船舶综合电力推进系统电力谐波标准探讨

张志强 马守军 余林刚

（海军装备研究院，北京10073）

1 引言

电力推进技术在船舶上，特别是在豪华游轮、轮渡等船舶上早已广泛应用，但以往大多采用直流电力推进系统。由于电力电子技术和计算机控制技术的迅猛发展，使得交流电力推进系统逐渐替代了直流电力推进系统。图1是典型的船舶综合电力推进系统，全系统主要分为发电模块、推进模块和日用负载模块及供电网络。

船舶电站交流同步发电机产生的电压基本上是正弦波，即波形中基本无直流和高次谐波分量。但是交流推进模块中的大功率变流装置产生大量高次谐波，对船舶电网造成“污染”，对船舶电力系统发、配、用电设备造成不良影响，甚至出现严重危害。此外日用负载模块中的蓄电池组充放电装置、船舶通讯、导航、报警设备和电视机、电脑、节能灯等文娱、生活用电器都向电网注入各次谐波[1,2]。为了控制谐波“污染”，各国和船级社都对谐波制定了相关标准。虽然都是针对电力系统谐波提出的限制标准，但是这些标准在范围、内容、限制指标上存在较大差异。

本文针对电力推进船舶的特点，对各种标准的谐波限值指标进行了对比和分析，提出了电力推进船舶谐波限值指标的剪裁意见，为综合电力推进船舶的论证，设计，建造和验收提供服务。

2 船舶综合电力推进系统谐波特点

综合电力推进船舶的电力系统与陆用电力系统相比有较大区别，在分析综合电力推进系统的谐波时要看清其特点：

图1 典型的船舶交流电力推进系统

（1）船舶电力系统容量小，非线性负载所占比例大，推进用变频调速装置就成为主要的谐波“污染源”，系统内谐波含量高。

（2）船舶电力系统设计好以后，各种用电设备的数量和功率明确，使用状态相对固定，因而对谐波的监测、分析和抑制手段带来方便。

（3）电力推进船舶的电力网络简单，电压等级少，中压网络上只有少数大功率负载如推进变频器和螺旋桨电机、中压变压器、中压电动机等，低压网络上的设备众多分布全船但单个功率较小。

（4）船舶电力系统布置空间有限，设备比较集中，输电距离短，电缆可作为短线路处理，简化处理时可以忽略。

3 谐波限值相关标准介绍

我国1993年颁布了国标《电能质量 公用电网谐波》（GB/T 14549-93）[2]，对谐波限值做出了明确规定。除了各国颁布的谐波相关标准外，各船级社标准、国军标、IEEE标准、EN标准等都有相关谐波限值规定。

电力系统谐波限制标准主要包括电压谐波限值和注入谐波电流允许值两部分。本文主要讨论谐波电压限值相关标准。电压谐波限值相关标准给出各电压等级下，总谐波畸变率及单次谐波含有量的最大限值，注入谐波电流允许值相关标准给出各电压等级电网中，允许连接于该电压等级母线的非线性负载注入电网谐波电流的最大允许值。表1对国内外多个具有代表性的谐波电压限值标准进行对比。

4 综合电力推进系统谐波限制分析

目前，现有舰船相关标准中，仅仅给出了380 V等级低压电网电压谐波总畸变率和单次谐波最大含量给出了规定，如表2所示。

船舶的相关标准并没有像陆用公用电网相关标准一样，给出690 V、6 kV、10 kV等各电压等级的电压谐波限制标准，也没有给出各单次谐波和间谐波含有量的具体限制值。因此，舰船电压谐波限制标准，应在现有低压电网电压谐波限制要求的基础上，有选择地借鉴相关公用电网电压谐波限制标准。

表1 谐波电压限值相关标准对比[3,4]

132 1 0.5 1.5注：谐波次数小于20奇次谐波（非3的倍数次）奇次谐波（3的倍数次）偶次谐波h HRh（%）h HRh（%）h HRh（%）5 6 3 5 2 2 7 5 9 1.5 4 1 IEC6100 0-2-2 低压公用电网电压谐波限定值11 3.5 15 0.3 6 0.5 13 3 ≥21 0.2 8 0.5 17 2 － － 10 0.5 19 1.5 － － ≥12 0.2 23 1.5 － － － －25 1.5 － － － －≥29 0.2+12.5/h － － － －注：对直到40次的电压谐波THD≤8%。奇次谐波（非3的倍数次%）奇次谐波（3的倍数次）（%）偶次谐波（%）次数 1类 2类 3类 次数 1类 2类 3类 次数 1类 2类 3类h HRh HRh HRh h HRh HRh HRh h HRh HRh HRh 5 3 6 8 3 3/5 3/5 5 2 2 2 3 7 3 5 7 9 1.5 1.5 2.5 4 1 1 1.5 11 3 3.5 5 15 0.3 0.3 2 6 0.5 0.5 1 13 3 3 4.5 21 0.2 0.2 1.75 8 0.5 0.5 1 IEC 61000-2-4电压谐波限定值17 3 2 4 ＞21 0.2 0.2 1 10 0.5 0.5 1 19 1.5 1.5 4 － － － － ＞10 0.2 0.2 1 23 1.5 1.5 3.5 － － － － － － － －25 1.5 1.5 3.5 － － － － － － － －＞25 0.2+12.5/h 0.2+1 2.5/h 5(11/h)1/2－ － － － － － － －注：对于1类，电压谐波THD≤5%；对于2类，电压谐波THD≤8%；对于3类，电压谐波THD≤10%。IEC 61000-2-4间电压谐波限定值次数 h ＜11 11～13 13～17 17～19 19～23 23～25 ＞25 1类HRh (%)0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 2类HRh (%)0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 3类HRh (%)2.5 2.25 2 2 1.75 1.5 1

表2 舰船相关标准380 V等级低压电网电压谐波限定值

对于陆用电网当低压电网电压总谐波畸变率为 5%时，随着配电系统电压等级的升高，各级高压配电系统电压总谐波畸变率逐渐降低。这是由于公用电网规模较大，绝大部分谐波源都在中、低压电网，随着电压等级的升高，公共连接点短路容量变大，相同的谐波源引起的上一级电网电压总畸变率降低。反过来从需求上分析，公用电网供电区域广，尤其是中、高压等级，当中、高压等级电压总谐波畸变率大时，全网设备会受到谐波影响，影响范围大而且危害广。因此在电力系统设计中应秉承就地控制谐波的原则，对中、高压等级电压总谐波畸变率要严格控制。

对于舰船而言，常规舰船电力系统一般采用三相交流380 V（220 V）一级主供电网络，综合电力推进系统采用3/6/11 kV、（690 V）、380 V两级或三级主供电网络，电力系统网络短路容量有限。而且，综合电力推进系统最大的谐波源是推进变频器，变频器都是直接或通过推进变压器由中压主电网供电，相当于主谐波源在中压侧，低压侧谐波源幅值远小于中压侧，中压系统谐波电流通过日用变压器注入低压电网，造成低压电网电压畸变。从原理上讲，综合电力系统不可能像公共电网一样，中压电网电压总谐波畸变率低于低压电网，因此不能采用 GB/T 14595等公用电网标准。

IEC 61000-2-4 《工业设备低频传导干扰的兼容水平》该标准将低频电磁环境分为三类，制定了各类电磁环境下的谐波兼容标准，三类电磁环境分别为[3,6]：

第1类：对供电要求较高的被保护供电场所，其设备对供电干扰非常敏感，如实验室的仪器、自动化和保护设备、某些计算机，其兼容性水平严于公用电网的水平。

第2类：适用于一般工业环境下电网的公共连接点（PCC）和系统或装置内部连接点，其兼容性水平与公用电网的兼容水平相同。

第3类：仅适用于特殊工业环境下的系统或装置内部连接点，其兼容性水平高于公用电网的兼容水平。如大部分负荷由换流器供电；需要频繁启动大型电动机；快速变化的负荷；有电焊机时可以考虑用该类兼容性标准。

IEC61000-2-4标准将谐波问题归结在电磁兼容范围内，根据设备不同的使用环境提出谐波限制要求，而并不是像IEC61000-2-2等公用电网标准一样根据不同电压等级提出谐波限制要求。考虑到我国国家标准及其它国家标准越来越多地等效或等同采用IEC标准，舰船电力推进系统谐波标准限值可参照IEC61000-2-4标准。

5 结论

谐波标准是控制电网谐波含量的主要技术依据。谐波标准实质上是合理解决谐波源和电网之间谐波干扰的电磁兼容，并保证电网安全和经济运行的重要标准。

量化是制定谐波标准工作的核心内容，涉及对谐波问题发生原因和干扰传播机理的认识，对用电设备承受干扰能力的分析和测试，以及对抑制扰动和质量达标等技术的保证。在制定谐波标准时应注意到，不是制定的指标越高越好，其指标量化的目的是将电力系统整体的安全和经济与基本保证用电的可靠性联系起来，进行综合优化协调，制定出适度的和可达到的技术指标。在制定谐波标准时应结合国情，综合考虑上述因素，同时向国际标准靠近以利于国际间的交流和产品的标准化。

[1]肖湘宁. 电能质量分析与控制.[M]. 中国电力出版社, 2004.

[2]GB14529－93 电能质量 公用电网谐波[S]. 北京：中国标准出版社, 1993.

[3]林海雪. 国际电工委员会谐波标准简介[J].中国电力,1998, 31（10）： 55-59.

[4]林海雪. 从 IEC电磁兼容标准看电网谐波国家标准.[J].电网技术,1999, 23（5）： 64-68.

[5]中华人民共和国国家军用标准. GJB4000－2000. [S].北京： 总装备部军标出版发行部, 2000.

[6]全国电压电流等级和频率标准化技术委员会. 电压电流频率和电能质量国家标准应用手册[M]. 中国电力出版社, 2001.