舰船综合电力系统谐波的产生、危害及其治理

2022-10-24周家琛赵志军

船舶 2022年5期

黄伟陈诚周家琛赵志军

（中国船舶及海洋工程设计研究院上海 200011）

0 引言

2013年，随着美国海军大型驱逐舰（DDG1000）的正式下水，拉开了将第1代舰船综合电力系统（integrated power system, IPS）应用于军用战斗舰艇的序幕，各国舰船也都朝着应用舰船综合电力系统的方向发展。舰船综合电力系统将传统的推进系统和电力系统合二为一，二者以电能的形式统一起来，这就意味着大型水面舰船电力系统的容量将大幅度增加，达到百兆瓦级以上，是传统舰船电力系统容量的数十倍甚至上百倍。以美国大型驱逐舰（DDG1000）为例，其电站总容量已达到78 MW。舰船综合电力系统容量井喷式增长，其一大优点就是可以在极短时间内提供相当大容量的电能，以满足高能武器发射时所需要的能量，这是传统小容量的舰船电力系统所无法比拟的；但与此同时，舰船综合电力系统也将面临诸多困难与挑战，谐波问题就是其中之一。

由于电力电子装置如逆变器、整流器和脉冲宽度调制变频器等非线性设备大量应用于电力推进设备、大功率电动机以及大功率特种装备，会引起负载电流的畸变，大量非线性设备的负载畸变电流将会累积，总的畸变电流将会引起发电机组内部阻抗上电势的畸变，进而导致发电机组输出电压的畸变，对舰船综合电力系统造成“污染”。这可能影响继电保护电气和仪器仪表正常工作，增加电力元件损耗，尤其是当前舰船综合电力系统运行的自动化、智能化程度越来越高，谐波的存在会严重威胁舰船综合电力系统的安全运行。因此，有必要仔细分析舰船综合电力系统谐波产生的原因，研究其有害影响，总结现阶段常用的谐波抑制方法，找准舰船综合电力系统谐波治理的方向。

1 谐波的产生

理想电能质量的交流电力系统应具有恒定的工频频率、正弦形的电压和电流，而电力系统在实际运行中，电压和电流的波形会因某些原因偏离正弦波形，即发生了波形畸变；对畸变的波形进行傅里叶级数分解后，可以得到一系列频率为基波频率整数倍的正弦波分量，即为谐波。IEEE标准定义“谐波为一周期波或量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍”（我国取工业用电频率50 Hz为基波频率）。电力系统谐波产生的原因有很多，可大致将电力系统中的谐波源分为3类：第1类是铁磁非线性负载，第2类是电力电子装置，第3类是强非线性、冲击性负载。本文首先依次对这3类谐波源产生的原因进行分析。

1.1 铁磁非线性负载

变压器、电机都是以磁场作为媒介来实现机电能量的转换，因此，其铁心等部件都广泛采用导磁性能良好的铁磁材料。而铁磁材料的磁感应强度和磁场强度呈非线性关系，其关系曲线称为磁化曲线。磁通量与磁感应强度、电流与磁场强度都呈线性关系，因此，磁通量与电流的关系曲线同样符合磁化曲线。正是由于铁磁材料的这种非线性关系，当变压器、电机工作在非线性区时（即发生磁饱和现象），就会产生谐波。此外，在交变磁场的作用下，铁磁材料还存在磁滞现象，这会导致变压器、电机的谐波成分更复杂，如图1所示。

图1 铁磁非线性负载考虑磁滞磁通-电流曲线

不过，变压器、电机产生的谐波都是基于其工作在非线性区时才会产生的，在舰船综合电力系统中，当变压器、电机在正常稳态运行的条件下，基本上都处于线性区，谐波电流含量很少，不会造成电力系统电压或电流的较大畸变，仅在变压器和电机刚投入运行或非正常条件运行才会发生。对于舰船综合电力系统中配置的大容量推进变压器通常会进行预充磁，其目的除了减小大容量变压器起动冲击电流和浪涌电流外，还可减少变压器投入运行时的谐波电流。因此，现阶段变压器、电机等铁磁非线性负载已不再是主要的谐波源。

1.2 电力电子装置

近几十年来，随着电力电子技术的发展和不断完善，整流装置、交流调制电路和周波变流电路等电力电子装置普遍应用于舰船综合电力系统中，这些装置都是按一定规律开闭不同电路，其工作原理都是改变电压或电流的波形，因而必定将产生谐波并注入电力系统。电力电子装置的广泛应用，使其成为现代电力系统主要的谐波源。电力电子装置的接线和工作情况千差万别，其产生的谐波也不尽相同。以现阶段舰船综合电力系统中应用广泛的大功率电力推进装置为例，一般都采用变频器控制，内部采用AC-DC-AC环节。虽然有文献指出：当电源容量为无穷大、内阻抗为0时，可以认为整流负荷的端电压（即电网侧）总是正弦的，即负荷中有谐波电流，而端电压仍维持正弦波形。然而，对于船舶电力系统而言，基本都是采用发电机组作为电源，其总容量有限，内阻抗也不能忽略。因此，当负载侧有畸变的谐波电流时，总的畸变谐波电流将在发电机组内阻抗上引起电势的畸变，进而引起系统电压的畸变。

1.3 强非线性、冲击性负载

在舰船综合电力系统中，将会应用大量高能武器（如电磁弹射装置、电热化学炮等）、电气防护系统、飞机弹射/回收系统及相控阵雷达等设备，都是具有强非线性、冲击性的负载。如不采取相应的控制措施，这类负载会对舰船综合电力系统产生强烈冲击，造成非常严重的波形畸变。SMOLLECK等研究了脉冲负载对电力系统的影响，包括电压闪变、暂态、稳定性和发电机组频率等影响。一般来说，在舰船上装备的此类强非线性、冲击负载，几乎都是通过储能或电力电子装置与舰船综合电力系统相连，其对系统的影响大部分已被这些装置进行了平抑。因此，对舰船综合电力系统而言，此类强非线性、冲击负载呈现的仍是电力电子装置的特性。KULKARNI等研究了简化的船舶综合电力系统中，脉冲负载在储能装置离线与在线时对船舶综合电力系统的不同影响，表明在储能装置离线时，船舶电力系统的系统电压将会产生较大的波形畸变。有关强非线性、冲击性负载对舰船综合电力系统的影响以及其防护措施，后期还需要开展更多的研究。

2 谐波的危害

谐波对电力系统的污染日益严重，它对各种电器设备都有不同程度的影响和危害。对于谐波的影响和危害，应当引起科研设计人员的高度重视。

2.1 对旋转电机和变压器的影响

2.2 对电缆的影响

在交流系统中，电缆会有集肤效应和邻近效应，这2种效应都取决于频率、导体尺寸、电缆结构和间距。谐波的存在会使得这2种效应更为显著，导致额外的损耗。

2.3 对保护继电保护装置和自动装置的影响

对舰船上常用的电磁型继电器，其电磁动作转矩为：

式中：L为动触头与支点的力臂长度，m；为电磁力，N；为磁通量，Wb；为真空磁导率，H/m；为线圈磁通截面积，m；为线圈匝数；R为磁通所经过磁路的磁阻，H；为通入线圈的电流有效值，A。

可见，电磁动作转矩与线圈电流有效值的平方成正比。因此，当谐波含量较高时，电磁型继电器将受到更大的电磁动作转矩作用，而通常电磁型电流继电器都是按基波电流整定的，其有可能会发生误动作。

此外，谐波还会影响舰船上常用的自动准同期装置的正常工作，当谐波含量较高时，可能使装置拒发合闸脉冲，错发调频脉冲，甚至于既发减速脉冲又发加速脉冲。

2.4 对敏感电子设备的影响

谐波还会对通信等敏感电子设备产生干扰，损害通信的清晰度。

2.5 谐波谐振的影响

如果在舰船综合电力系统中应用有多个静止无功补偿器（static var compensator, SVC）等电容器组，系统会存在多个谐振频率，谐振可能会与负载谐波一同发生，将谐波放大，导致设备升温，引起电器设备降额、并联电容器损坏等后果，危害电力系统安全稳定运行。因此，谐波谐振问题是必须要避免的。

3 谐波治理

随着舰船综合电力系统的发展，上舰设备使用的电力电子装置的容量越来越大，数量也越来越多。这些电气设备产生大量的谐波电流注入电网，已经严重威胁到舰船综合电力系统的安全运行，必须采取措施，对谐波进行治理，才能保证电力系统的安全运行和接入电网的各种用电设备的可靠工作。

3.1 谐波限制标准

电力系统中的总谐波含量可以用方均根电压U或电流I表达：

式中：U为第次谐波电压有效值。

式中：I为第次谐波电流有效值。

通常，电压谐波总畸变率THD（total harmonic distortion）和电流谐波总畸变率THD用来表征电力系统的谐波水平，其分别定义为：

式中：为基波电压有效值。

式中：为基波电流有效值。

目前，已有多个标准针对上述谐波指标制定了相应限值（见表1），其都是对电力系统的电压水平提出的谐波限值。

表1 谐波标准的对比

但是，GJB 4000-2000和CCS等船用标准规范对6 kV及以上的中压电力系统的谐波限值尚未作出明确规定，且对各次谐波的限值也未区分奇次与偶次。在舰船综合电力系统中采用较多的中压电力系统，对系统谐波的指标限值规定缺乏船用标准的支撑，目前仅有国标的规定作为参考，需要开展船用标准规范的制定或修订工作。

除了上述对电力系统提出的谐波指标限值外，更应该关注用电设备注入系统的谐波电流的限值，GJB 4000-2000中对此也作出相应规定，见表2。这将指导舰船综合电力系统的谐波治理，在系统设计时应仔细分析、确定系统中可能的谐波源，并参考标准规范对其谐波含量进行限制。

表2 用电设备的谐波电流允许值（GJB 4000-2000）

但是，从表2中可以看出，现行标准对设备注入系统的谐波电流限值未按电压等级进行区分，也未按负载容量大小进行区分，且对多个接入系统的设备也未按容量之比进行指标分配。按此要求对舰船综合电力系统中设备的谐波注入水平进行控制，有可能会导致系统谐波电压总含量超标，进而需要进行系统补偿。

3.2 源端抑制

解决电力系统谐波污染问题的一个主要思路就是改造电力电子装置，在谐波产生的源头进行抑制，使其不产生谐波或尽可能减少谐波的产生。例如，换流装置通过适当的变压器绕组相移进行脉冲数扩展，可以进行高脉冲运行操作，即相位倍增。一般地说，以/6个相角差为2π/的变压器可构成脉动整流，其将产生特征谐波为±1次的谐波（为换流装置的脉冲数），倍增的脉冲数越高，谐波电流的次数越高，即不产生较低次数的谐波。同时，由于谐波电流的大小与谐波的次数成反比，即谐波的次数越高，谐波电流的大小就越小。通过扩展脉冲数可以消除较低次数的谐波，减少其产生的谐波，大大改善电压波形。利用相位倍增构成多脉冲整流电路，其具有实现简单、成本低和可靠性高等优点，在大功率整流系统中得到广泛应用，这也是目前我国舰船上常用的谐波治理方法。

3.3 系统补偿

从系统总体角度出发，治理电力系统谐波问题还可以通过装设各种无源滤波器、有源滤波器以及混合型滤波器，一般滤波器安装位置都是尽可能靠近谐波源。

无源滤波器是传统的谐波补偿装置，其存在一些固有的缺点：无源滤波器只能针对特定次数的谐波进行抑制，谐波抑制的效果受到电力系统及线路阻抗变化的影响，可能产生谐波谐振反而导致谐波的放大效应。但是，由于其具有结构简单、设备投资较少、运行可靠性较高等优点，其至今仍然可以应用于一些需求相对简单的场所，比如通常对所有进入报房、无线电室等有电磁屏蔽要求的处所的电力电缆都采用无源滤波器进行谐波抑制。

有源滤波器是1种用于动态抑制谐波的电力电子装置，它能对大小和频率都变化的谐波进行迅速的动态跟踪补偿，且能克服传统无源滤波器的缺点。其工作原理是检测补偿对象的电压和电流，经运算电路计算、补偿电流发生电路放大，得出补偿电流抵消谐波电流，最终得到理想的正弦波形电流。周健以某半潜船改装项目为例，其电站总容量约5.7 MW，加装后配置了6台通过6脉波变频器驱动控制的总容量约1.6 MW的压载泵。通过仿真验证，由于变频器采用二极管不可控整流，在未进行系统补偿之前，系统母线电压总谐波畸变率高达13.88%，最大单次电压谐波畸变率高达10%，均超过标准规范所规定的电压谐波畸变限值；在系统两段母排上各增设1套有源滤波器后，对系统谐波进行抑制，系统补偿后的母线电压总谐波畸变率降至3.2%，最大单次电压谐波畸变率降至2.2%。可见，有源滤波器在治理谐波、提高电能质量方面有较为显著的效果。然而，随着要处理的系统容量增大，由于有源滤波器中变流器件所能处理的功率范围及其开关频率的限制，其在较大容量场合的应用将受到一定限制。

混合型滤波器则结合了无源滤波器和有源滤波器各自的优点，系统中大部分谐波主要由无源滤波器补偿，而有源滤波器的主要作用则是改善无源滤波器的滤波特性、克服无源滤波器易受到系统参数的影响、易发生谐振等缺点。因此，混合型滤波器既可以克服单独使用无源滤波器或有源滤波器的缺点，又可以充分发挥有源滤波器的优点，使得有源滤波器能以相对较低的容量应用于大容量场合，具有较高的性价比。黄彬等以某大型液化天然气船（LNG）为例，其电站总容量约38.5 MW，系统中配置有2台通过24脉波变频器驱动控制的总容量为28 MW的推进电机。根据大量实际测量数据分析，在未进行系统补偿之前，系统母线电压总谐波畸变率为3.66%，最大单次电压谐波畸变率为2.33%；在系统中变频器整流侧接入混合型滤波器后，对系统中的谐波进一步进行了抑制，系统补偿后的母线电压总谐波畸变率降至0.88%。由此案例可见，对谐波源采用24脉波的变频器，首先进行了源端抑制，对系统的谐波已经有了很明显的抑制，在未进行系统补偿前，谐波含量已满足规范要求；但是在应用混合型滤波器进行系统补偿后，系统谐波含量可进一步降低，系统电能质量有更明显的改善，验证了混合型滤波器在大容量电力系统谐波治理和电能质量改善方面具有显著效果。