船舶电力系统谐波的危害与治理

2011-07-03叶萍

船电技术 2011年11期

叶萍

（福建交通职业技术学院，福州350007）

1 船舶电力系统谐波生成的机理

由于现代船舶大量采用非线性负载，特别是大功率变流设备的广泛使用，使船舶电力系统产生大量的谐波。船舶电力谐波从内在机理来看，产生的原因有三类：一是含有铁磁饱和器件所产生的谐波，铁心的饱和程度越高，谐波电流就越大；二是工作在开关状态的电力电子器件所产生的谐波；三是电弧及气体光源所产生的谐波。下面从船舶电力系统的几个主要环节加以分析。

(l)发电机

发电机是船舶电器的电源。在计算和分析发电机产生的谐波时，为了方便总是假设电压波形为正弦波，而在实际交流发电机中其内部的定子和转子间的气隙受到铁心齿、槽或工艺的影响分布不均匀，磁极磁场并不是完全按正弦规律分布，因此感应电动势不是理想的正弦波，导致输出电压中含有一定的谐波。

(2)电力变压器

变压器的谐波电流是由其励磁回路的非线性引起的。铁心的磁化曲线决定了励磁电流和磁通的关系。由于铁心材料具有非线性的磁化曲线和磁化回线，所以导致产生正弦磁通的励磁电流是非线性的。变压器产生的谐波是含有全部的奇次谐波并以3次谐波为主[6]。变压器励磁电流的谐波含量与铁心饱和程度有关，也就是说和所加电压有关。在正常的情况下，谐波电流是不会太大的，但轻载时或变压器投入运行过程时以及非正常状态运行时，谐波电流都会明显增大。

(3)用电负载

船上的用电负载种类繁多，由上述三种原理产生的谐波均有，但主要还是由变流装置与带铁芯的电磁装置产生谐波。交-交变频器是现代船舶最常用的电力推进电动机驱动控制装，其功率大，谐波污染严重。在一般情况下，变频器只产生特征谐波，但由于交流阻抗不对称、交流电压畸变和脉冲不对称等原因，变频器还可能产生特征谐波以外的其他次谐波[1]。

2 船舶电力系统谐波的危害

2.1 对船舶电网的危害

船舶电网由于线路短、负荷密度大，因此谐波电流会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。而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[5]。船舶电网基本上是采用电缆输电的，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。

2.2 对船舶电气的危害

（1）变压器

谐波电流通常增加了变压器的铜损耗和铁损耗。当直流电流或低频电流流入变压器时就会使铁心严重饱和谐波电流大大增加，造成船舶电力系统电能的损失。谐波频率越高，集肤效应越严重，铁损耗就越大。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以及引起变压器绕组、线间电容之间的共振使铁心磁通饱和或歪斜，产生噪声[4]。

(2)电机

谐波对电机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。这些将缩短电机的寿命，甚至会损坏电机。

(3)电力电容器

谐波对电容器呈现出低阻抗，电容器为谐波提供了通道，谐波电流与基波叠加使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。电容器容性阻抗和系统感性阻抗还可能在某次谐波频率附近发生谐振。

(4)变流装置

船舶上的变流装置一方面是主要的谐波源，另一方面，由于谐波引起的电流变化率、电压变化率过高或产生过热效应，引起晶闸管故障，给换流装置带来影响。

(5)继电器。

船上主要的电器设备都采用继电器一接触器控制。当电网电压、电流存在高次谐波时，控制信号和幅值将会发生变化，从而控制装置发生误动作；流过电网中断路器的电流里含有较大的谐波时，断路器的开断能力降低。有的断路器的磁线圈在谐波电流严重的情况下将不能正常工作，从而使断路器无法开断以至损坏。

（6）对船用测量仪表的影响

电力测量仪表通常是按工频正弦波形设计的，当有谐波时，将会产生测量误差。仪表的原理和结构不同，所产生的误差也不同。谐波对船用兆欧表、功率因数表和频率表等也都有不同程度的影响，但这些仪表一般装置在总配电屏上，谐波分量较小，所受到的影响也较小。

2.3 船舶通信、导航设备

船舶电力系统产生的高次谐波形成了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200—3500 Hz，而供电线路的许多谐波也在这个范围内。谐波干扰会引起通信系统的噪声，降低通话清晰度。干扰严重时会引起信号丢失[3]。

船舶的导航设备和采用微电脑及其他电子元件控制的舰船自动控制系统包含了大量数字电路部件。数字电路所用逻辑元件都有各自的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，即使在排除干扰后，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的程序没遭到破坏，若地址总线受到干扰，也会有程序丢失的危险，使系统进入预想不到的状态，甚至陷入意外停机状态。

3 船舶电力系统谐波的计算

船舶电力系统的谐波计算包括基波潮流计算和谐波潮流计算，其原理是将推进变频器吸收的基波功率转化为谐波功率，变为注入电力系统的谐波电流源，产生的谐波电流在电网里重新分配。图1、图2分别为综合电力推进系统的基波计算和谐波计算的电路图。在求解基波潮流和求解谐波潮流的过程中，变频设备分别被表示为一个线性负荷和谐波电流源，其余设备等效为线性元件。全部的求解过程和结果均可采用线性迭加从而大大简化了计算.计算流程如图3所示。

图1 系统基波计算电路图

图2 系统谐波计算电路图

4 船舶电力系统谐波的治理措施

目前消除或抑制船舶电网谐波的主要途径有两条：一种是主动型谐波抑制方案，即对电力电子装置本身进行改进，使谐波源不产生或降低产生谐波。抑制方案包括增加整流器的相数、使用脉宽调制法等。另一种是被动型谐波抑制方案，即谐波负载本身不加改变，而是在电力系统或谐波负载的交流侧加装无源滤波器或有源电力滤波器，通过外加设备对电网实施谐波补偿。

4.1 主动型谐波抑制技术

（1）多重化技术

大容量变流器减少谐波的主要方法是采用多重化技术，即将多个方波叠加，以消除次数较低的谐波，从而得到接近正弦波的梯形波。如多重化整流，是几个移相了的6脉波整流关系，移相角=180°／N，N为脉波数。重数越多，波形越接近正弦波，电路结构也越复杂。这种方法一般只用于大容量场合。

（2）利用脉宽调制(PWM)技术

采用PWM技术的基本原理是在所需的频率周期内，将直流电压调制成等幅不等宽的系列交流输出电压脉冲，来达到抑制谐波的目的。PWM技术使得谐波频谱向高频移动，降低了谐波含量，可使得变流器的输入为正弦波，从而提高了功率因素。但是，在运用PWM技术的电力电子设备中，很高的开关频率不仅会使PWM载波信号产生高次谐波，还会导致高电平的传导和辐射干扰，且成本高，不适合大功率设备的应用[2]。

图3 谐波频域计算流程图

（3）高功率因数变流器

设计或采用高功率因数变流器。比如采用矩阵式变频器，四象限变流器等，可以使变流器产生的谐波非常少。但由于谐波源的多样性以及受实际电力电子器件的使用限制，要完全消除谐波是不可能的。

4.2 被动型谐波抑制技术

被动型谐波抑制技术可以分为：无源滤波器方案、有源滤波器方案以及混合滤波器方案三大类。

（1）无源滤波器方案

LC无源滤波器是目前电力系统谐波抑制普遍采用的补偿方法，通常是采用电力电容器、电抗器和电阻器按功能要求组合而成，其基本的工作原理是利用 LC谐振回路的特点抑制向电网注入的谐波电流，当谐振回路的谐振频率和某一高次谐波电流频率相同时，则可将该次谐波电流滤除，使其不会进入电网，多个不同谐振频率的谐振回路可滤除多个高次谐波电流。装设谐波补偿装置的一般方法就是采用单调谐滤波器。这种方法既可补偿谐波，又可补偿无功功率，而且结构相对简单，一直被广泛使用

（2）有源滤波器方案

有源滤波器是近几年迅速发展起来的一种抑制谐波的方案，它是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置。有源滤波器能对幅值和频率都变化的谐波以及变化的无功进行抑制补偿，其一般原理是：实时检测负载电流或电压中的谐波分量，产生一个与其幅值相同、相位相反的谐波电流或电压，并将其注入系统中使线路中的谐波相互抵消，达到滤波的目的。与无源滤波器相比，有源滤波器具有以下一些优点：

①滤波性能不受系统阻抗的影响。

②不会与系统阻抗发生串联或并联谐振，系统结构的变化不会影响治理效果。

③原理上比无源滤波器更为优越，用一台装置就能完成各次谐波的治理。

④实现了动态治理，能够迅速响应谐波的频率和大小发生的变化。

⑤由于装置本身能完成输出限制，因此即使谐波含量增大也不会过载。

⑥具备多种补偿功能，可以对无功功率和负序进行补偿。

⑦谐波补偿特性不受电网频率变化的影响。

有源电力滤波器的总体构成如图4所示。图中的补偿分量检测及PWM控制回路为对负载电流进行检测，分离出谐波电流部分，用以控制主电路输出相应的补偿电流。对主电路输出电流更好地跟踪由于负载电流变化而引起的谐波电流大小的变化。

由图4可知并联型有源电力滤波器相当于并联在电网上的受控电流源，它实时检测负载中的谐波电流，并产生与之大小相等而方向相反的谐波电流，使流入电网的谐波电流基本为零。与无源滤波器相比，有源滤波器具有滤波特性不受系统阻抗影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险，具有高度可控性和快速响应性，不仅能补偿各次谐波，还可有效抑制闪变、补偿无功功率。另外，APF具有自适应功能，可以自动跟踪补偿变化着的谐波。但是有源滤波器的运行成本较高，运行损耗大，控制系统复杂，运行效率低，容量受到限制，这是限制有源滤波器APF推广的关键地方[7]。