电力推进船舶电网的谐波抑制

杜智慧

（中船黄埔文冲船舶有限公司，广州510715 ）

1 前言

舰船综合电力推进系统是指由共同的发电机组产生大功率的电力，同时满足舰船所有负荷—推进系统、日用负载、传感器系统以及舰载武器等。它将船舶发电与推进用电、舰载设备用电集成在统一的系统内，从而实现发电、配电与电力推进用电及其他设备用电统一调度和集中控制。这种全新的推进系统与传统的机械推进方式相比，具有噪音低、调速性能好、效率高、可靠性好、重量体积小、布置灵活等优点。

目前综合电力推进系统普遍采用大功率的变频器等非线性负载，在变频器工作时会产生谐波失真（THD）并分布到电网中，形成严重的谐波污染。谐波失真是相对于正弦电压或正弦电流波形的偏差，CCS和DNV规范及GJB等对谐波都有明确的指标要求。

根据CCS《钢质海船入级规范》（2012），电压波形的总谐波失真（THD）为所含谐波的均方分根值与基波的均方根值之比（以百分比数表示），可用下式计算：

式中：VTHD——总的谐波电压失真；

Vh——h阶谐波电压的均方根值；

V1——基波电压的均方根植；

CCS《钢质海船入级规范》（2012）规定供电电源的电压谐波（THD）成分不大于5%；DNV规范规定，配电系统中的电压谐波（THD）成分不大于5%；《舰船通用规范3组电力系统》中将交流电力品质特性参数规定为：对于船舶电力系统，正弦波形畸变率在5%之内，最大的单次谐波含量为3%。

2 谐波的危害

电力推进系统中的谐波会污染连接到同一个电网上的电容器、电抗器、变压器、电缆、电机，从而产生各类故障。谐波对船舶电力系统和其他用电设备危害，主要表现在以下几个方面：

（1）引起谐振和谐波电流放大

对谐波频率而言，系统的感抗会大大增加而容抗大大减少，可能产生并联谐振或串联谐振。这些谐振会使谐波电流放大几倍、十几倍甚至几十倍，对系统特别是对电容和与之串联的电抗器形成很大的的威胁，常使电容器和电抗器烧毁。

（2）对电机的影响

谐波会引起电机附加损耗，使之发热达不到额定功率，损耗随着谐波成分增加而增加。同时，谐波会使电机产生机械振动，使其局部过热、绝缘老化，缩短使用寿命甚至损坏。

（3）对配电系统的影响

谐波电流一方面在供配电线路上产生谐波电压降；另一方面，增加了线路上电流有效值从而引起附加输电损耗。配电电缆的电场强度随着谐波电压的最大值升高而增强，这就影响了电缆的使用寿命。据有关资料介绍，谐波的影响将使电缆的使用寿命平均下降约60%。高次谐波可能在船舶电力系统中发生电压谐振，在线路上引起过电压，可能击穿电缆、导线及设备的绝缘，引起重大事故。

（4）对计算机、通信系统的干扰

谐波一般通过电容耦合、电磁感应及电气传导三种方式影响计算机、通信系统，载频低的信号受影响更大。谐波会对测量、保护、控制、操作等系统中的仪表、仪器和设备造成影响。谐波对计算机的干扰，主要是影响磁性元件和数据处理系统的精度和性能，从而影响计算机处理数据的质量。谐波还使电缆在电流传输过程中产生电磁干扰，干扰船上的敏感电子器件。

（5）对继电器和控制电路的影响

谐波会改变保护继电器的性能，引起误动作或拒绝动作。

3 谐波的抑制

谐波抑制的目的是采取一定的办法将谐波减小至标准、规范允许的范围之内，以保证船舶电网及用电设备的安全经济运行。

3.1 变频器的选用与谐波的抑制

推进电动机的变频器是大型船舶电力系统谐波的主要来源，变频器的配置直接影响到电网的谐波指标。在设计时要根据船舶的电站容量和推进、配电等设备配置情况，计算各种工况下该船的THD谐波分析或进行仿真，选用合适的变频技术方案，如：PMW（脉宽调频）、PAM（脉冲幅度调频）方式，或选择6脉冲、12脉冲、虚拟24脉冲或纯24脉冲等。

变频器有电压型交-直-交变频器和电流型交-直-交变频器，通用型变频器大都为电压型交-直-交变频器。6脉冲变频器是最基本的类型，应用非常广泛。目前发展出12脉冲变频装置、虚拟24脉冲、纯24脉冲变频装置等。与6脉冲变频装置相比，12脉冲变频装置具有系统响应快、谐波量少、损耗降低、转矩脉动低等优点。如今在很多大容量、高压的场合，6脉冲变频器已无法达到要求。

目前多采用12脉冲变频器,整流脉冲数越多,其整流输出的脉动频率越高、脉动周期越短、脉动的幅值越小、输出的电压越高,也就越接近交流电压的峰值。

6脉冲变频器的波形如图1示意；12脉冲变频器的波形如图2示意。

图1 6脉波晶闸管整流电路输入波形

图2 12脉波晶闸管整流电路输入波形

这种整流电路的优点是把整流电路的脉波数由6提高到12，从而大大改善了输入电流波形（见图2），降低输入谐波电流，总谐波电流失真约10%左右。虽然12脉波整流电路的谐波电流大大下降，但还不能达到规范规定的总谐波失真小于5%的要求，虚拟24脉冲和24脉冲变频器的总谐波失真（THD）才能满足要求。24脉冲变频器一般是由两个并联的12脉冲变频器组成，由于要多一倍的整流逆变单元及移相变压器，故总的设备重量和体积显著增加，价格也较贵。

目前比较经济的技术手段是采用虚拟24脉冲方案，图3为虚拟24脉冲的典型原理图。图中将虚拟24脉冲分为A部分（T1、C1、M1）和B（T2、C2、M2）部分，每部分单独来看都是12脉冲系统，当他们同时工作时即母联开关闭合时，可组成虚拟24脉冲系统，减少主供电回路的谐波量，可保证电网的总电压谐波含量不大于5%，最大单次电压谐波不大于3%。

图3 虚拟24脉冲典型原理图

3.2 有源滤波器的应用

传统的滤波手段是设置无功补偿电容器和LC滤波器，这两种方法结构简单，既可以抑制谐波，又可以补偿无功功率，一直被广泛应用。但这种方法的主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，易和系统发生并联谐振。此外，这种补偿方法损耗大，且只能补偿固定频率的谐波，难以对变化的无功功率和谐波进行有效的动态补偿。

近年来发展迅速的一种抑制谐波方案是采用有源滤波器（APF），它是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置。其基本原理是以并联的方式接入电网，通过实时检测负载的谐波和无功分量，采用PWM变流技术，从变流器中产生一个和当前谐波分量和无功分量对应的反向分量并实时注入电力系统，从而实现谐波治理和无功补偿，见图4。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响，实现了动态跟踪补偿。

图4 有源电力滤波装置的工作原理图

有源滤波器（APF）最大的优点是：大幅度较少谐波，几乎无谐波污染，可以将能量反馈到电网，达到节能的目的。在对电网质量要求非常高的场合，APF具有很高效的使用价值。在具有较大转动惯量的变频调速系统中，既能提高系统的制动性能，又能达到节能的目的。

4 变频电缆的选用及敷设

由于船舶电网存在谐波的原因，连接电力推进电机和推进变频器、推进变压器的电缆，在电流传输过程中会产生电磁干扰，这对船上的电子通信系统会严重干扰，同时外界电磁波也可能对其进行干扰。为了抑制电磁干扰，减少整个船舶电网中的电磁辐射，同时提高电缆自身的抗干扰能力，故需采用专用的变频电力电缆。

变频电力电缆屏蔽由分相屏蔽和总屏蔽构成：分相屏蔽一般采用铜带、铜丝编织、铜丝铜带组合或铝塑复合带纵包；总屏蔽可采用铜丝铜带组合屏蔽、铜丝编织屏蔽、铜带屏蔽、铜丝编织铜带屏蔽等。总屏蔽+铝塑复合带屏蔽能提供100%覆盖，此结构的屏蔽电缆可抗电磁感应、接地不良和电源线传导干扰，减小电感，防止感应电动势过大。屏蔽层既起到抑制电磁波对外发射的作用，又可作为短路电流的通道，能起到中性线芯的保护作用。

变频电力电缆均需采用对称电缆结构，对称电缆结构有3芯和3+3芯两种。对称电缆结构有更好的电磁兼容性，对抑制电磁干扰起到一定的作用，能抵消高次谐彼中的奇次频率，提高了抗干扰性，减少了整个系统中的电磁辐射。

变频电力电缆为了防止脉冲电压对绝缘的影响，一般选用交联绝缘，选择实心绝缘而不是选择绕包绝缘，对于电缆护套材料无特殊要求。

5 施工工艺的注意事项

（1）采取合理的电缆敷设工艺

船上的各类电缆分类分束敷设，相互间距离一般在50 mm以上。其中变频电力电缆要单独敷设，距离其他类电缆应≥200 mm。

（2）电缆连接及接地

在变频电力电缆两端点做好内、外屏蔽的接地处理，电缆屏蔽层要可靠接到PE点上，接地尽可能采用单独的接地线。

为防止谐波电磁干扰对自动化系统及电子通信系统的影响，可对船上的电缆采取以下接地工艺：①对于单芯电缆，只在电源端接地；②对于RS485/RS422等串口通信信号，可采用双屏蔽电缆，对绞线内屏蔽在电源端接地；③对于模拟量或脉冲信号，可采用双屏蔽电缆，对绞线内屏蔽在电源端接地；④其他电缆两端接地。

（3）EMC电磁兼容工艺处理

为了保护船上敏感的电子设备免受电磁干扰危害，可采取对电子设备外壳地、数字地多点接地的措施，以确保设备的屏蔽效能。对船上电子、通信导航设备比较集中的舱室确定电磁屏蔽房间，如变频器间、报务室、雷达室、计算机室等，要求所有金属舱壁、地板、顶板和门窗形成一个连续的导电面，其面上任何两点的直流电阻不大于10mΩ。电缆穿过电磁屏蔽室要采用屏蔽接地工艺。

（4）变频器的布置

变频器在船上的布置一是要考虑对变频器的保护，选择安装在恒温舱室，振动小、散热、通风佳；二是要考虑设置单独的推进变频器间，变频器间需远离敏感电子设备集中区域，同时为了减少变频电缆拉敷距离，选择距推进电机尽量近的区域。

6 结语

对于谐波抑制，优先选用虚拟24脉冲方案或24脉冲方案，可以主动抑制谐波，从根本上减少谐波；当谐波超出规范要求时，可选用有源滤波器，但要考虑经济承受能力；选用变频电力电缆及采用合理的电缆敷设工艺及接地工艺，可以减少谐波对电网及船上的电器、电子设备及计算机控制系统的损害；通过采用合理的设备选型及设计，并采用科学的施工工艺，能有效的控制船舶电网中的谐波。

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