电力推进船舶电网谐波分析及抑制方法

摘要:电力电子技术的发展促成了船舶电力推进技术的快速发展,但同时各种非线性电力电子器件的大量使用,在船舶电力系统中产生大量的谐波,导致设备容量和线路损耗增加,使得电网质量恶化,影响了电力设备的安全经济运行。谐波污染问题日益严重,如何有效的治理谐波,将谐波控制在规范允许的限值以下,是当前具有重要现实意义和工程实践价值的课题。但是由于电力推进需要使用大容量电力电子装置，如整流、逆变设备。所有电力电子装置在实现功率控制和处理的同时．都不可避免地产生大量的谐波，很容易会对电力系统产生影响。谐波的危害非常严重。一方面，谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，导致设备过热、绝缘老化、使用寿命降低，严重时还会使设备电器和机械间产生谐振。谐波也有可能引起电力系统的局部串联或并联谐振，引起保护设备误动作。谐波在电力线路中的传输或者在设备工作中的发射还会对电网中的电子设备或通信设备产生严重的干扰；另一方面，谐波对电力电子器件以及电力电子装置本身也造成了很大的损伤。谐波会增加系统的损耗，损耗的增加直接导致系统的发热量增加，相应要求系统的散热措施要加大，造成系统的体积、成本增加。谐波还会造成装置的过电流、过电压等问题，从而影响系统的可靠性。电力滤波器可以有效地抑制电力推进船舶电网谐波。

关键词：电力电子技术，非线性电力电子器件，谐波，电力滤波器

一、概述

“谐波”一词起源于声学。有关谐波的数学分析在18世纪和19世纪已奠定了良好的基础。傅里叶等人提出的谐波分析方法至今仍在广泛采用。电力系统的谐波问题早在20世纪20年代和30年代就引起了人们的关注。当时在德国，由于使用静态汞弧而造成了电压、电流波形的畸变。1945年J.C.Read发表的有关变流器谐波的论文是早期关于谐波研究的经典论文。到了50年代和60年代E.W.Kimbark在其著作中对此进行了总结。70年代以来由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭的应有日益广泛，谐波所造成的危害也日趋严重。世界各国都对谐波问题给予充分关注，定期召开有关谐波问题的学术讨论会。国际电工委员会（IEC）和国际大电网会议都相继组成了专门的工作组，制定包括供电系统、各项电力设备和用电设备以及家用电器在内的谐波标准。近年来，配电网中整流器、变频调速装置、电弧炉、电气化铁路以及各种电力电子设备的应用不断增加。这些非线性、冲击性和不平衡性的用电特性，对供电质量造成严重的污染。另一方面，现代工业、商业以及居民用户的用电设备对电能质量的要求更加敏感，对供电质量提出了更高的要求。随着信息产业、高新技术产业的飞速发展以及传统行业采用计算机管理及先进控制技术的应用，现代数字信息对供电可靠性及个性化电能质量需求有了更高的要求。这意味着信息社会不仅依赖于电力供应，而且更需要新的特殊的电力供应。美国电力研究院(EPRI)的Narain G.Hingorani博士于1988年首先提出了“Custom Power”的新概念及其质量分成三个等级。这实质上就是计算机技术、现代控制理论和电力电子技术应用于配电系统，构成能够提供优质电力和其他不同质量的电力的配电系统以适应不同电力用户的不同要求。这是新一代柔性配电系统的发展方向。柔性配电新技术将为在电力市场条件下的电力用户提供纯净、稳定、可靠的绿色电源；同时，也提高了电能的传输效率，给供电部门带来了可观的经济效益。仅依靠过去的无源滤波技术治理谐波已不能满足要求，研究和开发适应这一要求的新技术已成为近年来电力系统领域中的热点。用户电力（Custom Power）新技术主要利用GTO、IGBT等大功率电力电子器件组成的控制设备向用户提供增值的、高可靠的、高质量的电能，提高系统的供电可靠性（减少断电次数），保证功率流质量。

二、电力推进船舶电网谐波产生的原因及造成的危害

(一)电力推进船舶电网谐波产生的原因

电力推进船舶电网中的谐波主要是由各种变流设备以及其他非线性负载产生的。当正弦基波电压(电源阻抗为零阻抗时)施加于非线性负载时，负载吸收的电流与施加的电压波形不同，畸变电流影响电流回路中的配电设施。在实际存在系统电源阻抗时，畸变电流将在阻抗上产生电压降，因为产生畸变电压，畸变电压将对所有的负载产生影响。系统中的主要谐波源有含半导体非线性元件的谐波源及含电弧和铁磁非线性设备的谐波源。前者如各种整流设备，交流调压装置，变流设备，直流拖动设备整流器，PWM变频器，相控调制变频器以及现代工业设施为节能和控制用的电力电子设备等。后者如交流电弧炉，交流电焊机，日光灯和发电机，变压器及铁磁谐振设备等。所有这些都使得电力系统的电压，电流波形发生畸变，从而产生高次谐波。

1.发电源质量不高产生谐波

发电源质量不高产生谐波。由于发电机的三相绕组无法做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致，因此发电源会产生一些谐波。但一般较少。

2.输配电系统产生谐波

输配电系统产生谐波。输配电系统中主要是电力变压器产生谐波。由于变压器铁心的饱和、磁化曲线的非线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，使得磁化电流呈尖顶波形，含有奇次谐波，以3次谐波为主，其大小与磁路的结构形式、铁心的饱和程度有关。铁心的饱和程度越高，变压器工作点偏离线性越远，谐波电流就越大。

3.用电设备产生的谐波

用电设备产生的谐波。越来越多具有非线性特性的电气设备被应用于船舶上。即使电源供给这些设备的是正弦波形的电压．但由于它们具有非线性的电压-电流特性。使得流过电网的电流波形是非正弦的，即产生了谐波，使电网电压严重失真。

4.船舶上应用的元器件产生的高次谐波

在船舶上产生高次谐波的元件很多．例如舵机系统、冰库制冷系统、辅锅炉系统中的变流设备。最为严重的是电力推进系统中采用变频器调速和串级调速的交流电动机调速系统以及采用晶闸管变流的直流电动机调速系统等。都有大型的变流装置，它们产生的高次谐波电流尤为突出，是造成船舶电力系统中谐波干扰的最主要因素。

(二)电力推进船舶电网谐波造成的危害

随着电力电子装置在船舶上的广泛应用，电力电子装置已成为网络中最大的谐波源。而谐波对电力系统会造成非常严重的影响，对船舶电网和主要设备都会产生不同程度的危害。

1.对船舶电网的影响

与陆上电网相比，船舶电网线路短、负荷密度大，高次谐波电流在线路阻抗上形成谐波电压降落，产生有功功率和无功功率损耗，但数值不大。船舶电网主要由电缆构成。对于此类输电系统，谐波除了引起附加损耗外，还可能使电压波形出现尖峰，从而加速电缆绝缘的老化，引起浸渍绝缘的局部放电，也使介质损耗增加、温升增高，缩短电缆的使用寿命。最严重的是，高次谐波可能在船舶电力系统中发生电压谐振．引起线路过电压，可能击穿电缆、导线及设备的绝缘，引起重大事故。

2.对船舶主要负荷的影响

船舶电力系统的主要负荷是电机。电网中含高次谐波时，会使电机内部产生高频磁场，使运行中的电机发热、损耗增加、效率降低。此外，当电机中谐波电流频率接近于某些零部件的固有振动频率时，会产生机械共振、噪声和谐波过电压。这些都将缩短电机的寿命，情况严重时甚至会损坏电机。

在电力推进系统中，同步电机占了很大容量，对同步电机来说，定子绕组

流过谐波电流后将产生与谐波频率相对应的旋转磁场，在转子绕组中感应出谐

波电流。对隐极电机来说，谐波电流主要在转子的槽楔、齿和转子端部的套箍

上流动。对凸极电机来说，谐波电流主要在极靴中流动。由于谐波频率高，集

肤效应显著，因此谐波电流只在上述转子各部件的表层流动，所以转子中的阻

尼绕组、槽楔、齿和套箍最容易受到谐波电流的损害。谐波发热对隐极电机的

影响要比对凸极电机的影响严重得多。集肤效应使得定子绕组中的谐波电流的分布也很不均匀。定子双层绕组中沿槽高度的上层线棒内的谐波损耗可能比下层线棒内高几倍。但对电机而言，谐波损耗主要还是在转子中。

异步电机的定子绕组流入正序和负序谐波电流IⅡ时，形成正向或反向以n倍同步转速旋转的磁场。正序分量谐波电流将产生正向转矩，和基波正序分量转矩方向相同。负序分量谐波电流将产生相反方向的转矩。由于谐波分量一般并不大，因此产生的转距也很小，而且正序和负序谐波电流产生的转矩相互抵消一部分，所以谐波电流产生的平均转矩可以忽略，但是它产生的脉动转矩却会引起电机的机械振动和噪声。

谐波对变压器的影响主要是引起附加损耗和过热，其次是产生机械振动、噪声和谐波过电压。变压器励磁电流中的谐波电流通常不大于额定电流的1％，且其作用是使磁通为正弦波，因此并不引起变压器铁损耗增大。变压器在刚通电过程中谐波电流可能很大，但历时很短，一般也不会形成危害。但当发生谐振时，就有可能危及变压器的安全．当直流电流或低频电流流入变压器时，会使铁心严重饱和，励磁电流中的谐波电流就会大大增加，会使变压器受到危害。谐波源的谐波电流流入变压器时，对其主要影响是增加了它的铜损耗和铁损耗。随着谐波频率的增高，集肤效应更加严重，铁损耗也更大。因此高次谐波分量比低次谐波分量更易引起变压器的发热。谐波电流还会引起变压器外壳、外层硅钢片和某些紧固件的发热，并有可能引起变压器局部严重过热。谐波还会引起变压器的噪声增大。

对电力电容器的影响，在船舶电站中常采用电力电容器补偿感性负载导致的功率因数下降。高次谐波对电容器的影响最为突出，高次谐波对电容器呈现出低阻抗，电容器为高次谐波提供了通道，谐波电流与基波叠加，通过电容器的总电流增加，持续的过流使电容器温升增加、寿命缩短，严重时使电容器损坏、甚至爆炸。另外，电容器容性阻抗和系统感性阻抗可能在某次谐波频率附近发生谐振。

船舶上的变流装置一方面是主要的谐波源，产生特征和非特征谐波并注入电网；另一方面，由于谐波引起控制系统误差，电流变化率、电压变化率过高或产生过热效应，都会引起晶闸管故障，给换流装置带来影响。某些受控的变流器的控制逻辑往往因畸变电压而导致运行误差。

电力系统中的谐波会改变继电保护设备的性能，引起误动作或拒绝动作。

高次谐波会产生电磁干扰，影响通讯网络的电磁效应和正常的通讯载波工作，导致敏感设备故障，因此通常需要采用独立的清洁电源(如UPS等)对船舶敏感设备供电。对船舶通信、电子设备的影响船舶通讯包括与外界的无线通讯和船舶内部的有线电话通讯。高次谐波形成对通讯设备和线路的干扰信号，影响通讯网络的电磁效应和正常的通讯载波工作。如对电话线路而言，音频通道的工作频率约为300．3000Hz，而供电线路的许多谐波就在这个范围内．由于电力线路和电话线路的功率差别很大，所以供电系统的谐波将引起可以察觉、有时甚至是不能允许的电话杂音。船舶的导航设备和采用微电脑及其它电子元件控制的船舶自动控制系统包含了大量数字电路部件。它们都要求可靠和稳定的工作，特别是导航设备。数字电路所用逻辑元件都有各自的阀电平和与之相对应的干扰信号容限，如果谐波的干扰超过其容限，就可能破坏触发器和存储器保存的信息，排除干扰后，它仍会在系统内部的存储器件里留下痕迹，系统也不会再恢复到原来的工作状态。即使含有微处理器的系统里程序没遭破坏，若地址总线受到干扰，也会有程序丢失的危险，使系统进人预想不到的状态，甚至陷入意外停机状态。因此高次谐波对导航等电子设备危害是严重的。

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