艦船綜合電力系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生、危害及其治理

黃 偉 陳 誠(chéng) 周家琛 趙志軍

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011）

0 引 言

2013年，隨著美國(guó)海軍大型驅(qū)逐艦（DDG1000）的正式下水，拉開了將第1代艦船綜合電力系統(tǒng)（integrated power system, IPS）應(yīng)用于軍用戰(zhàn)斗艦艇的序幕，各國(guó)艦船也都朝著應(yīng)用艦船綜合電力系統(tǒng)的方向發(fā)展。艦船綜合電力系統(tǒng)將傳統(tǒng)的推進(jìn)系統(tǒng)和電力系統(tǒng)合二為一，二者以電能的形式統(tǒng)一起來(lái)，這就意味著大型水面艦船電力系統(tǒng)的容量將大幅度增加，達(dá)到百兆瓦級(jí)以上，是傳統(tǒng)艦船電力系統(tǒng)容量的數(shù)十倍甚至上百倍。以美國(guó)大型驅(qū)逐艦（DDG1000）為例，其電站總?cè)萘恳堰_(dá)到78 MW。艦船綜合電力系統(tǒng)容量井噴式增長(zhǎng)，其一大優(yōu)點(diǎn)就是可以在極短時(shí)間內(nèi)提供相當(dāng)大容量的電能，以滿足高能武器發(fā)射時(shí)所需要的能量，這是傳統(tǒng)小容量的艦船電力系統(tǒng)所無(wú)法比擬的；但與此同時(shí)，艦船綜合電力系統(tǒng)也將面臨諸多困難與挑戰(zhàn)，諧波問題就是其中之一。

由于電力電子裝置如逆變器、整流器和脈沖寬度調(diào)制變頻器等非線性設(shè)備大量應(yīng)用于電力推進(jìn)設(shè)備、大功率電動(dòng)機(jī)以及大功率特種裝備，會(huì)引起負(fù)載電流的畸變，大量非線性設(shè)備的負(fù)載畸變電流將會(huì)累積，總的畸變電流將會(huì)引起發(fā)電機(jī)組內(nèi)部阻抗上電勢(shì)的畸變，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組輸出電壓的畸變，對(duì)艦船綜合電力系統(tǒng)造成“污染”。這可能影響繼電保護(hù)電氣和儀器儀表正常工作，增加電力元件損耗，尤其是當(dāng)前艦船綜合電力系統(tǒng)運(yùn)行的自動(dòng)化、智能化程度越來(lái)越高，諧波的存在會(huì)嚴(yán)重威脅艦船綜合電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。因此，有必要仔細(xì)分析艦船綜合電力系統(tǒng)諧波產(chǎn)生的原因，研究其有害影響，總結(jié)現(xiàn)階段常用的諧波抑制方法，找準(zhǔn)艦船綜合電力系統(tǒng)諧波治理的方向。

1 諧波的產(chǎn)生

理想電能質(zhì)量的交流電力系統(tǒng)應(yīng)具有恒定的工頻頻率、正弦形的電壓和電流，而電力系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中，電壓和電流的波形會(huì)因某些原因偏離正弦波形，即發(fā)生了波形畸變；對(duì)畸變的波形進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)分解后，可以得到一系列頻率為基波頻率整數(shù)倍的正弦波分量，即為諧波。IEEE標(biāo)準(zhǔn)定義“諧波為一周期波或量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍”（我國(guó)取工業(yè)用電頻率50 Hz為基波頻率）。電力系統(tǒng)諧波產(chǎn)生的原因有很多，可大致將電力系統(tǒng)中的諧波源分為3類：第1類是鐵磁非線性負(fù)載，第2類是電力電子裝置，第3類是強(qiáng)非線性、沖擊性負(fù)載。本文首先依次對(duì)這3類諧波源產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析。

1.1 鐵磁非線性負(fù)載

變壓器、電機(jī)都是以磁場(chǎng)作為媒介來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換，因此，其鐵心等部件都廣泛采用導(dǎo)磁性能良好的鐵磁材料。而鐵磁材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度呈非線性關(guān)系，其關(guān)系曲線稱為磁化曲線。磁通量與磁感應(yīng)強(qiáng)度、電流與磁場(chǎng)強(qiáng)度都呈線性關(guān)系，因此，磁通量與電流的關(guān)系曲線同樣符合磁化曲線。正是由于鐵磁材料的這種非線性關(guān)系，當(dāng)變壓器、電機(jī)工作在非線性區(qū)時(shí)（即發(fā)生磁飽和現(xiàn)象），就會(huì)產(chǎn)生諧波。此外，在交變磁場(chǎng)的作用下，鐵磁材料還存在磁滯現(xiàn)象，這會(huì)導(dǎo)致變壓器、電機(jī)的諧波成分更復(fù)雜，如圖1所示。

圖1 鐵磁非線性負(fù)載考慮磁滯磁通-電流曲線

不過(guò)，變壓器、電機(jī)產(chǎn)生的諧波都是基于其工作在非線性區(qū)時(shí)才會(huì)產(chǎn)生的，在艦船綜合電力系統(tǒng)中，當(dāng)變壓器、電機(jī)在正常穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的條件下，基本上都處于線性區(qū)，諧波電流含量很少，不會(huì)造成電力系統(tǒng)電壓或電流的較大畸變，僅在變壓器和電機(jī)剛投入運(yùn)行或非正常條件運(yùn)行才會(huì)發(fā)生。對(duì)于艦船綜合電力系統(tǒng)中配置的大容量推進(jìn)變壓器通常會(huì)進(jìn)行預(yù)充磁，其目的除了減小大容量變壓器起動(dòng)沖擊電流和浪涌電流外，還可減少變壓器投入運(yùn)行時(shí)的諧波電流。因此，現(xiàn)階段變壓器、電機(jī)等鐵磁非線性負(fù)載已不再是主要的諧波源。

1.2 電力電子裝置

近幾十年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和不斷完善，整流裝置、交流調(diào)制電路和周波變流電路等電力電子裝置普遍應(yīng)用于艦船綜合電力系統(tǒng)中，這些裝置都是按一定規(guī)律開閉不同電路，其工作原理都是改變電壓或電流的波形，因而必定將產(chǎn)生諧波并注入電力系統(tǒng)。電力電子裝置的廣泛應(yīng)用，使其成為現(xiàn)代電力系統(tǒng)主要的諧波源。電力電子裝置的接線和工作情況千差萬(wàn)別，其產(chǎn)生的諧波也不盡相同。以現(xiàn)階段艦船綜合電力系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛的大功率電力推進(jìn)裝置為例，一般都采用變頻器控制，內(nèi)部采用AC-DC-AC環(huán)節(jié)。雖然有文獻(xiàn)指出：當(dāng)電源容量為無(wú)窮大、內(nèi)阻抗為0時(shí)，可以認(rèn)為整流負(fù)荷的端電壓（即電網(wǎng)側(cè)）總是正弦的，即負(fù)荷中有諧波電流，而端電壓仍維持正弦波形。然而，對(duì)于船舶電力系統(tǒng)而言，基本都是采用發(fā)電機(jī)組作為電源，其總?cè)萘坑邢?，?nèi)阻抗也不能忽略。因此，當(dāng)負(fù)載側(cè)有畸變的諧波電流時(shí)，總的畸變諧波電流將在發(fā)電機(jī)組內(nèi)阻抗上引起電勢(shì)的畸變，進(jìn)而引起系統(tǒng)電壓的畸變。

1.3 強(qiáng)非線性、沖擊性負(fù)載

在艦船綜合電力系統(tǒng)中，將會(huì)應(yīng)用大量高能武器（如電磁彈射裝置、電熱化學(xué)炮等）、電氣防護(hù)系統(tǒng)、飛機(jī)彈射/回收系統(tǒng)及相控陣?yán)走_(dá)等設(shè)備，都是具有強(qiáng)非線性、沖擊性的負(fù)載。如不采取相應(yīng)的控制措施，這類負(fù)載會(huì)對(duì)艦船綜合電力系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊，造成非常嚴(yán)重的波形畸變。SMOLLECK等研究了脈沖負(fù)載對(duì)電力系統(tǒng)的影響，包括電壓閃變、暫態(tài)、穩(wěn)定性和發(fā)電機(jī)組頻率等影響。一般來(lái)說(shuō)，在艦船上裝備的此類強(qiáng)非線性、沖擊負(fù)載，幾乎都是通過(guò)儲(chǔ)能或電力電子裝置與艦船綜合電力系統(tǒng)相連，其對(duì)系統(tǒng)的影響大部分已被這些裝置進(jìn)行了平抑。因此，對(duì)艦船綜合電力系統(tǒng)而言，此類強(qiáng)非線性、沖擊負(fù)載呈現(xiàn)的仍是電力電子裝置的特性。KULKARNI等研究了簡(jiǎn)化的船舶綜合電力系統(tǒng)中，脈沖負(fù)載在儲(chǔ)能裝置離線與在線時(shí)對(duì)船舶綜合電力系統(tǒng)的不同影響，表明在儲(chǔ)能裝置離線時(shí)，船舶電力系統(tǒng)的系統(tǒng)電壓將會(huì)產(chǎn)生較大的波形畸變。有關(guān)強(qiáng)非線性、沖擊性負(fù)載對(duì)艦船綜合電力系統(tǒng)的影響以及其防護(hù)措施，后期還需要開展更多的研究。

2 諧波的危害

諧波對(duì)電力系統(tǒng)的污染日益嚴(yán)重，它對(duì)各種電器設(shè)備都有不同程度的影響和危害。對(duì)于諧波的影響和危害，應(yīng)當(dāng)引起科研設(shè)計(jì)人員的高度重視。

2.1 對(duì)旋轉(zhuǎn)電機(jī)和變壓器的影響

2.2 對(duì)電纜的影響

在交流系統(tǒng)中，電纜會(huì)有集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，這2種效應(yīng)都取決于頻率、導(dǎo)體尺寸、電纜結(jié)構(gòu)和間距。諧波的存在會(huì)使得這2種效應(yīng)更為顯著，導(dǎo)致額外的損耗。

2.3 對(duì)保護(hù)繼電保護(hù)裝置和自動(dòng)裝置的影響

對(duì)艦船上常用的電磁型繼電器，其電磁動(dòng)作轉(zhuǎn)矩為：

式中：L為動(dòng)觸頭與支點(diǎn)的力臂長(zhǎng)度，m；為電磁力，N；為磁通量，Wb；為真空磁導(dǎo)率，H/m；為線圈磁通截面積，m；為線圈匝數(shù)；R為磁通所經(jīng)過(guò)磁路的磁阻，H；為通入線圈的電流有效值，A。

可見，電磁動(dòng)作轉(zhuǎn)矩與線圈電流有效值的平方成正比。因此，當(dāng)諧波含量較高時(shí)，電磁型繼電器將受到更大的電磁動(dòng)作轉(zhuǎn)矩作用，而通常電磁型電流繼電器都是按基波電流整定的，其有可能會(huì)發(fā)生誤動(dòng)作。

此外，諧波還會(huì)影響艦船上常用的自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置的正常工作，當(dāng)諧波含量較高時(shí)，可能使裝置拒發(fā)合閘脈沖，錯(cuò)發(fā)調(diào)頻脈沖，甚至于既發(fā)減速脈沖又發(fā)加速脈沖。

2.4 對(duì)敏感電子設(shè)備的影響

諧波還會(huì)對(duì)通信等敏感電子設(shè)備產(chǎn)生干擾，損害通信的清晰度。

2.5 諧波諧振的影響

如果在艦船綜合電力系統(tǒng)中應(yīng)用有多個(gè)靜止無(wú)功補(bǔ)償器（static var compensator, SVC）等電容器組，系統(tǒng)會(huì)存在多個(gè)諧振頻率，諧振可能會(huì)與負(fù)載諧波一同發(fā)生，將諧波放大，導(dǎo)致設(shè)備升溫，引起電器設(shè)備降額、并聯(lián)電容器損壞等后果，危害電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，諧波諧振問題是必須要避免的。

3 諧波治理

隨著艦船綜合電力系統(tǒng)的發(fā)展，上艦設(shè)備使用的電力電子裝置的容量越來(lái)越大，數(shù)量也越來(lái)越多。這些電氣設(shè)備產(chǎn)生大量的諧波電流注入電網(wǎng)，已經(jīng)嚴(yán)重威脅到艦船綜合電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，必須采取措施，對(duì)諧波進(jìn)行治理，才能保證電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行和接入電網(wǎng)的各種用電設(shè)備的可靠工作。

3.1 諧波限制標(biāo)準(zhǔn)

電力系統(tǒng)中的總諧波含量可以用方均根電壓U或電流I表達(dá)：

式中：U為第次諧波電壓有效值。

式中：I為第次諧波電流有效值。

通常，電壓諧波總畸變率THD（total harmonic distortion）和電流諧波總畸變率THD用來(lái)表征電力系統(tǒng)的諧波水平，其分別定義為：

式中：為基波電壓有效值。

式中：為基波電流有效值。

目前，已有多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)上述諧波指標(biāo)制定了相應(yīng)限值（見表1），其都是對(duì)電力系統(tǒng)的電壓水平提出的諧波限值。

表1 諧波標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比

但是，GJB 4000-2000和CCS等船用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)6 kV及以上的中壓電力系統(tǒng)的諧波限值尚未作出明確規(guī)定，且對(duì)各次諧波的限值也未區(qū)分奇次與偶次。在艦船綜合電力系統(tǒng)中采用較多的中壓電力系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)諧波的指標(biāo)限值規(guī)定缺乏船用標(biāo)準(zhǔn)的支撐，目前僅有國(guó)標(biāo)的規(guī)定作為參考，需要開展船用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制定或修訂工作。

除了上述對(duì)電力系統(tǒng)提出的諧波指標(biāo)限值外，更應(yīng)該關(guān)注用電設(shè)備注入系統(tǒng)的諧波電流的限值，GJB 4000-2000中對(duì)此也作出相應(yīng)規(guī)定，見表2。這將指導(dǎo)艦船綜合電力系統(tǒng)的諧波治理，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)仔細(xì)分析、確定系統(tǒng)中可能的諧波源，并參考標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)其諧波含量進(jìn)行限制。

表2 用電設(shè)備的諧波電流允許值（GJB 4000-2000）

但是，從表2中可以看出，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對(duì)設(shè)備注入系統(tǒng)的諧波電流限值未按電壓等級(jí)進(jìn)行區(qū)分，也未按負(fù)載容量大小進(jìn)行區(qū)分，且對(duì)多個(gè)接入系統(tǒng)的設(shè)備也未按容量之比進(jìn)行指標(biāo)分配。按此要求對(duì)艦船綜合電力系統(tǒng)中設(shè)備的諧波注入水平進(jìn)行控制，有可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)諧波電壓總含量超標(biāo)，進(jìn)而需要進(jìn)行系統(tǒng)補(bǔ)償。

3.2 源端抑制

解決電力系統(tǒng)諧波污染問題的一個(gè)主要思路就是改造電力電子裝置，在諧波產(chǎn)生的源頭進(jìn)行抑制，使其不產(chǎn)生諧波或盡可能減少諧波的產(chǎn)生。例如，換流裝置通過(guò)適當(dāng)?shù)淖儔浩骼@組相移進(jìn)行脈沖數(shù)擴(kuò)展，可以進(jìn)行高脈沖運(yùn)行操作，即相位倍增。一般地說(shuō)，以/6個(gè)相角差為2π/的變壓器可構(gòu)成脈動(dòng)整流，其將產(chǎn)生特征諧波為±1次的諧波（為換流裝置的脈沖數(shù)），倍增的脈沖數(shù)越高，諧波電流的次數(shù)越高，即不產(chǎn)生較低次數(shù)的諧波。同時(shí)，由于諧波電流的大小與諧波的次數(shù)成反比，即諧波的次數(shù)越高，諧波電流的大小就越小。通過(guò)擴(kuò)展脈沖數(shù)可以消除較低次數(shù)的諧波，減少其產(chǎn)生的諧波，大大改善電壓波形。利用相位倍增構(gòu)成多脈沖整流電路，其具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、成本低和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在大功率整流系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，這也是目前我國(guó)艦船上常用的諧波治理方法。

3.3 系統(tǒng)補(bǔ)償

從系統(tǒng)總體角度出發(fā)，治理電力系統(tǒng)諧波問題還可以通過(guò)裝設(shè)各種無(wú)源濾波器、有源濾波器以及混合型濾波器，一般濾波器安裝位置都是盡可能靠近諧波源。

無(wú)源濾波器是傳統(tǒng)的諧波補(bǔ)償裝置，其存在一些固有的缺點(diǎn)：無(wú)源濾波器只能針對(duì)特定次數(shù)的諧波進(jìn)行抑制，諧波抑制的效果受到電力系統(tǒng)及線路阻抗變化的影響，可能產(chǎn)生諧波諧振反而導(dǎo)致諧波的放大效應(yīng)。但是，由于其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)備投資較少、運(yùn)行可靠性較高等優(yōu)點(diǎn)，其至今仍然可以應(yīng)用于一些需求相對(duì)簡(jiǎn)單的場(chǎng)所，比如通常對(duì)所有進(jìn)入報(bào)房、無(wú)線電室等有電磁屏蔽要求的處所的電力電纜都采用無(wú)源濾波器進(jìn)行諧波抑制。

有源濾波器是1種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波的電力電子裝置，它能對(duì)大小和頻率都變化的諧波進(jìn)行迅速的動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償，且能克服傳統(tǒng)無(wú)源濾波器的缺點(diǎn)。其工作原理是檢測(cè)補(bǔ)償對(duì)象的電壓和電流，經(jīng)運(yùn)算電路計(jì)算、補(bǔ)償電流發(fā)生電路放大，得出補(bǔ)償電流抵消諧波電流，最終得到理想的正弦波形電流。周健以某半潛船改裝項(xiàng)目為例，其電站總?cè)萘考s5.7 MW，加裝后配置了6臺(tái)通過(guò)6脈波變頻器驅(qū)動(dòng)控制的總?cè)萘考s1.6 MW的壓載泵。通過(guò)仿真驗(yàn)證，由于變頻器采用二極管不可控整流，在未進(jìn)行系統(tǒng)補(bǔ)償之前，系統(tǒng)母線電壓總諧波畸變率高達(dá)13.88%，最大單次電壓諧波畸變率高達(dá)10%，均超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范所規(guī)定的電壓諧波畸變限值；在系統(tǒng)兩段母排上各增設(shè)1套有源濾波器后，對(duì)系統(tǒng)諧波進(jìn)行抑制，系統(tǒng)補(bǔ)償后的母線電壓總諧波畸變率降至3.2%，最大單次電壓諧波畸變率降至2.2%。可見，有源濾波器在治理諧波、提高電能質(zhì)量方面有較為顯著的效果。然而，隨著要處理的系統(tǒng)容量增大，由于有源濾波器中變流器件所能處理的功率范圍及其開關(guān)頻率的限制，其在較大容量場(chǎng)合的應(yīng)用將受到一定限制。

混合型濾波器則結(jié)合了無(wú)源濾波器和有源濾波器各自的優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)中大部分諧波主要由無(wú)源濾波器補(bǔ)償，而有源濾波器的主要作用則是改善無(wú)源濾波器的濾波特性、克服無(wú)源濾波器易受到系統(tǒng)參數(shù)的影響、易發(fā)生諧振等缺點(diǎn)。因此，混合型濾波器既可以克服單獨(dú)使用無(wú)源濾波器或有源濾波器的缺點(diǎn)，又可以充分發(fā)揮有源濾波器的優(yōu)點(diǎn)，使得有源濾波器能以相對(duì)較低的容量應(yīng)用于大容量場(chǎng)合，具有較高的性價(jià)比。黃彬等以某大型液化天然氣船（LNG）為例，其電站總?cè)萘考s38.5 MW，系統(tǒng)中配置有2臺(tái)通過(guò)24脈波變頻器驅(qū)動(dòng)控制的總?cè)萘繛?8 MW的推進(jìn)電機(jī)。根據(jù)大量實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)分析，在未進(jìn)行系統(tǒng)補(bǔ)償之前，系統(tǒng)母線電壓總諧波畸變率為3.66%，最大單次電壓諧波畸變率為2.33%；在系統(tǒng)中變頻器整流側(cè)接入混合型濾波器后，對(duì)系統(tǒng)中的諧波進(jìn)一步進(jìn)行了抑制，系統(tǒng)補(bǔ)償后的母線電壓總諧波畸變率降至0.88%。由此案例可見，對(duì)諧波源采用24脈波的變頻器，首先進(jìn)行了源端抑制，對(duì)系統(tǒng)的諧波已經(jīng)有了很明顯的抑制，在未進(jìn)行系統(tǒng)補(bǔ)償前，諧波含量已滿足規(guī)范要求；但是在應(yīng)用混合型濾波器進(jìn)行系統(tǒng)補(bǔ)償后，系統(tǒng)諧波含量可進(jìn)一步降低，系統(tǒng)電能質(zhì)量有更明顯的改善，驗(yàn)證了混合型濾波器在大容量電力系統(tǒng)諧波治理和電能質(zhì)量改善方面具有顯著效果。

3.4 其他措施

此外，也有科研工作者創(chuàng)造性地提出一種控制策略，將三次諧波與基波共同作用，利用三次諧波做功，實(shí)現(xiàn)材料利用率提高的目的，并成功研制出大容量新型感應(yīng)推進(jìn)電動(dòng)機(jī)以及其配套的變頻調(diào)速控制裝置，開創(chuàng)了諧波治理的新方向。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文論述了艦船綜合電力系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生來(lái)源及其危害，總結(jié)了目前常用的諧波治理方法，主要是從諧波源端抑制和系統(tǒng)補(bǔ)償兩方面進(jìn)行闡述。在進(jìn)行艦船綜合電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要綜合考慮，除嚴(yán)格控制接入系統(tǒng)的設(shè)備的諧波水平外，還需要建立詳細(xì)的系統(tǒng)模型，確定是否需要進(jìn)行系統(tǒng)補(bǔ)償以及補(bǔ)償方式，以滿足系統(tǒng)諧波控制要求。