王平陽，賴曉陽，徐紅成

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電力推進船舶電網(wǎng)諧波控制

王平陽1，賴曉陽1，徐紅成2

（1.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海200240；2.上海佳豪船舶工程設(shè)計股份有限公司，上海201612）

電力推進船舶電網(wǎng)中，電力電子設(shè)備得到了廣泛的應(yīng)用。同時，船舶電網(wǎng)的諧波問題也愈發(fā)突出。本文介紹了諧波控制國家標準和各國船級社對船舶電網(wǎng) THDu (電壓總諧波畸變率)的要求， 分析了船舶電網(wǎng)中的主要諧波來源， 重點介紹兩種常用諧波抑制技術(shù)并比較其優(yōu) 缺點，為電力推進船舶電網(wǎng)諧波控制提出了建議。

電力推進 諧波控制 移相變壓器 AFE

0 引言

二十世紀六十年代以來, 尤其從八十年代中后期至今, 隨著半導(dǎo)體器件和交流電動機調(diào)速技術(shù)的進步,電力推進系統(tǒng)在船舶上的應(yīng)用迎來了一個高速發(fā)展時期。由于采用了大量的 非線性裝置， 如整流、 逆變設(shè)備，使船舶電網(wǎng)上的諧波污染越來越嚴重。 諧波污染降低了 電網(wǎng)電能質(zhì)量、使發(fā)電機產(chǎn)生附加損耗， 直接影響到船舶電力推進系統(tǒng)運行的安全性、 經(jīng)濟性與可靠性。 同時船舶電網(wǎng)與船舶各用電系統(tǒng)均緊密聯(lián)系，船舶電網(wǎng)質(zhì)量會對船舶性能產(chǎn)生很大影響。

1 諧波的限值標準

目前我國已頒布有關(guān)諧波控制的國家標準，即中華人民共和國國家標準 GB/T14549-1993《 電能質(zhì)量-公用電網(wǎng)諧波 》，對公共電網(wǎng)低壓電壓總諧波畸變率 (THDu) 限定在5%以下[1]。

由于船舶整體環(huán)境復(fù)雜，船舶電網(wǎng)相對于公共電網(wǎng)是獨立存在的，因此其諧波的主要考察指標是諧波電壓值。各國船級社規(guī)范中也對船舶電網(wǎng)中諧波電壓值都有明確規(guī)定：

1) 英國勞氏船級社 (LR) 規(guī)范規(guī)定，電壓波形的總諧波失真 (THD)在所有頻率直至50倍用電頻率時, 不應(yīng)超過基波的8%，且在 25 倍以上用電頻率的任一頻率的電壓不應(yīng)超過用電電壓基波的 1.5%。

2) 中國船級社 (CCS) 規(guī)范規(guī)定，對于有半導(dǎo)體器件運行的電網(wǎng)，單次諧波至 15次的諧波應(yīng)不超過基波電壓的 5%，其后逐漸減少， 在100次諧波時應(yīng)減少到1%。

3) 挪威船級社 (DNV) 規(guī)范規(guī)定, 船舶電網(wǎng)中電壓波形的總諧波失真不應(yīng)超過基波電壓的 5%，單相諧波不應(yīng)超過 3%。

二是生源保障。區(qū)縣政府要按照普職比大體相當?shù)囊罂茖W(xué)規(guī)劃職業(yè)教育和基礎(chǔ)教育規(guī)模，適當限制本區(qū)縣普通高中學(xué)校規(guī)模，特別是部分初中學(xué)校的“戴帽高中”，從而擴大中職學(xué)校招生空間。樹立正確輿論導(dǎo)向，廣泛宣傳政策，在中小學(xué)中適當增加職業(yè)教育內(nèi)容和綜合實踐課程，深化學(xué)生及家長對職業(yè)教育的認識，提高職業(yè)教育的社會認可度。

4) 意大利船級社 (RINA) 規(guī)范規(guī)定，對于包含半導(dǎo)體變換器供電裝置的電網(wǎng)， 15 次及以下的諧波不允許超過基波電壓的 5%，其后逐漸減少，在 100次諧波時下降到 1%，總諧波不超過 10%。

2 主要諧波源

在電力推進船舶中， 電網(wǎng)中的諧波主要是由非線性負載引起的。 電網(wǎng)中的電力電子設(shè)備 、電機和變壓器等負載也會產(chǎn)生大量諧波。

2.1電機

船舶電網(wǎng)中運行的電機包括發(fā)電機和電動機，其中使用較為廣泛的是同步發(fā)電機和異步電動機。 發(fā)電機作為船舶電網(wǎng)的電源， 其發(fā)出的理想電壓波形是正弦波， 但在船舶實際工況中， 發(fā)電機的輸出電壓包含一定量的諧波。 這是由交流發(fā)電機結(jié)構(gòu)造成的，發(fā)電機中轉(zhuǎn) 子和定子間氣隙受到鐵心、齒槽和制造工藝的影響，磁極磁場在發(fā)電機中的分布并不規(guī)律 ，因此無法得到理想的正弦波形產(chǎn)生諧波。 國際電工委員會規(guī)定， 發(fā)電機輸出端電壓在任何 時刻與基波電壓的波形之差應(yīng)小于等于基波幅值的 5%。

結(jié)構(gòu)問題是導(dǎo)致電動機和發(fā)電機產(chǎn)生諧波的主要原因。 正常運行下電動機的諧波發(fā)生量較少，一般在0.6%以下。隨著電機設(shè)計和制造水平的提高其諧波問題將會得到很好的抑制。單個的發(fā)電機或電動機諧波發(fā)生量較低，但是對于船舶電網(wǎng)來說，發(fā)電機和電動機的整 體負載值較大，成為電網(wǎng)中主要諧波來源之一。

2.2變壓器

船用變壓器是船舶電網(wǎng)中的主要諧波源之一。 鐵磁飽和特性即電網(wǎng)所加電壓是導(dǎo)致船 用變壓器產(chǎn)生諧波的主要原因。 船用變壓器所用的磁性材料一般都運行在非線性或接近非 線性區(qū)域內(nèi)，導(dǎo)致由鐵心磁化材料決定的勵磁電流是非線性的 。通過分析可知，船用變壓 器勵磁電流的諧波中含有全部的奇次諧波，其中 3次 諧波最為嚴重。 船用變壓器在正常運 行時， 諧波電流比較?。?而當變壓器起動或非正常運行、 輕載運行時，諧波電流都會有明 顯的增加， 且此諧波的衰減速度比較緩慢，對船舶電網(wǎng)的沖擊較大。

2.3電力電子設(shè)備

在船舶電力系統(tǒng)中， 大量使用電力電子設(shè)備這種非線性負載會給電網(wǎng)帶來嚴重的諧波問題。 船舶電力推進的調(diào)速系統(tǒng)需通過變頻器實現(xiàn)，而推進系統(tǒng)所用的變頻器一般是船舶 電網(wǎng)中最大的負荷，是電網(wǎng)中諧波干擾的最主要來源。變頻器在工作過程中，由于不斷變換 電流電壓使得輸入電壓、 電流之間失去了比例關(guān)系， 導(dǎo)致電網(wǎng)中電流電壓波形的非正弦畸 變。 這些畸變的電流電壓波形產(chǎn)生的諧波會影響到整個船舶電網(wǎng)的正常運行， 引起設(shè)備附 加損耗、過熱溫升。

3 諧波控制方法

對于電力推進船舶，抑制和消除船舶電網(wǎng)中由變頻器產(chǎn)生的波形畸變，可以在很大程度上改善電力推進船舶的諧波問題。 結(jié)合電力推進船舶設(shè)計建造情況， 可以通過預(yù)防型諧波 抑制方案進行控制治理。 預(yù)防型諧波抑制方案是從船舶自身設(shè)備的設(shè)計與制造出發(fā)，對其本身進行改進，限制其產(chǎn)生諧波的含量或不產(chǎn)生諧波。

目前國內(nèi)電力推進船舶上主要采用的是電壓源型交-直-交變頻器。 為了達到抑制電網(wǎng)總諧波畸變率 (THDu) 的目的，常用的有多相整流、有源前端等技術(shù)。

1)多相整流技術(shù)

變頻器中的整流器一般為三相全控整流，即6脈沖整流，會產(chǎn)生5、7、11、13 等次諧波，諧波含量很大。因此為了有效減少諧波，需要在變頻器前面加上移 相變壓器組成12脈沖、24脈沖的結(jié)構(gòu)。移相變壓器的工作原理是利用三相變壓器一 次、 二次側(cè)繞組不同的聯(lián)結(jié)組別來實現(xiàn)二次側(cè)繞 組電壓的不同移相, 并通過相位角和相數(shù)的變換 , 使變壓器二次繞組的同名端線電壓之間有一個相位移 。

當相位移角為30 °時， 組成的 12 脈沖三相電路如下圖，可以消除 5、7、17、19、、29、31 次諧波， 總諧波量可減少 50%；

當相位移角為15°時，組成的 24 脈沖三相電路如下圖。這種變頻器由兩組變壓器通過四組 6 脈整流橋構(gòu)成，一套變壓器的原級繞組具有約 +7.5°角度偏移，第二套變壓器的原級繞組則具有約 -7.5°角度偏移，當兩套變壓器同時工作時可構(gòu)成 24 脈沖整流回路，可以消除 11、13、35、37 次諧波，總諧波量可減少 80%～90% 。

在采用雙機雙槳的船舶電力推進系統(tǒng)中，若每臺推進器都是用12脈沖變頻器拖動，則對于整個電網(wǎng)相當于配置了虛擬 24 脈沖變頻器。

為滿足各國船級社對電網(wǎng)諧波的要求， 多相脈沖整流技術(shù)在電力推進船舶中得到較為廣泛的應(yīng)用。當前 12 脈沖整流基本可以將輸入電流總諧波失真控制在 10% 左右，24 脈沖則可以控制在 5% 以內(nèi)，達到非常明顯的諧波抑制效果。

2)有源前端(AFE)技術(shù)

與多相多脈沖變頻采用不可控二極管整流裝置不同， AFE(Active Front End) 變頻在整流輸入端采用可控型電力電子器件 IGBT， 利用 PWM 整流器實現(xiàn) AC/DC 的電能變換。當正弦 信號的頻率和輸入的電源頻率相同時， 輸入電流也是正弦波， 此時功率因數(shù)接近于 1， 減少了諧波電流。 利用相應(yīng)的控制方式可以使輸入電壓和電流保持同相或反相， 從而使前端 整流器工作在逆變或者整流狀態(tài)。當負載電動機 (即推進電機) 工作在制動狀態(tài)時，PWM 整流器處于逆變運行狀態(tài)，從而把電能反饋到電網(wǎng)中。 當負載電動機 (即推進電機) 工作在電動狀態(tài)時，PWM 整流器工作在整流狀態(tài)， 通過變頻器電網(wǎng)中的能量傳輸?shù)诫妱訖C， 從而通過 PWM 整流器實現(xiàn)能量的雙向流動。

相比其它類型的電力推進方式，AFE變頻不需要移相變壓器，變頻器的功率因數(shù)得以控制， 輸入電壓電流波形近似為正弦波， 接近于完美無諧波， 諧波影響已經(jīng)很小。通常情況 下總電流諧波失真 (THDi) 小于5％，總電壓諧波失真 (THDu) 小于2％，遠低于規(guī)范規(guī)定的 THDu ≤5%的要求 (船級社對于總電流諧波失真沒有明確要求)。因此對于基于 AFE 交流變頻的電力推進系統(tǒng)的諧波計算可以大大簡化， 減少了工程設(shè)計的工作量 。

3)多相整流技術(shù)與AFE技術(shù)的諧波抑制性能對比

在實際應(yīng)用中，多相整流技術(shù)和 AFE 技術(shù)都可以使船舶電網(wǎng)電壓總諧波畸變率達到各國船級社的要求。但在具體性能和投入成本上兩種技術(shù)仍有不同。

經(jīng)過多年實際應(yīng)用，多相整流是抑制電力推進船舶電網(wǎng)諧波的有效方法， 而且相數(shù)越多、相移角越小，最終變頻器注入電網(wǎng)的諧波含量越小。 電力電子技術(shù)成本隨著其技術(shù)發(fā)展在不斷降低，高脈沖變頻器在電力推進船舶中得到更為廣泛應(yīng)用。大多數(shù)電力推進船型采用12脈沖或24脈沖甚至更高脈沖的變頻裝置，從而使船舶電網(wǎng)達到更好的諧波抑制指標。

AFE 變頻器的整流端采用可控型電子器件IGBT替代不可控電子器件二極管，取消移相變壓器，保證了船舶電網(wǎng)的電能質(zhì)量更為純凈，總電壓諧波失真更低。但是由于目前船舶電力 推進系統(tǒng)研發(fā)中， 核心半導(dǎo)體功率器件研制技術(shù)基本都掌握在國外廠家手中， 因此初期投入成本較大。在投入允許和技術(shù)準備成熟的情況下， 鑒于AFE變頻器的諸多優(yōu)點， 其會在電力推進船舶上得到越來越多的應(yīng)用

[1] 程浩忠. 電能質(zhì)量概論[M]. 北京:中國電力出版社, 2008.

[2] 中國船級社. 鋼制海船入級規(guī)范2012(第5分冊). 北京:人民交通出版社, 2012:8-103.

[3] 陳伯時. 電力拖動自動控制系統(tǒng)-運動控制系統(tǒng)[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2003:165.

Harmonic Control of Electric Propulsion Ship

Wang Pingyang1, Lai Xiaoyang1, Xu Hongcheng2

(1. SEIEE, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 2. Shanghai BESTWAY ,Shanghai 201612, China)

Power electronics are widely used in power system of electric propulsion ships. In the meantime, the harmonics in the electric power system are more serious. This paper introduces the requirements of the electric power’s THDu in the national standards & classification society, analyzes the main sources of harmonic in marine power system, and puts forward two technologies of harmonic control and compare their advantages and disadvantages.

electric propulsion; harmonic control; phase-shifting transformer; AFE

TM48

A

1003-4862（2015）03-0048-04

2015-01-06

王平陽(1984-)，女，工程師。研究方向：電力電子與電力傳動。