船舶電網(wǎng)諧波分析

吳祖橋，宋才生，彭善輝，張 華

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船舶電網(wǎng)諧波分析

吳祖橋，宋才生，彭善輝，張 華

(舟山萬(wàn)達(dá)船舶設(shè)計(jì)有限公司，浙江舟山316000)

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

船舶電網(wǎng) 諧波 諧波抑制

0 引言

近些年來(lái)，隨著電子設(shè)備和裝置在船舶系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，尤其是在電力推進(jìn)船舶逐漸替代傳統(tǒng)柴油機(jī)推進(jìn)船舶的趨勢(shì)下，電力電子裝置和設(shè)備數(shù)量越來(lái)越多、容量越來(lái)越大，使得船舶電網(wǎng)中諧波污染問(wèn)題變得尤為突出并且難以防范。對(duì)于船舶來(lái)說(shuō)，電力系統(tǒng)極其重要的組成部分，因此船舶電網(wǎng)諧波對(duì)船舶安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著重大影響[1]。

1 諧波的產(chǎn)生

船舶電網(wǎng)中諧波的產(chǎn)生主要來(lái)源于三個(gè)方面[2]：

1）發(fā)電機(jī)電源質(zhì)量問(wèn)題導(dǎo)致產(chǎn)生諧波。由于發(fā)電機(jī)繞組和鐵心的生產(chǎn)工藝很難做到對(duì)稱(chēng)和均勻，所以發(fā)電機(jī)電源將產(chǎn)生部分諧波。

2）電網(wǎng)中電力變壓器產(chǎn)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(shí)考慮其工作磁密在磁化曲線的飽和區(qū)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(wǎng)中用電設(shè)備產(chǎn)生諧波。隨著非線性電氣設(shè)備在船舶電網(wǎng)中廣泛應(yīng)用，非線性設(shè)備使得電網(wǎng)中電流為非正弦波形，導(dǎo)致電網(wǎng)中產(chǎn)生諧波，電網(wǎng)電壓處于嚴(yán)重失真狀態(tài)。

2 諧波的危害

2.1對(duì)船舶電網(wǎng)的危害

在船舶電網(wǎng)中，線路上流動(dòng)的諧波電流會(huì)造成有功功率損耗。特別是當(dāng)諧波頻率高時(shí)，線路上集膚效應(yīng)會(huì)使得諧波損耗比基波損耗大的多，所以電網(wǎng)諧波會(huì)導(dǎo)致輸電線路附加損耗增大[3]。

對(duì)于基本由電纜構(gòu)成的船舶電力系統(tǒng)，諧波不僅會(huì)增大線路附加損耗，而且還會(huì)引起電壓諧振，從而在線路上產(chǎn)生過(guò)電壓。這將導(dǎo)致電纜老化加快，產(chǎn)生的溫升和介質(zhì)損耗增加，甚至?xí)植糠烹姡瑖?yán)重影響線路電纜壽命。一般而言，諧波對(duì)電纜的危害是隨著電纜額定電壓的升高而增大。

2.2對(duì)船舶主要負(fù)載的影響

1）電機(jī)

電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，諧波不僅會(huì)產(chǎn)生附加損耗、增加多余熱量，而且會(huì)引起諧波過(guò)電壓、超出正常值的噪聲以及機(jī)械振動(dòng)，這些都會(huì)對(duì)電機(jī)的壽命產(chǎn)生影響，最嚴(yán)重時(shí)可能影響電機(jī)正常運(yùn)行。

2）變壓器

諧波對(duì)變壓器的影響主要是會(huì)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(yīng)越嚴(yán)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(fā)熱。

3）電力電容器

電力電容器在船舶電站中常被用來(lái)補(bǔ)償感性負(fù)載。而高次諧波對(duì)于電容器表現(xiàn)出低阻抗性，導(dǎo)致流過(guò)電容器的電流增加，長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)流將導(dǎo)致電容器使用壽命減少，甚至?xí)霈F(xiàn)電容器爆炸的危險(xiǎn)。此外，由于諧波頻率，系統(tǒng)的感性阻抗與電容器的容性阻抗存在發(fā)生諧振的可能。

4）變流裝置

船舶電網(wǎng)中變流裝置不僅作為諧波源會(huì)產(chǎn)生諧波注入電網(wǎng)，而且外部產(chǎn)生的諧波源又會(huì)影響變流裝置的正常運(yùn)行。當(dāng)諧波引起電壓和電流變化率升高，引起系統(tǒng)指示儀表產(chǎn)生誤差，甚至導(dǎo)致晶閘管故障時(shí)，都會(huì)影響給變流裝置正常工作。

5）控制和保護(hù)裝置

船舶電網(wǎng)中諧波對(duì)晶體管型繼電器影響很大，對(duì)保護(hù)繼電器的性能產(chǎn)生影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起控制和保護(hù)裝置的誤動(dòng)作。

6）船舶電子通信設(shè)備

船舶諧波對(duì)船舶電子通信設(shè)備有很大影響，特別是高次諧波對(duì)信號(hào)線路和通訊設(shè)備有很強(qiáng)的干擾作用，通訊網(wǎng)絡(luò)中的電磁效應(yīng)會(huì)發(fā)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(wǎng)諧波會(huì)影響電能波形質(zhì)量，更嚴(yán)重危害電力系統(tǒng)各用電負(fù)荷運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。因此，為確保船舶電網(wǎng)中電能質(zhì)量的穩(wěn)定性，必須對(duì)船舶電網(wǎng)諧波進(jìn)行治理。目前，諧波治理措施主要分為兩類(lèi)，即主動(dòng)型和被動(dòng)型[4]。

3.1主動(dòng)型諧波抑制

主動(dòng)型諧波抑制是指對(duì)電網(wǎng)中的設(shè)備自身進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，對(duì)設(shè)備產(chǎn)生的諧波進(jìn)行抑制，從而達(dá)到減少諧波的目的。常用的主動(dòng)型諧波抑制方法有多脈整流、合理配置諧波源以及脈寬調(diào)制技術(shù)。

1）多脈整流

目前最常見(jiàn)整流相數(shù)為6脈，當(dāng)整流相數(shù)增加，由6脈增加為12脈時(shí)，對(duì)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(jìn)系統(tǒng)一般采用12脈或者24脈變頻器進(jìn)行諧波抑制，從而降低電網(wǎng)側(cè)諧波電流。根據(jù)理論分析，隨著整流脈數(shù)增多，諧波抑制效果就越好。

2）脈寬調(diào)制技術(shù)

脈寬調(diào)制技術(shù)是指將指令電流信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)和高頻率載波信號(hào)相比較，電子開(kāi)關(guān)器件動(dòng)作是通過(guò)PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)的，其產(chǎn)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(duì)其他用電設(shè)備的影響。但需要注意，脈寬調(diào)制技術(shù)的應(yīng)用要求變流器由可控通斷器件組成。

3.2被動(dòng)型諧波抑制

被動(dòng)型諧波抑制指在設(shè)備或系統(tǒng)外部增加諧波抑制裝置，對(duì)船舶電網(wǎng)諧波進(jìn)行抑制，從而達(dá)到減少諧波的目的。常用的被動(dòng)型諧波抑制有無(wú)源濾波器、有源濾波器以及混合型有源電力濾波器。

1）無(wú)源濾波器

顧名思義，無(wú)源濾波器是由無(wú)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(jìn)行濾波。一般治理電網(wǎng)諧波時(shí)，將無(wú)源濾波器安裝于諧波含量高的電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)或者靠近諧波源，利用無(wú)源器件的諧振特性對(duì)調(diào)諧頻率處諧波進(jìn)行消除。但是，無(wú)源濾波器只能針對(duì)特定次數(shù)諧波進(jìn)行濾出，濾波效果并不理想。無(wú)源濾波器的優(yōu)點(diǎn)是能進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，價(jià)格實(shí)惠，維護(hù)也相對(duì)簡(jiǎn)單。

2）有源電力濾波器

有源電力濾波器具有比較復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，實(shí)際上是一個(gè)電子式諧波發(fā)生器，它是通過(guò)產(chǎn)生一個(gè)與電網(wǎng)諧波幅值相同、方向相反的諧波來(lái)消除電網(wǎng)諧波。有源電力濾波器克服了無(wú)源濾波器只能固定補(bǔ)償?shù)娜秉c(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償，可以既補(bǔ)諧波又補(bǔ)無(wú)功。有源濾波器與無(wú)源濾波器相比，諧波治理效果好，可以同時(shí)濾出多次和高次諧波，不會(huì)引起諧振，但價(jià)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(gè)周期有6個(gè)紋波的直流波形，每個(gè)紋波的相角為60°。將兩套三相整流橋交流輸入側(cè)的電壓相角相差30°，整流橋直流輸出側(cè)進(jìn)行串聯(lián)或者并聯(lián)，則在直流側(cè)形成12脈波的直流電壓波形，通常我們稱(chēng)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(shù)后，可以減小整流電壓的脈動(dòng)，12脈波的整流電壓脈動(dòng)波寬度為30°，整流脈沖數(shù)越多，其整流輸出的脈動(dòng)頻率越高，脈動(dòng)周期越短，脈動(dòng)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(dòng)幅度：

W=P(1-sin60)=0.134P

12脈波變頻器脈動(dòng)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(shè)計(jì)成為一組一次繞組接成Y聯(lián)結(jié)，兩組二次繞組采用三角形聯(lián)結(jié)，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(jì)算可得：

兩式相加可得：

a=a1+I2=

由此可知，將變壓器設(shè)計(jì)成為一組一次繞組接成Y聯(lián)結(jié)，兩組二次繞組采用三角形聯(lián)結(jié)12脈波電路時(shí)，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(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)電力推進(jìn)船舶電網(wǎng)諧波進(jìn)行了研究，分析了諧波產(chǎn)生的原因，討論了諧波對(duì)船舶電網(wǎng)自身和重要負(fù)載的危害，分析總結(jié)了目前治理船舶電網(wǎng)諧波的措施和方法，對(duì)電力推進(jìn)船舶電網(wǎng)的安全運(yùn)行具有理論意義和實(shí)際參考價(jià)值。

[1] 肖湘寧. 電能質(zhì)量分析與控制. 北京: 中國(guó)電力出版社, 2004.

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

[3] 李先林. 電力推進(jìn)船舶電網(wǎng)諧波分析. 大連海事大學(xué)碩士學(xué)位論文, 2004.

[4] 王兆安, 楊君, 劉進(jìn)軍. 諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償. 北京: 機(jī)械工業(yè)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(jī)工程。