何金平，朱沈紅

（1.中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津300457；2.西門子（中國）有限公司上海分公司，上海200082）

0 引言

自從世界上第一條電力推進(jìn)船舶問世后，這種采用電力推進(jìn)的方式被越來越多地在船舶建造中所接受。尤其對(duì)于海工船，比如半潛船、運(yùn)輸船、物探船、深水工程勘察船、起重船、風(fēng)車安裝船、破冰船、挖泥船、布纜船等類型的船舶。在采用電力推進(jìn)系統(tǒng)下其操縱性、經(jīng)濟(jì)性及航行轉(zhuǎn)速等方面的優(yōu)勢(shì)更為明顯。但由于電力推進(jìn)需要使用大容量的電力電子裝置，如整流、逆變?cè)O(shè)備，而這些電力電子裝置在實(shí)現(xiàn)功率控制和處理的同時(shí)，都不可避免地產(chǎn)生大量的諧波。

大多電力系統(tǒng)都可以容忍一定程度的諧波產(chǎn)生，但是當(dāng)諧波在總電網(wǎng)中所占比例較為明顯時(shí)就會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)一系列問題，例如發(fā)電機(jī)效率降低，電氣設(shè)備過熱，產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，增加設(shè)備損耗，導(dǎo)致絕緣老化、使用壽命縮短等；諧波也會(huì)引起電力系統(tǒng)局部諧振，使諧波含量放大，造成危險(xiǎn)的過電流和過電壓，電容器設(shè)備可能會(huì)因此而燒毀；諧波還會(huì)引起船舶繼電保護(hù)和自動(dòng)控制裝置誤動(dòng)作而降低其可靠性；另外，在現(xiàn)代化的船舶條件下，諧波會(huì)對(duì)通訊電子設(shè)備產(chǎn)生干擾，降低信號(hào)的傳輸質(zhì)量，破壞信號(hào)的正確傳遞，甚至威脅船舶電力系統(tǒng)的安全。因此對(duì)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段就進(jìn)行諧波仿真分析就顯得尤為重要，從而在必要時(shí)提前采取有效措施，抑制并防止電網(wǎng)中因諧波危害而造成嚴(yán)重后果。

1 諧波的產(chǎn)生

1.1 諧波的定義

諧波的概念實(shí)際來自于研究正弦波形畸變的數(shù)學(xué)方法，國際上公認(rèn)的諧波的定義為：“諧波是一個(gè)周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波的整數(shù)倍”。[1]諧波是指正常電流等波形的一種失真，一般情況下是由非線性負(fù)載所產(chǎn)生的，這些非線性電源產(chǎn)生高振幅短脈沖電流，造成電流和電壓波形嚴(yán)重失真，為諧波失真，一般按總諧波失真（THD）來衡量。

1.2 諧波的來源

電網(wǎng)中有一些特殊的用電設(shè)備，它們的工作電流和電壓不成正比，被我們稱為非線性負(fù)載，這些就是諧波的主要來源。理想化的電網(wǎng)頻率是比較規(guī)整的，但是如果遇到非線性設(shè)備在運(yùn)行，就會(huì)產(chǎn)生非電網(wǎng)基準(zhǔn)頻率的成分信號(hào)。比如整流器，就可以把50 Hz的基波處理成為具有100 Hz、150 Hz、200 Hz……等等的成分信號(hào)，這就是諧波。圖1說明了在電力電子變流器輸入電流（is）中的電流諧波（ih）如何影響電源電壓（u(t)）[2]。

1.3 電力推進(jìn)船舶電網(wǎng)的諧波源

在船舶電網(wǎng)中諧波來源有三個(gè)方面：一是發(fā)電源產(chǎn)生諧波；二是輸配電系統(tǒng)產(chǎn)生諧波；三是用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波。

船舶電網(wǎng)中的發(fā)電源是指發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)的諧波是由于三相繞組很難做到絕對(duì)對(duì)稱，鐵芯也很難做到絕對(duì)均勻一致，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子和定子之間空氣隙中的磁場就成非正弦分布從而產(chǎn)生諧波。因此發(fā)電機(jī)的輸出電壓本身就含有一定的諧波，其諧波電壓的幅值和頻率取決于發(fā)電機(jī)本身結(jié)構(gòu)和工作狀態(tài)。

輸配電系統(tǒng)中主要是指電力變壓器。變壓器的勵(lì)磁回路具有非線性電感，因此勵(lì)磁電流是非正弦波形，使得電流波形發(fā)生波形畸變。在空載時(shí)，非正弦的勵(lì)磁電流在變壓器原繞組的漏抗上產(chǎn)生壓降，使變壓器感應(yīng)電勢(shì)中包含諧波分量。變壓器鐵芯的飽和、磁化曲線的非線性，加上設(shè)計(jì)時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性，其工作磁密選擇在磁化曲線的近飽和段上，使得磁化電流呈尖頂波形，含有奇次諧波，其大小與磁路的結(jié)構(gòu)形式、鐵芯的飽和程度有關(guān)，鐵芯的飽和程度越高，變壓器工作點(diǎn)偏離線性越遠(yuǎn)，諧波電流就越大。[3]

產(chǎn)生諧波的用電設(shè)備主要指具有非線性特性的電氣設(shè)備，即使電源給這些設(shè)備供給的是正弦波形的電壓，但由于它們具有非線性的電壓-電流特性，使得流過電網(wǎng)的電流也變成非正弦的，即產(chǎn)生了諧波，使電網(wǎng)電壓嚴(yán)重失真。即諧波電流會(huì)導(dǎo)致線路電壓畸變。

一般來說，如果知道了諧波電流和相應(yīng)的源阻抗，就可以在電網(wǎng)中的任何一點(diǎn)計(jì)算電壓畸變。圖2是最簡單的為非線性設(shè)備（變頻器）供電的電網(wǎng)示意圖。

電力推進(jìn)系統(tǒng)中的變頻器是電網(wǎng)產(chǎn)生諧波的最主要設(shè)備，因?yàn)榇半娡葡到y(tǒng)采用變頻進(jìn)行調(diào)速，而諧波頻率又隨頻率變化，這樣直接影響船舶電網(wǎng)的電源質(zhì)量。對(duì)于變頻器而言，只要是電源側(cè)有整流回路，都將產(chǎn)生因非線性引起的諧波，諧波的含量取決于它們本身的特性和工況。在平衡的三相系統(tǒng)中，由于對(duì)稱關(guān)系，偶次諧波已經(jīng)被相互抵消或含量很小，因此通常只對(duì)電網(wǎng)的奇次諧波進(jìn)行分析。

2 諧波治理的措施

為解決電力推船舶系統(tǒng)中諧波污染的問題，傳統(tǒng)的手段都是設(shè)置濾波器，但這種方法需要額外的成本并且需要考慮濾波器的安裝空間以及濾波效果，因此通常都作為由于前期對(duì)電網(wǎng)可靠性分析不足而在后期做出的補(bǔ)救措施。治理諧波的最佳方案當(dāng)然是在設(shè)計(jì)階段就預(yù)見到諧波污染的最惡劣情況，并在不增加其余設(shè)備的基礎(chǔ)上利用系統(tǒng)原本的設(shè)備特性進(jìn)行諧波的治理，使其經(jīng)濟(jì)性地滿足行業(yè)規(guī)范并達(dá)到驗(yàn)收的標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)合船舶電網(wǎng)中諧波的來源，在設(shè)計(jì)作為諧波源的設(shè)備時(shí)，改進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或合理確定相關(guān)的影響諧波的主要性能參數(shù)就顯得尤為重要。針對(duì)三種主要的諧波來源，可以進(jìn)行如下設(shè)計(jì)改善：

改善同步發(fā)電機(jī)短路功率，即直軸超瞬態(tài)電抗（Xd”）來提高電源功能，Xd”越小，諧波影響就越小，但由于發(fā)電機(jī)的 Xd”同時(shí)影響電網(wǎng)的短路電流，Xd”越大，短路電流越小，所以對(duì)于發(fā)電機(jī)來說Xd”需要選擇一個(gè)兼顧電網(wǎng)短路電流和諧波的合理值[4]。

圖1 帶有變流器負(fù)載、變壓器和其他負(fù)載的設(shè)備

圖2 為變頻器供電的船舶電網(wǎng)示意

圖3 電力推進(jìn)系統(tǒng)中影響諧波的因素

改善變壓器的短路阻抗Uk，Uk越大，諧波影響越小。

采用12或24脈沖整流變壓器系統(tǒng)，改善內(nèi)部濾波功能，同時(shí)可以使能量利用率越高，運(yùn)行效率也就越高。出于系統(tǒng)的整體考慮，更多地都考慮通過整流方式即改善用電設(shè)備的供電方案達(dá)到諧波治理的目的。目前整流系統(tǒng)主要有單相半波、單相全波、三相半脈波、三相全脈波、12脈波、24脈波、36脈波和48脈波等整流電路。

諧波次數(shù)和整流脈波的關(guān)系式

式中：P：含有脈波次數(shù)；n：整流脈波次數(shù)；k：正整數(shù)。

由上式可得出結(jié)論：脈波數(shù)越多，諧波含量越少，比如采用12脈波整流方式系統(tǒng)中的特性諧波包含11、13、23和25次等，如采用24脈波整流方式，系統(tǒng)中的特性諧波包含23、25次等，且各次諧波數(shù)值很小。圖4給出了幾種整流變壓器解決方案的連接方式及其對(duì)應(yīng)的電流波形，可見24脈波整流方式比12脈波整流方式在諧波治理方面有很大的優(yōu)勢(shì)[5]。

6脈沖、12脈沖和24脈沖整流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分別如下：

6脈沖二極管整流橋，包含6個(gè)不可控整流器或二極管以及一個(gè)電抗器，該電抗器與一個(gè)直流電容器共同形成一個(gè)低通濾波器，可以對(duì)直流電流進(jìn)行平波處理。6脈沖整流器操作簡單，但產(chǎn)生的5、7、11次低次諧波較大，尤其在平波電抗較小的情況下。

12脈沖整流器是將兩個(gè)6脈沖整流器并聯(lián)起來為一個(gè)公共直流母線供電。整流器的輸入帶有一個(gè)三繞組變壓器，變壓器的副邊有 30°的相位偏移。采用這種布局的好處是電源端的一部分諧波處于相反相位，因?yàn)榭梢员坏窒?。從理論上來說，在變壓器原邊能看到的最低頻率諧波成分是11次。

24脈沖整流器是由兩個(gè)并聯(lián)的 12脈沖整流器組成，帶有兩個(gè)三繞組變壓器，兩個(gè)變壓器的原邊有 15°相位偏移，對(duì)于高功率的推進(jìn)系統(tǒng)來說，24脈沖系統(tǒng)是最佳的方案，諧波畸變也最小[6]。從圖4和圖5可以明顯看出，整流器的波次越多，波形越接近于正弦波，諧波成分也就越少。從供電效益和經(jīng)濟(jì)效益方面來講，2臺(tái)三相雙繞組變壓器構(gòu)成24脈波整流變壓器系統(tǒng)”的組合方式更優(yōu)越，實(shí)用性更強(qiáng)，需要注意的是24脈波必須采用特殊的接線方式，使一二次側(cè)對(duì)應(yīng)的最小相位差15°，實(shí)現(xiàn)所需的移相角度通常有延邊三角形和曲折形接線兩種接線模式；同時(shí)需要注意的是在基本聯(lián)結(jié)組別基礎(chǔ)上移相，必須保證具有相同的技術(shù)參數(shù)（空載損耗、負(fù)載損耗及短路阻抗等），從而保證供電的線性度和穩(wěn)定性[7]。

圖4 整流電路特性圖

圖5 諧波分布圖

圖6 6.6kV電力系統(tǒng)單線圖

3 三萬方LNG運(yùn)輸船諧波分析計(jì)算

三萬方方 LNG運(yùn)輸船是一艘由雙燃料主機(jī)為原動(dòng)機(jī)的主發(fā)電機(jī)組作為公共電站向全船所有負(fù)載供電，由24脈沖變頻器整流系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器作為主推進(jìn)，并且全船各系統(tǒng)高度自動(dòng)化的船舶。

全船中壓系統(tǒng)電力系統(tǒng)單線圖如圖6。

由于各工況運(yùn)行的發(fā)電機(jī)臺(tái)數(shù)和電機(jī)負(fù)載不同，Case 4是變頻負(fù)載占比最大的工況，即諧波最大的工況。即對(duì)諧波最大工況軟件仿真。

根據(jù)仿真工況分析，選取Case 4諧波最大工況下，分析數(shù)據(jù)輸出。波形圖輸出見圖7。波形說明: 1)發(fā)電機(jī)電流； 2)6600 V電壓和 400 V電壓；3)整流器 ； 4)負(fù)載：主推和400 V變頻設(shè)備。通過軟件仿真計(jì)算，其得出結(jié)果見表1。

4 現(xiàn)場實(shí)測(cè)的結(jié)果

在船舶常規(guī)試航中，根據(jù)諧波分析數(shù)據(jù)，對(duì)諧波產(chǎn)生最大工況下的諧波進(jìn)行檢測(cè)，其測(cè)量結(jié)果如下所示：6600 V 主配電板Voltage THD值為1.8%，400 V 輔助配電板Voltage THD 為1.6%。

5 結(jié)論

本文通過對(duì)電力推進(jìn)船舶電網(wǎng)諧波問題以及主要的諧波抑制方法的分析總結(jié)，結(jié)合三萬方LNG運(yùn)輸船24脈沖電力推進(jìn)系統(tǒng)軟件仿真諧波分析計(jì)算，驗(yàn)證了本船入級(jí)中國船級(jí)社（CCS），CCS規(guī)范 2013第 8篇 第 15章第 2節(jié) 15.2.2.2明確規(guī)定“為電力推進(jìn)供電的配電板，總的電壓畸變應(yīng)不超過 10%?！盵8]之要求，確認(rèn)本船采用 24脈沖電力推進(jìn)系統(tǒng)，有效減小諧波的影響，提高了電網(wǎng)的穩(wěn)定性，其結(jié)果滿足船級(jí)社的要求。

圖7 波形輸出圖

表1 諧波計(jì)算結(jié)果

[1]Stefan Iden.Harmonic distortions in power system of diesel-electrical propelled ships[A].Proc.of EPE'99[C],Lausanne，1999,3:301-310.

[2]聶延生，王曉巖，汪涌泉等.交交變頻電力推進(jìn)系統(tǒng)的諧波分析[J].大連海事大學(xué)學(xué)報(bào),2004,30(1):42-44.

[3]船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)：電氣分冊(cè)/中國船舶工業(yè)總公司編.北京：國防工業(yè)出版社，1997.

[4]王兆安，楊君，劉進(jìn)軍，吉桂明．諧波抑制和無功功率補(bǔ)償[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998:25-26.

[5]S Hansen,P Nielsen,F Blaabjerg.Harmonic cancellation by mixing non-linear single-phase and three-phase loads[J].IEEE Trans.On Industry Applications,2000,36(1): 152-159.

[6]馬偉明等.中國電氣工程大典第 12卷.船舶電氣工程[M].北京:中國電力出版社，2009：329.

[7]IEEE Std 519-1992.IEEE recommended practice and requirements for harmonics control in electricalal power systems[S].IEEE,New York,1993.

[8]中國船級(jí)社.CCS鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范 第 8篇第 15章第2部分.2012.