电力推进船舶电网谐波控制

王平阳，赖晓阳，徐红成



电力推进船舶电网谐波控制

王平阳1，赖晓阳1，徐红成2

（1.上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海200240；2.上海佳豪船舶工程设计股份有限公司，上海201612）

电力推进船舶电网中，电力电子设备得到了广泛的应用。同时，船舶电网的谐波问题也愈发突出。本文介绍了谐波控制国家标准和各国船级社对船舶电网 THDu (电压总谐波畸变率)的要求， 分析了船舶电网中的主要谐波来源， 重点介绍两种常用谐波抑制技术并比较其优 缺点，为电力推进船舶电网谐波控制提出了建议。

电力推进 谐波控制 移相变压器 AFE

0 引言

二十世纪六十年代以来, 尤其从八十年代中后期至今, 随着半导体器件和交流电动机调速技术的进步,电力推进系统在船舶上的应用迎来了一个高速发展时期。由于采用了大量的 非线性装置， 如整流、 逆变设备，使船舶电网上的谐波污染越来越严重。 谐波污染降低了 电网电能质量、使发电机产生附加损耗， 直接影响到船舶电力推进系统运行的安全性、 经济性与可靠性。 同时船舶电网与船舶各用电系统均紧密联系，船舶电网质量会对船舶性能产生很大影响。

1 谐波的限值标准

目前我国已颁布有关谐波控制的国家标准，即中华人民共和国国家标准 GB/T14549-1993《 电能质量-公用电网谐波 》，对公共电网低压电压总谐波畸变率 (THDu) 限定在5%以下[1]。

由于船舶整体环境复杂，船舶电网相对于公共电网是独立存在的，因此其谐波的主要考察指标是谐波电压值。各国船级社规范中也对船舶电网中谐波电压值都有明确规定：

1) 英国劳氏船级社 (LR) 规范规定，电压波形的总谐波失真 (THD)在所有频率直至50倍用电频率时, 不应超过基波的8%，且在 25 倍以上用电频率的任一频率的电压不应超过用电电压基波的 1.5%。

2) 中国船级社 (CCS) 规范规定，对于有半导体器件运行的电网，单次谐波至 15次的谐波应不超过基波电压的 5%，其后逐渐减少， 在100次谐波时应减少到1%。

3) 挪威船级社 (DNV) 规范规定, 船舶电网中电压波形的总谐波失真不应超过基波电压的 5%，单相谐波不应超过 3%。

二是生源保障。区县政府要按照普职比大体相当的要求科学规划职业教育和基础教育规模，适当限制本区县普通高中学校规模，特别是部分初中学校的“戴帽高中”，从而扩大中职学校招生空间。树立正确舆论导向，广泛宣传政策，在中小学中适当增加职业教育内容和综合实践课程，深化学生及家长对职业教育的认识，提高职业教育的社会认可度。

4) 意大利船级社 (RINA) 规范规定，对于包含半导体变换器供电装置的电网， 15 次及以下的谐波不允许超过基波电压的 5%，其后逐渐减少，在 100次谐波时下降到 1%，总谐波不超过 10%。

2 主要谐波源

在电力推进船舶中， 电网中的谐波主要是由非线性负载引起的。 电网中的电力电子设备 、电机和变压器等负载也会产生大量谐波。

2.1电机

船舶电网中运行的电机包括发电机和电动机，其中使用较为广泛的是同步发电机和异步电动机。 发电机作为船舶电网的电源， 其发出的理想电压波形是正弦波， 但在船舶实际工况中， 发电机的输出电压包含一定量的谐波。 这是由交流发电机结构造成的，发电机中转 子和定子间气隙受到铁心、齿槽和制造工艺的影响，磁极磁场在发电机中的分布并不规律 ，因此无法得到理想的正弦波形产生谐波。 国际电工委员会规定， 发电机输出端电压在任何 时刻与基波电压的波形之差应小于等于基波幅值的 5%。

结构问题是导致电动机和发电机产生谐波的主要原因。 正常运行下电动机的谐波发生量较少，一般在0.6%以下。随着电机设计和制造水平的提高其谐波问题将会得到很好的抑制。单个的发电机或电动机谐波发生量较低，但是对于船舶电网来说，发电机和电动机的整 体负载值较大，成为电网中主要谐波来源之一。

2.2变压器

船用变压器是船舶电网中的主要谐波源之一。 铁磁饱和特性即电网所加电压是导致船 用变压器产生谐波的主要原因。 船用变压器所用的磁性材料一般都运行在非线性或接近非 线性区域内，导致由铁心磁化材料决定的励磁电流是非线性的 。通过分析可知，船用变压 器励磁电流的谐波中含有全部的奇次谐波，其中 3次 谐波最为严重。 船用变压器在正常运 行时， 谐波电流比较小； 而当变压器起动或非正常运行、 轻载运行时，谐波电流都会有明 显的增加， 且此谐波的衰减速度比较缓慢，对船舶电网的冲击较大。

2.3电力电子设备

在船舶电力系统中， 大量使用电力电子设备这种非线性负载会给电网带来严重的谐波问题。 船舶电力推进的调速系统需通过变频器实现，而推进系统所用的变频器一般是船舶 电网中最大的负荷，是电网中谐波干扰的最主要来源。变频器在工作过程中，由于不断变换 电流电压使得输入电压、 电流之间失去了比例关系， 导致电网中电流电压波形的非正弦畸 变。 这些畸变的电流电压波形产生的谐波会影响到整个船舶电网的正常运行， 引起设备附 加损耗、过热温升。

3 谐波控制方法

对于电力推进船舶，抑制和消除船舶电网中由变频器产生的波形畸变，可以在很大程度上改善电力推进船舶的谐波问题。 结合电力推进船舶设计建造情况， 可以通过预防型谐波 抑制方案进行控制治理。 预防型谐波抑制方案是从船舶自身设备的设计与制造出发，对其本身进行改进，限制其产生谐波的含量或不产生谐波。

目前国内电力推进船舶上主要采用的是电压源型交-直-交变频器。 为了达到抑制电网总谐波畸变率 (THDu) 的目的，常用的有多相整流、有源前端等技术。

1)多相整流技术

变频器中的整流器一般为三相全控整流，即6脉冲整流，会产生5、7、11、13 等次谐波，谐波含量很大。因此为了有效减少谐波，需要在变频器前面加上移 相变压器组成12脉冲、24脉冲的结构。移相变压器的工作原理是利用三相变压器一 次、 二次侧绕组不同的联结组别来实现二次侧绕 组电压的不同移相, 并通过相位角和相数的变换 , 使变压器二次绕组的同名端线电压之间有一个相位移 。

当相位移角为30 °时， 组成的 12 脉冲三相电路如下图，可以消除 5、7、17、19、、29、31 次谐波， 总谐波量可减少 50%；

当相位移角为15°时，组成的 24 脉冲三相电路如下图。这种变频器由两组变压器通过四组 6 脉整流桥构成，一套变压器的原级绕组具有约 +7.5°角度偏移，第二套变压器的原级绕组则具有约 -7.5°角度偏移，当两套变压器同时工作时可构成 24 脉冲整流回路，可以消除 11、13、35、37 次谐波，总谐波量可减少 80%～90% 。

在采用双机双桨的船舶电力推进系统中，若每台推进器都是用12脉冲变频器拖动，则对于整个电网相当于配置了虚拟 24 脉冲变频器。

为满足各国船级社对电网谐波的要求， 多相脉冲整流技术在电力推进船舶中得到较为广泛的应用。当前 12 脉冲整流基本可以将输入电流总谐波失真控制在 10% 左右，24 脉冲则可以控制在 5% 以内，达到非常明显的谐波抑制效果。

2)有源前端(AFE)技术

与多相多脉冲变频采用不可控二极管整流装置不同， AFE(Active Front End) 变频在整流输入端采用可控型电力电子器件 IGBT， 利用 PWM 整流器实现 AC/DC 的电能变换。当正弦 信号的频率和输入的电源频率相同时， 输入电流也是正弦波， 此时功率因数接近于 1， 减少了谐波电流。 利用相应的控制方式可以使输入电压和电流保持同相或反相， 从而使前端 整流器工作在逆变或者整流状态。当负载电动机 (即推进电机) 工作在制动状态时，PWM 整流器处于逆变运行状态，从而把电能反馈到电网中。 当负载电动机 (即推进电机) 工作在电动状态时，PWM 整流器工作在整流状态， 通过变频器电网中的能量传输到电动机， 从而通过 PWM 整流器实现能量的双向流动。

相比其它类型的电力推进方式，AFE变频不需要移相变压器，变频器的功率因数得以控制， 输入电压电流波形近似为正弦波， 接近于完美无谐波， 谐波影响已经很小。通常情况 下总电流谐波失真 (THDi) 小于5％，总电压谐波失真 (THDu) 小于2％，远低于规范规定的 THDu ≤5%的要求 (船级社对于总电流谐波失真没有明确要求)。因此对于基于 AFE 交流变频的电力推进系统的谐波计算可以大大简化， 减少了工程设计的工作量 。

3)多相整流技术与AFE技术的谐波抑制性能对比

在实际应用中，多相整流技术和 AFE 技术都可以使船舶电网电压总谐波畸变率达到各国船级社的要求。但在具体性能和投入成本上两种技术仍有不同。

经过多年实际应用，多相整流是抑制电力推进船舶电网谐波的有效方法， 而且相数越多、相移角越小，最终变频器注入电网的谐波含量越小。 电力电子技术成本随着其技术发展在不断降低，高脉冲变频器在电力推进船舶中得到更为广泛应用。大多数电力推进船型采用12脉冲或24脉冲甚至更高脉冲的变频装置，从而使船舶电网达到更好的谐波抑制指标。

AFE 变频器的整流端采用可控型电子器件IGBT替代不可控电子器件二极管，取消移相变压器，保证了船舶电网的电能质量更为纯净，总电压谐波失真更低。但是由于目前船舶电力 推进系统研发中， 核心半导体功率器件研制技术基本都掌握在国外厂家手中， 因此初期投入成本较大。在投入允许和技术准备成熟的情况下， 鉴于AFE变频器的诸多优点， 其会在电力推进船舶上得到越来越多的应用

[1] 程浩忠. 电能质量概论[M]. 北京:中国电力出版社, 2008.

[2] 中国船级社. 钢制海船入级规范2012(第5分册). 北京:人民交通出版社, 2012:8-103.

[3] 陈伯时. 电力拖动自动控制系统-运动控制系统[M]. 北京: 机械工业出版社, 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

王平阳(1984-)，女，工程师。研究方向：电力电子与电力传动。