張志強(qiáng) 馬守軍 余林剛

（海軍裝備研究院，北京10073）

1 引言

電力推進(jìn)技術(shù)在船舶上，特別是在豪華游輪、輪渡等船舶上早已廣泛應(yīng)用，但以往大多采用直流電力推進(jìn)系統(tǒng)。由于電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得交流電力推進(jìn)系統(tǒng)逐漸替代了直流電力推進(jìn)系統(tǒng)。圖1是典型的船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)，全系統(tǒng)主要分為發(fā)電模塊、推進(jìn)模塊和日用負(fù)載模塊及供電網(wǎng)絡(luò)。

船舶電站交流同步發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電壓基本上是正弦波，即波形中基本無(wú)直流和高次諧波分量。但是交流推進(jìn)模塊中的大功率變流裝置產(chǎn)生大量高次諧波，對(duì)船舶電網(wǎng)造成“污染”，對(duì)船舶電力系統(tǒng)發(fā)、配、用電設(shè)備造成不良影響，甚至出現(xiàn)嚴(yán)重危害。此外日用負(fù)載模塊中的蓄電池組充放電裝置、船舶通訊、導(dǎo)航、報(bào)警設(shè)備和電視機(jī)、電腦、節(jié)能燈等文娛、生活用電器都向電網(wǎng)注入各次諧波[1,2]。為了控制諧波“污染”，各國(guó)和船級(jí)社都對(duì)諧波制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。雖然都是針對(duì)電力系統(tǒng)諧波提出的限制標(biāo)準(zhǔn)，但是這些標(biāo)準(zhǔn)在范圍、內(nèi)容、限制指標(biāo)上存在較大差異。

本文針對(duì)電力推進(jìn)船舶的特點(diǎn)，對(duì)各種標(biāo)準(zhǔn)的諧波限值指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比和分析，提出了電力推進(jìn)船舶諧波限值指標(biāo)的剪裁意見(jiàn)，為綜合電力推進(jìn)船舶的論證，設(shè)計(jì)，建造和驗(yàn)收提供服務(wù)。

2 船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)諧波特點(diǎn)

綜合電力推進(jìn)船舶的電力系統(tǒng)與陸用電力系統(tǒng)相比有較大區(qū)別，在分析綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的諧波時(shí)要看清其特點(diǎn)：

圖1 典型的船舶交流電力推進(jìn)系統(tǒng)

（1）船舶電力系統(tǒng)容量小，非線性負(fù)載所占比例大，推進(jìn)用變頻調(diào)速裝置就成為主要的諧波“污染源”，系統(tǒng)內(nèi)諧波含量高。

（2）船舶電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)好以后，各種用電設(shè)備的數(shù)量和功率明確，使用狀態(tài)相對(duì)固定，因而對(duì)諧波的監(jiān)測(cè)、分析和抑制手段帶來(lái)方便。

（3）電力推進(jìn)船舶的電力網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)單，電壓等級(jí)少，中壓網(wǎng)絡(luò)上只有少數(shù)大功率負(fù)載如推進(jìn)變頻器和螺旋槳電機(jī)、中壓變壓器、中壓電動(dòng)機(jī)等，低壓網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備眾多分布全船但單個(gè)功率較小。

（4）船舶電力系統(tǒng)布置空間有限，設(shè)備比較集中，輸電距離短，電纜可作為短線路處理，簡(jiǎn)化處理時(shí)可以忽略。

3 諧波限值相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)介紹

我國(guó)1993年頒布了國(guó)標(biāo)《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》（GB/T 14549-93）[2]，對(duì)諧波限值做出了明確規(guī)定。除了各國(guó)頒布的諧波相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)外，各船級(jí)社標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)軍標(biāo)、IEEE標(biāo)準(zhǔn)、EN標(biāo)準(zhǔn)等都有相關(guān)諧波限值規(guī)定。

電力系統(tǒng)諧波限制標(biāo)準(zhǔn)主要包括電壓諧波限值和注入諧波電流允許值兩部分。本文主要討論諧波電壓限值相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。電壓諧波限值相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)給出各電壓等級(jí)下，總諧波畸變率及單次諧波含有量的最大限值，注入諧波電流允許值相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)給出各電壓等級(jí)電網(wǎng)中，允許連接于該電壓等級(jí)母線的非線性負(fù)載注入電網(wǎng)諧波電流的最大允許值。表1對(duì)國(guó)內(nèi)外多個(gè)具有代表性的諧波電壓限值標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比。

4 綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)諧波限制分析

目前，現(xiàn)有艦船相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，僅僅給出了380 V等級(jí)低壓電網(wǎng)電壓諧波總畸變率和單次諧波最大含量給出了規(guī)定，如表2所示。

船舶的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)并沒(méi)有像陸用公用電網(wǎng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)一樣，給出690 V、6 kV、10 kV等各電壓等級(jí)的電壓諧波限制標(biāo)準(zhǔn)，也沒(méi)有給出各單次諧波和間諧波含有量的具體限制值。因此，艦船電壓諧波限制標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)在現(xiàn)有低壓電網(wǎng)電壓諧波限制要求的基礎(chǔ)上，有選擇地借鑒相關(guān)公用電網(wǎng)電壓諧波限制標(biāo)準(zhǔn)。

表1 諧波電壓限值相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比[3,4]

132 1 0.5 1.5注：諧波次數(shù)小于20奇次諧波（非3的倍數(shù)次）奇次諧波（3的倍數(shù)次）偶次諧波h HRh（%）h HRh（%）h HRh（%）5 6 3 5 2 2 7 5 9 1.5 4 1 IEC6100 0-2-2 低壓公用電網(wǎng)電壓諧波限定值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：對(duì)直到40次的電壓諧波THD≤8%。奇次諧波（非3的倍數(shù)次%）奇次諧波（3的倍數(shù)次）（%）偶次諧波（%）次數(shù) 1類(lèi) 2類(lèi) 3類(lèi) 次數(shù) 1類(lèi) 2類(lèi) 3類(lèi) 次數(shù) 1類(lèi) 2類(lèi) 3類(lèi)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電壓諧波限定值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：對(duì)于1類(lèi)，電壓諧波THD≤5%；對(duì)于2類(lèi)，電壓諧波THD≤8%；對(duì)于3類(lèi)，電壓諧波THD≤10%。IEC 61000-2-4間電壓諧波限定值次數(shù) h ＜11 11～13 13～17 17～19 19～23 23～25 ＞25 1類(lèi)HRh (%)0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 2類(lèi)HRh (%)0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 3類(lèi)HRh (%)2.5 2.25 2 2 1.75 1.5 1

表2 艦船相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)380 V等級(jí)低壓電網(wǎng)電壓諧波限定值

對(duì)于陸用電網(wǎng)當(dāng)?shù)蛪弘娋W(wǎng)電壓總諧波畸變率為 5%時(shí)，隨著配電系統(tǒng)電壓等級(jí)的升高，各級(jí)高壓配電系統(tǒng)電壓總諧波畸變率逐漸降低。這是由于公用電網(wǎng)規(guī)模較大，絕大部分諧波源都在中、低壓電網(wǎng)，隨著電壓等級(jí)的升高，公共連接點(diǎn)短路容量變大，相同的諧波源引起的上一級(jí)電網(wǎng)電壓總畸變率降低。反過(guò)來(lái)從需求上分析，公用電網(wǎng)供電區(qū)域廣，尤其是中、高壓等級(jí)，當(dāng)中、高壓等級(jí)電壓總諧波畸變率大時(shí)，全網(wǎng)設(shè)備會(huì)受到諧波影響，影響范圍大而且危害廣。因此在電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)秉承就地控制諧波的原則，對(duì)中、高壓等級(jí)電壓總諧波畸變率要嚴(yán)格控制。

對(duì)于艦船而言，常規(guī)艦船電力系統(tǒng)一般采用三相交流380 V（220 V）一級(jí)主供電網(wǎng)絡(luò)，綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)采用3/6/11 kV、（690 V）、380 V兩級(jí)或三級(jí)主供電網(wǎng)絡(luò)，電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)短路容量有限。而且，綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)最大的諧波源是推進(jìn)變頻器，變頻器都是直接或通過(guò)推進(jìn)變壓器由中壓主電網(wǎng)供電，相當(dāng)于主諧波源在中壓側(cè)，低壓側(cè)諧波源幅值遠(yuǎn)小于中壓側(cè)，中壓系統(tǒng)諧波電流通過(guò)日用變壓器注入低壓電網(wǎng)，造成低壓電網(wǎng)電壓畸變。從原理上講，綜合電力系統(tǒng)不可能像公共電網(wǎng)一樣，中壓電網(wǎng)電壓總諧波畸變率低于低壓電網(wǎng)，因此不能采用 GB/T 14595等公用電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

IEC 61000-2-4 《工業(yè)設(shè)備低頻傳導(dǎo)干擾的兼容水平》該標(biāo)準(zhǔn)將低頻電磁環(huán)境分為三類(lèi)，制定了各類(lèi)電磁環(huán)境下的諧波兼容標(biāo)準(zhǔn)，三類(lèi)電磁環(huán)境分別為[3,6]：

第1類(lèi)：對(duì)供電要求較高的被保護(hù)供電場(chǎng)所，其設(shè)備對(duì)供電干擾非常敏感，如實(shí)驗(yàn)室的儀器、自動(dòng)化和保護(hù)設(shè)備、某些計(jì)算機(jī)，其兼容性水平嚴(yán)于公用電網(wǎng)的水平。

第2類(lèi)：適用于一般工業(yè)環(huán)境下電網(wǎng)的公共連接點(diǎn)（PCC）和系統(tǒng)或裝置內(nèi)部連接點(diǎn)，其兼容性水平與公用電網(wǎng)的兼容水平相同。

第3類(lèi)：僅適用于特殊工業(yè)環(huán)境下的系統(tǒng)或裝置內(nèi)部連接點(diǎn)，其兼容性水平高于公用電網(wǎng)的兼容水平。如大部分負(fù)荷由換流器供電；需要頻繁啟動(dòng)大型電動(dòng)機(jī)；快速變化的負(fù)荷；有電焊機(jī)時(shí)可以考慮用該類(lèi)兼容性標(biāo)準(zhǔn)。

IEC61000-2-4標(biāo)準(zhǔn)將諧波問(wèn)題歸結(jié)在電磁兼容范圍內(nèi)，根據(jù)設(shè)備不同的使用環(huán)境提出諧波限制要求，而并不是像IEC61000-2-2等公用電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)一樣根據(jù)不同電壓等級(jí)提出諧波限制要求?？紤]到我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及其它國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越多地等效或等同采用IEC標(biāo)準(zhǔn)，艦船電力推進(jìn)系統(tǒng)諧波標(biāo)準(zhǔn)限值可參照IEC61000-2-4標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

諧波標(biāo)準(zhǔn)是控制電網(wǎng)諧波含量的主要技術(shù)依據(jù)。諧波標(biāo)準(zhǔn)實(shí)質(zhì)上是合理解決諧波源和電網(wǎng)之間諧波干擾的電磁兼容，并保證電網(wǎng)安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要標(biāo)準(zhǔn)。

量化是制定諧波標(biāo)準(zhǔn)工作的核心內(nèi)容，涉及對(duì)諧波問(wèn)題發(fā)生原因和干擾傳播機(jī)理的認(rèn)識(shí)，對(duì)用電設(shè)備承受干擾能力的分析和測(cè)試，以及對(duì)抑制擾動(dòng)和質(zhì)量達(dá)標(biāo)等技術(shù)的保證。在制定諧波標(biāo)準(zhǔn)時(shí)應(yīng)注意到，不是制定的指標(biāo)越高越好，其指標(biāo)量化的目的是將電力系統(tǒng)整體的安全和經(jīng)濟(jì)與基本保證用電的可靠性聯(lián)系起來(lái)，進(jìn)行綜合優(yōu)化協(xié)調(diào)，制定出適度的和可達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)。在制定諧波標(biāo)準(zhǔn)時(shí)應(yīng)結(jié)合國(guó)情，綜合考慮上述因素，同時(shí)向國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)靠近以利于國(guó)際間的交流和產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化。

[1]肖湘寧. 電能質(zhì)量分析與控制.[M]. 中國(guó)電力出版社, 2004.

[2]GB14529－93 電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 1993.

[3]林海雪. 國(guó)際電工委員會(huì)諧波標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介[J].中國(guó)電力,1998, 31（10）： 55-59.

[4]林海雪. 從 IEC電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)看電網(wǎng)諧波國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).[J].電網(wǎng)技術(shù),1999, 23（5）： 64-68.

[5]中華人民共和國(guó)國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn). GJB4000－2000. [S].北京： 總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部, 2000.

[6]全國(guó)電壓電流等級(jí)和頻率標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). 電壓電流頻率和電能質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用手冊(cè)[M]. 中國(guó)電力出版社, 2001.