船舶电网谐波分析

吴祖桥，宋才生，彭善辉，张 华



船舶电网谐波分析

吴祖桥，宋才生，彭善辉，张 华

(舟山万达船舶设计有限公司，浙江舟山316000)

本文介绍了电力推进船舶谐波，阐明了谐波产生的原因和谐波的危害，分析总结了抑制船舶谐波的方法和措施。

船舶电网 谐波 谐波抑制

0 引言

近些年来，随着电子设备和装置在船舶系统中广泛应用，尤其是在电力推进船舶逐渐替代传统柴油机推进船舶的趋势下，电力电子装置和设备数量越来越多、容量越来越大，使得船舶电网中谐波污染问题变得尤为突出并且难以防范。对于船舶来说，电力系统极其重要的组成部分，因此船舶电网谐波对船舶安全和经济运行有着重大影响[1]。

1 谐波的产生

船舶电网中谐波的产生主要来源于三个方面[2]：

1）发电机电源质量问题导致产生谐波。由于发电机绕组和铁心的生产工艺很难做到对称和均匀，所以发电机电源将产生部分谐波。

2）电网中电力变压器产生谐波。由于电力变压器的磁化曲线和铁心饱和是非线性的，同时考虑其工作磁密在磁化曲线的饱和区域，磁化电流曲线为尖顶波形，其波形含有主要为3次谐波的奇次谐波。

3）电网中用电设备产生谐波。随着非线性电气设备在船舶电网中广泛应用，非线性设备使得电网中电流为非正弦波形，导致电网中产生谐波，电网电压处于严重失真状态。

2 谐波的危害

2.1对船舶电网的危害

在船舶电网中，线路上流动的谐波电流会造成有功功率损耗。特别是当谐波频率高时，线路上集肤效应会使得谐波损耗比基波损耗大的多，所以电网谐波会导致输电线路附加损耗增大[3]。

对于基本由电缆构成的船舶电力系统，谐波不仅会增大线路附加损耗，而且还会引起电压谐振，从而在线路上产生过电压。这将导致电缆老化加快，产生的温升和介质损耗增加，甚至会引局部放电，严重影响线路电缆寿命。一般而言，谐波对电缆的危害是随着电缆额定电压的升高而增大。

2.2对船舶主要负载的影响

1）电机

电机在运行过程中，谐波不仅会产生附加损耗、增加多余热量，而且会引起谐波过电压、超出正常值的噪声以及机械振动，这些都会对电机的寿命产生影响，最严重时可能影响电机正常运行。

2）变压器

谐波对变压器的影响主要是会增加变压器损耗，包括铜损耗和铁损耗。谐波频率越高，集肤效应越严重，铁损耗也越大。所以，谐波中高次谐波造成的损耗更大，也更容易造成变压器发热。

3）电力电容器

电力电容器在船舶电站中常被用来补偿感性负载。而高次谐波对于电容器表现出低阻抗性，导致流过电容器的电流增加，长时间的过流将导致电容器使用寿命减少，甚至会出现电容器爆炸的危险。此外，由于谐波频率，系统的感性阻抗与电容器的容性阻抗存在发生谐振的可能。

4）变流装置

船舶电网中变流装置不仅作为谐波源会产生谐波注入电网，而且外部产生的谐波源又会影响变流装置的正常运行。当谐波引起电压和电流变化率升高，引起系统指示仪表产生误差，甚至导致晶闸管故障时，都会影响给变流装置正常工作。

5）控制和保护装置

船舶电网中谐波对晶体管型继电器影响很大，对保护继电器的性能产生影响，严重时会引起控制和保护装置的误动作。

6）船舶电子通信设备

船舶谐波对船舶电子通信设备有很大影响，特别是高次谐波对信号线路和通讯设备有很强的干扰作用，通讯网络中的电磁效应会发生变化，通讯载波的正常工作也受到影响。

3 谐波治理措施

船舶电网谐波会影响电能波形质量，更严重危害电力系统各用电负荷运行的安全性和经济性。因此，为确保船舶电网中电能质量的稳定性，必须对船舶电网谐波进行治理。目前，谐波治理措施主要分为两类，即主动型和被动型[4]。

3.1主动型谐波抑制

主动型谐波抑制是指对电网中的设备自身进行技术改进，对设备产生的谐波进行抑制，从而达到减少谐波的目的。常用的主动型谐波抑制方法有多脉整流、合理配置谐波源以及脉宽调制技术。

1）多脉整流

目前最常见整流相数为6脉，当整流相数增加，由6脉增加为12脉时，对幅值较小的低频谐波有很好的消除效果，因此可以有效降低谐波电流的有效值。为抑制谐波，目前船舶电力推进系统一般采用12脉或者24脉变频器进行谐波抑制，从而降低电网侧谐波电流。根据理论分析，随着整流脉数增多，谐波抑制效果就越好。

2）脉宽调制技术

脉宽调制技术是指将指令电流信号作为调制信号和高频率载波信号相比较，电子开关器件动作是通过PWM驱动信号实现的，其产生的电流和电压波形极其接近正弦波。因此，其谐波含量很低，能够减小对其他用电设备的影响。但需要注意，脉宽调制技术的应用要求变流器由可控通断器件组成。

3.2被动型谐波抑制

被动型谐波抑制指在设备或系统外部增加谐波抑制装置，对船舶电网谐波进行抑制，从而达到减少谐波的目的。常用的被动型谐波抑制有无源滤波器、有源滤波器以及混合型有源电力滤波器。

1）无源滤波器

顾名思义，无源滤波器是由无源器件组成的，包括电容、电感以及电阻等，其利用LC谐振原理进行滤波。一般治理电网谐波时，将无源滤波器安装于谐波含量高的电网节点或者靠近谐波源，利用无源器件的谐振特性对调谐频率处谐波进行消除。但是，无源滤波器只能针对特定次数谐波进行滤出，滤波效果并不理想。无源滤波器的优点是能进行无功补偿，价格实惠，维护也相对简单。

2）有源电力滤波器

有源电力滤波器具有比较复杂的电路结构和控制系统，实际上是一个电子式谐波发生器，它是通过产生一个与电网谐波幅值相同、方向相反的谐波来消除电网谐波。有源电力滤波器克服了无源滤波器只能固定补偿的缺点，实现了动态跟踪补偿，可以既补谐波又补无功。有源滤波器与无源滤波器相比，谐波治理效果好，可以同时滤出多次和高次谐波，不会引起谐振，但价格较高。

4 多脉整流抑制谐波

6脉波变频器的整流输出电压为每个周期有6个纹波的直流波形，每个纹波的相角为60°。将两套三相整流桥交流输入侧的电压相角相差30°，整流桥直流输出侧进行串联或者并联，则在直流侧形成12脉波的直流电压波形，通常我们称之为12脉波整流。

4.1 12脉波变频器主电路

增加了整流的脉冲数后，可以减小整流电压的脉动，12脉波的整流电压脉动波宽度为30°，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，即越接近交流电压峰值。

图1 12脉波变频器主电路

图2 12脉冲和6脉冲整流电压波形比较

6脉波变频器脉动幅度：

W=P(1-sin60)=0.134P

12脉波变频器脉动幅值：

W=P(1-sin30)=0.034P

4.2 12脉波变频器谐波分析

图3 12脉波变频器整流波形

12脉波电路中，可以将变压器设计成为一组一次绕组接成Y联结，两组二次绕组采用三角形联结，第一组顺延，=15°，即二次线电压比一次线电压超前15°，第二组逆延，α=-15°，即二次线电压比一次线电压滞后15°。

由计算可得：

两式相加可得：

a=a1+I2=

由此可知，将变压器设计成为一组一次绕组接成Y联结，两组二次绕组采用三角形联结12脉波电路时，一次电流中5次，7次，17次，19次等各次谐波均被抵消，一次电流中的特征谐波为11、13、23、25、35，即12±1次谐波，其中k=1、2、3…。

5 结束语

本文对电力推进船舶电网谐波进行了研究，分析了谐波产生的原因，讨论了谐波对船舶电网自身和重要负载的危害，分析总结了目前治理船舶电网谐波的措施和方法，对电力推进船舶电网的安全运行具有理论意义和实际参考价值。

[1] 肖湘宁. 电能质量分析与控制. 北京: 中国电力出版社, 2004.

[2] 赵怀军, 宋倩楠, 邱宗明等. 舰船电力系统谐波的产生、危害和抑制. 船舶科学技术, 29(4): 61-65.

[3] 李先林. 电力推进船舶电网谐波分析. 大连海事大学硕士学位论文, 2004.

[4] 王兆安, 杨君, 刘进军. 谐波抑制和无功功率补偿. 北京: 机械工业出版社, 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

吴祖桥（1972-），男，工程师。研究方向：轮机工程。