧波非常少。但由于諧波源的多樣性以及受實際電力電子器件的使用限制，要完全消除諧波是不可能的。

4.2 被動型諧波抑制技術

被動型諧波抑制技術可以分為：無源濾波器方案、有源濾波器方案以及混合濾波器方案三大類。

（1）無源濾波器方案

LC無源濾波器是目前電力系統(tǒng)諧波抑制普遍采用的補償方法，通常是采用電力電容器、電抗器和電阻器按功能要求組合而成，其基本的工作原理是利用 LC諧振回路的特點抑制向電網(wǎng)注入的諧波電流，當諧振回路的諧振頻率和某一高次諧波電流頻率相同時，則可將該次諧波電流濾除，使其不會進入電網(wǎng)，多個不同諧振頻率的諧振回路可濾除多個高次諧波電流。裝設諧波補償裝置的一般方法就是采用單調諧濾波器。這種方法既可補償諧波，又可補償無功功率，而且結構相對簡單，一直被廣泛使用

（2）有源濾波器方案

有源濾波器是近幾年迅速發(fā)展起來的一種抑制諧波的方案，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。有源濾波器能對幅值和頻率都變化的諧波以及變化的無功進行抑制補償，其一般原理是：實時檢測負載電流或電壓中的諧波分量，產(chǎn)生一個與其幅值相同、相位相反的諧波電流或電壓，并將其注入系統(tǒng)中使線路中的諧波相互抵消，達到濾波的目的。與無源濾波器相比，有源濾波器具有以下一些優(yōu)點：

①濾波性能不受系統(tǒng)阻抗的影響。

②不會與系統(tǒng)阻抗發(fā)生串聯(lián)或并聯(lián)諧振，系統(tǒng)結構的變化不會影響治理效果。

③原理上比無源濾波器更為優(yōu)越，用一臺裝置就能完成各次諧波的治理。

④實現(xiàn)了動態(tài)治理，能夠迅速響應諧波的頻率和大小發(fā)生的變化。

⑤由于裝置本身能完成輸出限制，因此即使諧波含量增大也不會過載。

⑥具備多種補償功能，可以對無功功率和負序進行補償。

⑦諧波補償特性不受電網(wǎng)頻率變化的影響。

有源電力濾波器的總體構成如圖4所示。圖中的補償分量檢測及PWM控制回路為對負載電流進行檢測，分離出諧波電流部分，用以控制主電路輸出相應的補償電流。對主電路輸出電流更好地跟蹤由于負載電流變化而引起的諧波電流大小的變化。

由圖4可知并聯(lián)型有源電力濾波器相當于并聯(lián)在電網(wǎng)上的受控電流源，它實時檢測負載中的諧波電流，并產(chǎn)生與之大小相等而方向相反的諧波電流，使流入電網(wǎng)的諧波電流基本為零。與無源濾波器相比，有源濾波器具有濾波特性不受系統(tǒng)阻抗影響，可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險，具有高度可控性和快速響應性，不僅能補償各次諧波，還可有效抑制閃變、補償無功功率。另外，APF具有自適應功能，可以自動跟蹤補償變化著的諧波。但是有源濾波器的運行成本較高，運行損耗大，控制系統(tǒng)復雜，運行效率低，容量受到限制，這是限制有源濾波器APF推廣的關鍵地方[7]。

圖4 有源電力濾波器總體構成框圖

5 結束語

目前，船舶正朝著大型、節(jié)能、高效和環(huán)保的方向發(fā)展，因此對了解船舶電網(wǎng)諧波的危害、計算方法以及采取有效的措施治理諧波有著重要的意義。隨著諧波抑制技術的發(fā)展，對諧波抑制技術的研究提出了新的期望與挑戰(zhàn)。

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