谐波对船用发电机的影响及处理

■郑雪连

（福建东南造船有限公司，马尾 350015）

1 前言

在现代船舶建造中，船舶自动化程度越来越高，越来越多的非线性电力电子设备被使用，如整流器、变频调速装置、不间断电源、逆变器等等，对船舶电网而言，应用的非线性电力设备越多，容量越大，产生的谐波就会使电网污染越严重，直接影响到船舶运行的安全性、可靠性及经济性。本文主要讲述在我厂建造的应急救助船上，其可伸缩全向推进器采用6脉冲变频驱动时产生的谐波对发电机的影响及抑制处理。

2 谐波的产生及其危害

2.1 谐波的产生

所谓谐波，简单的说，不同于工频的其它频率的正弦电压或电流，我们就认为是谐波，谐波是工频电压或电流作用于非线性负载时所产生的，当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，从而形成非正弦电流，即为谐波。例如，发电机发出的电能频率是工整的50Hz，如果遇到非线性设备在电网中，当这些设备工作时，就会产生谐波，如单相整流器，就把50Hz的基波“整”成具有100Hz、150Hz、200Hz……等等成分的信号，就出现了谐波，这种会产生谐波的非线性的用电设备，我们通常称它为谐波源。在船舶电网中主要的谐波源有整流器、变频调速装置、不间断电源、逆变器等等。

2.2 谐波的危害

谐波的存在造成电网污染，使得正弦电压波形畸变，导致电力系统中用电设备及其元器件出现许多异常现象和故障，如旋转电机、通信装置、保护装置、变压器、电容器组等等。

2.2.1 谐波对发电机的危害有哪些：

（1）文献[1]中已经通过实验记录了同步发电机带整流负载的端电压和三相电流的波形，可以清楚的看到当发电机带整流负载时，受负载非线性工作特性的影响，发电机的机端线电压和三相电流的波形都发生了严重的畸变，含有大量的谐波。同时谐波对发电机的电磁转矩有很大的危害，产生了一系列的附加谐波稳定转矩和脉动转矩，使发电机伴随着震动现象[1]。

（2）当发电机供电给变频器时，由（1）我们知道三相电压含有谐波分量，会使机端电压和三相电流发生畸变，畸变的电压和电流经过电网传输给各用电设备，其产生的危害详见下文2.2.2。这里我们来看看对发电机AVR（自动电压调节器）的影响，此时的自动电压调节器在叠加了较大的谐波量和基波量后除了会发热外，其整个调节功能将受到影响，无法精准地控制和调节发电机的机端电压和无功功率，而且发热会使绝缘介质提前老化，从而缩短元器件的使用寿命。

（3）发电机正常工作时，由于谐波产生的集肤效应使得发电机铁磁设备损耗明显增大，导致铁芯的温度升高，过热，发电机出力明显不足，绝缘介质提前老化，从而缩短了发电机的寿命。

2.2.2 谐波对用电设备的危害

电网中的谐波除了对供电设备如发电机、变压器，电力电容等产生危害外，对用电设备不论自身是线性负载还是非线性负载产生的危害也不容小觑，例如：（1）一些敏感性负载受到干扰，如：计算机出错、死机,计算机控制的设备出现异常故障等；（2）保护装置异常动作,开关误跳闸等；（3）使交流异步电动机增加附加损耗，降低效率，严重时使电动机过热，当频率接近某零件的固有频率时还会使电动机产生机械振动，发出很大的噪声。(4)使船上通讯设备数据传送发生故障、广播间断并伴有工频交流噪声等；（5）对于含有电感、电容器件的电路，将使其温度升高，损耗增大，元器件提前老化，使用寿命明显缩短等;（6）对于由电压或电流信号启动动作的继电器或启动元件，当基波动作量并未达到整定值时，由于较大的谐波量和基波量叠加后的综合量超过动作值,将引起继电器误动作。

3 治理谐波的措施及实例分析

3.1 治理谐波的措施

谐波对电力设备的危害早已被社会各界所了解，为了避免谐波导致的电气设备老化，降容和损坏而提前更换设备，且使供电网络更加可靠和连续性，必须采取有效的治理措施。目前最有效而且被广泛采用的措施就是在谐波源处安装滤波器，就近吸收谐波源产生的谐波电流。滤波器可分为无源滤波器和有源滤波器，它们的优缺点主要是有源滤波器利用时域补偿原理能做到适时补偿，且不增加电网的容性元件，滤波效率高但是造价也高。无源滤波装置可以吸收高次谐波，而所有滤波支路对基波呈现容性，正好满足无功补偿要求，不必另装并联电容器补偿装置，这种方法经济、简便，国内外广泛采用。以上两种型式滤波器各有利弊，在实际使用中应当根据实际情况综合考虑选用。

对于船舶制造业来说，考虑到船舶供电网络的可靠及航行的安全，各大船级社早已经出台相关要求严格控制谐波超标问题，比如说ABS船级社要求THDu值应控制在8%以内。

3.2 实例分析

3.2.1 概况

我厂建造的应急救助船，船长60M，船宽15M，型深6.1M；入ABS级，动力采用双主机驱动可调螺距螺旋桨，艏部一台艏横向推进器及一台可伸缩全向推进器，艉部一台艉横向推进器组成，其中可伸缩全向推进器采用6脉冲变频器驱动，为电流源型变频器，见图1，由单台轴带发电机供电，完整电路如下图2。

图1

图2

G-发电机；

品牌规格：LeroySomer/LSAM 49.1M6/4P

额定功率PN:750KVA;

额定电压/频率:440V/60Hz;

Xd"=0.141

FC-6脉冲变频器；

品牌规格：Schneider(施耐德)/ATV71HC40N4;

额定功率PN:400kW;

额定电压/频率:440V/60Hz;

额定电流：759A;

过载能力:=1138A（过载60S）;=1252A（过载2S）;

DC扼流圈:=37.5uH（额定1160A）

M-电动机；

额定功率：500kW;

额定电压/频率:440V/60Hz;

额定电流：810A;

功率因数：0.85;

效率：95.3%

3.2.2 分析

6脉冲整流电路具有结构简单且较为经济，更适用于简单的电路当中，但是输入电流中会产生很高的谐波分量，根据6脉冲变频电路的交流电网侧电流谐波规律6n±1次，n=1，2，3…，可以得出谐波次数越高，幅值越小，其中5次谐波分量最高，7次谐波分量次之。下图3为西门子公司针对各脉冲变频器做的仿真理论值。

图3

基于图3给出的仿真理论值，我们可以清楚的看到6脉冲变频器产生的总谐波值理论上已高达31%，实际上，该电路中影响谐波的另一重要的因数是发电机的超瞬态阻抗值Xd"，该值的设定要与系统短路电流及谐波值协调考虑。为使该电路的谐波值满足ABS船级社的要求控制在8%以内，考虑到该电路主要需要对特定次数的谐波进行处理及补偿功率因数，且从经济性角度出发首选是无源滤波器。目前国内外已有相当多的专业滤波器生产厂家，如西门子，ABB，施耐德，德国ELTROPLAN-REVCON等等。该项目选用的是德国ELTROPLAN-REVCON公司生产的RHF-A型无源LC滤波器，以吸收5次及7次谐波分量为目的，采用2组RHF-A型滤波器并联方式，其中每组滤波器由电源侧阻抗L0及并联的双LC串联谐振回路组成，见图4虚线框图。其电感及电容参数的初步设定可根据文献[3]给出的推导公式计算，再通过仿真实验调整参数，以达到最佳滤波效果。

图4

3.2.3 结果

通过计算及仿真实验确定各参数值如下：L0=0.119mH;L1=0.27mH;L2=0.356mH;C1=300μF;C2=150μF,得出结果THD(u)为4.64%，小于8%，该电路谐波已被有效的抑制，完全满足ABS船级社的要求，以下图5（a）（b）及图6分别为REVCON公司提供的该电路在使用滤波器前后的波形失真图及柱状分析图。

图5 （a）

图5 （b）

图6

4 小结

综上所述，谐波的存在将降低发电机的供电质量，使船舶电力系统运行不稳定，还会缩短发电机的寿命，增加船东的维修成本，必须采用有效手段予以消除。

[1]李璨.电力系统谐波对发电机的影响分析.电力科学与技术学报.2011(9).

[2]西门子.Topologies&Harmonics.

[3]茅建华.无源消谐滤波器LC 参数选择原则的研究.电力建设,2006(5].