电力推进船舶的电能质量探讨

丁长健，王 乐，程 武，邱 赟，吴国栋

（1. 中海油基地集团采油服务公司，天津 300452；2. 上海船舶设备研究所，上海 200031）

0 引言

随着电力电子技术的迅速发展，电力推进技术在各类船舶上得到了广泛应用。电力推进船舶的推进系统为大容量的非线性负载，推进负荷一般也是全船最大的电力负荷。推进系统产生的谐波电流及负荷变化所引起的电能质量问题日益突出，其会对各种精密设备（如通讯、导航、监测报警和科考仪器等）造成不良影响，日用电器也会因电能质量下降而缩短使用寿命。电能质量已经成为电力推进船舶必须重视的问题，需综合考虑整个船舶电网的设计，优化推进系统的选型、配置与运行工况。

本文针对电力推进船舶的特点，对由非线性负载引起的电能质量问题进行探讨，提出电力推进船舶的设计意见，为船舶综合全电力推进系统的选型、论证、设计和验收提供参考。

1 电力推进船舶电能质量要求

IEEE协调委员会对电能质量的技术定义为：合格的电能质量是指给敏感设备提供的电力和设置的接地系统均是适合该设备正常工作的[1-2]。通常电能质量分类包括：电压偏差、频率偏差、谐波、电压波动与闪变、三相不平衡、电压暂降、暂时过电压和瞬态过电压等。

船舶电网属于容量有限的独立电网，典型的电力推进船舶电网单线图如图 1所示。船舶供电电源一般为柴油发电机组。与陆上电网有较大不同的是，船舶电源阻抗随着在网发电机的台数不同而发生变化，且变化范围较大，因此其电能质量有一定的特殊性。除传统的船舶电网较多关注的频率和电压的偏差外，电力推进船舶的电能质量问题中，谐波问题更为突出。

图1 典型电力推进船舶电网单线图

针对船舶电网，中国船级社《钢质海船入级规范（2015版）》第4篇第 1章规定：电压稳态波动范围−10%～+6%，瞬态±20%，恢复时间1.5 s；频率稳态波动范围±5%，瞬态±10%，恢复时间5 s；交流电气设备应能在供电电源的电压谐波成分不大于 5%的情况下正常工作；当电源的谐波成分可能大于5%时，应注意设备选择，保证其正常工作。对于电力推进船舶，第8篇第15章规定：对于有半导体变换器装置运行的网络，单次谐波至 15次的谐波应不超过标称电压的5%，其后逐渐减少，在 100次谐波时应减少到 1%；对于专用的系统，例如为电力推进供电的配电板，总的电压畸变应不超过10%[3]。

2 电力推进船舶的电能质量问题

电力推进船舶的电能质量问题主要由大容量负载起停和非线性负载引起，分析问题的起因和应对措施有助于改善电能质量。

2.1 电压暂降

电压暂降一般指供电电压均方根值在短时间突然下降到额定值90%～10%的事件，瞬时吸收电能产生的大电流是引起电压暂降的主因。电力推进船舶运行工况复杂，电网电压除了受设备正常工作起停的影响外，还受到船舶航行工况的影响，经常出现的加速、转向、急停避让等工况都会引起电压波动。

电压暂降对电子设备的危害较大。船舶上大量的工业计算机、控制器及通讯导航等电子设备具有相似的电源结构，一般由二极管整流器和DC/DC调节器组成，如图2所示。

图2 电子设备电源结构

正常工作时，交流电经过整流后，由电容器减小直流电压纹波，再经过DC/DC调节输出设备可用的直流电压。电压暂降会导致整流后的直流侧电压过低，DC/DC输出难以维持定值而影响设备的正常工作。

船舶电网电压暂降最严重的情况一般发生在大容量变压器空载合闸引起励磁涌流和大容量感应电动直接启动的时候。推进变压器的容量可能与单台发电机组相当，在空载合闸时产生较大的冲击电流，如图 3所示，该电流会引起较大的电压跌落，甚至引起断路器过电流保护动作而跳闸。为了防止这一现象出现，船舶上一般对大容量变压器进行预充磁操作。通常设置预充磁变压器，先通过预充磁变压器将推进变压器接入电网，产生较小的电流使推进变压器建立磁场，数秒之后再闭合推进变压器开关，分断预充磁电路，完成推进变压器的启动。

图3 变压器励磁涌流引起的电压暂降

大容量感应电动机直接启动的电流一般是额定电流的5倍～7倍，也会引起电压暂降。船舶电网中容许直接启动的电动机至少需小于发电机组额定功率的40%。为保证电能质量，实际设计中还要降低这一比例。推进电机一般由变频器启动，这样可有效降低对电网的冲击，但转速与功率的突加会短时吸收大量电能，引起电压波动。为了平衡船舶操纵性能，控制系统会限制推进电机的加载时间，既保证船舶的推进能力，又防止加载过快引起电压暂降。此外，其他的大容量电机，如水泵、风机的驱动电机等，也可配置变频器或者软起动器，避免直接启动。

2.2 谐波

谐波是电力推进船舶最严重的电能质量问题之一。电压总谐波畸变率（THDv）是考核电压谐波畸变的重要指标。在电力推进技术广泛使用之前，船级社规范规定THDv≤5%。由于电力推进的非线性负载可达电网容量的80%左右，各船级社都放大了这一指标，中国船级社于2009年将推进系统供电母排的THDv修改为≤10%。但日用电网汇流排上的THDv值还要求≤5%。

电子设备（如雷达和声呐）对电源电压的谐波特别敏感。有些设备需要观察阴极射线管屏幕上的图像，图像的位置取决于加在射线管上的电压瞬时值，图像随着电压变化。电源电压谐波会在信号中产生噪声，造成干扰，导致设备输出错误的信号。

对推进设备的设计选型可以有效地抑制谐波。谐波抑制可以分为主动和被动两种。主动谐波抑制从推进变频器的结构入手，采用不控整流可通过增加脉波数降低谐波含量。三相桥式整流电路可直接形成6脉波整流，但谐波含量较高。2个或者更多的6脉波整流器经相位移动并联变压器可组成12脉、24脉波整流。一个p脉波整流器由p/6个6脉波整流器构成，这些6脉波整流器通过一个（p/6+1）绕组的变压器供电，变压器二次绕组之间的相位移为360°/p。一个p脉波整流器将产生的谐波次数为：h=pn±1（n=1,2,3…）。例如，主推进系统采用虚拟24脉波整流的方式，将2个12脉变压器分别移相+/−7.5°，分别接于两段母排，母排闭合运行时形成24脉波。图4为电力推进船舶虚拟24脉波推进结构实船测试结果，可以看到：最大谐波为 23、25次特征次谐波，47、49次谐波已大幅下降，THDv等于3%，小于船级社规定上限。虚拟 24脉波整流型式可有效抑制低次谐波，满足谐波要求，其结构简单、可靠性高、经济性好，在主推进系统设计中被广泛采用。

图4 虚拟24脉波推进系统谐波测试

当对谐波的要求更高时，可采用有源前端AFE变频器，以PWM控制整流取代不控整流。PWM整流仅在开关频率附近产生少量特征次谐波频谱，如开关频率为2 000 Hz时，仅在40次及其整数倍附近产生谐波，无低次谐波。

被动谐波抑制则从电网入手，在谐波源附近加装无源或有源滤波装置消除已经产生的谐波分量。当船舶电网系统谐波抑制设计不能满足要求时，可配置滤波装置。

3 电力推进船舶电网谐波的分析与计算

对谐波的分析与计算可有效评估电力推进船舶系统配置，从而为设备的选型提供支撑依据，并降低谐波超标的风险。谐波计算需要提供发电机和变压器的详细设计参数，根据这些参数，变频器制造商根据变频器设备的选型计算出相应型号的谐波电流频谱。

计算电力推进船舶电网的谐波时，首先根据发电机制造商提供的参数计算出电源电抗，然后根据变频器制造商提供的变频器谐波电流频谱进行如下计算[4]。

电源电抗Xsupply为

式中：Vrms为线电压有效值；Ss为系统短路容量。

根据变频器谐波电流频谱，计算单次谐波电流，为

h次谐波电压Vh可用下式计算。

h次谐波电压的百分比含量为

当得出上表数值后，可得电压总谐波畸变率（THDv）为

或者，THDv也可由单次谐波电压之和得到。

4 抑制谐波的措施

电力推进船舶电压谐波的抑制需从系统设计开始，综合考虑发电机配置参数、推进变频器整流型式和不同变频设备间的配合等，可从以下几方面进行考虑：

1）发电机作为船舶电网的电源，其内部阻抗直接影响配电板母排的电压谐波。首先需优化发电机定子绕组的设计，减小发电机自身的谐波电压。发电机超瞬态电抗xd〞越小，变频器产生的谐波电流压降越小，但短路电流也会随之增大。实际设计中，将xd〞限制在12%～16%，可有效降低系统谐波。

2）采用不控整流装置时，增加整流脉波数可有效消除低次谐波。

3）变压器可以有效隔离谐波，为大量电子设备供电的分配电区域前端应配置变压器。

4）电子设备电源自身应配置滤波装置，降低电源谐波的干扰。

5）对于使用多种变频设备的船舶电网，AFE变频器产生的高次谐波会干扰其他整流设备，应增加变压器进行隔离。

5 结论

本文针对电力推进船舶的电能质量进行了深入分析，得到如下结论：方案设计阶段的计算分析能有效评估电能质量问题；大容量负载的直接启动需进行特殊设计，以减小对电网的冲击；由特殊工况引起的电压波动可在控制系统中通过功率限制而减小；推进系统整流装置的优化配置可有效降低母排谐波含量。以上结论可为电力推进船舶的设计提供参考。

参考文献：

[1] 程浩忠, 艾芊, 张志刚, 等. 电能质量[M]. 北京:清华大学出版社, 2006.

[2] IEEE Standards Board. IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality:IEEE Std 1159-1995[S]. 1995

[3] 中国船级社. 钢质海船入级规范（第3分册）[S]..北京: 人民交通出版社, 2015.

[4] American Bureau of Shipping. ABS Guidance Notes on Control of Harmonics in Electrical Power Systems[S]. 2006.