赵玉文

（中国地质调查局 青岛海洋地质研究所，山东青岛 266071）

0 引言

随着电力电子、交流变频调速、智能控制技术的发展，电力推进船舶以其振动小、噪声少、能源效率高、自动化程度高、可靠性和维护性强等显著优势，成为现代船舶推进的重要发展趋势，尤其是海工船，如平台供应船、挖泥船、布缆船、科考船等，已越来越多地采用电力推进系统。电力推进电网是指由发电装置（发电机组）、配电装置（配电板）、用电装置（推进负载、日用负载、 特种作业负载等）等组成的电力网络，可实现发电、配电、用电的统一管理和集中控制，符合智能化发展趋势[1]。

然而，电力推进系统中采用的非线性电力装置，如整流、逆变设备等，将不可避免地导致电力网络上出现谐波。大多电力网络都可以承受一定程度的谐波，但当谐波污染严重时，则会降低 电网电能的质量，产生发电机效率降低、设备过热损坏、振动噪声大、绝缘老化快、使用寿命短、 继电保护和自动控制装置误动作等危害。因此在电力系统的设计过程中，应考虑谐波问题，研究谐波治理方案，并对方案进行仿真计算，防止工程实施后电网因谐波危害造成严重后果。

1 船舶电力推进系统组成

本文所述船舶的电力推进系统由发电、配电和用电装置组成，其系统单线图如图1所示[2]。其中，发电装置是由4台1 200 kW、额定电压为690 V、额定频率为60 Hz的柴油发电机组构成；配电装置是由1套690 V配电板、1套PMS和1套440 V配电板构成，配电板中间通过母联开关连接，母联开关打开后，左右2个电站可独立运行，690 V配电板用来给主推进、侧推进系统及高压冲水泵供电，440 V配电板用来给除推进系统外的各日用负载供电；用电装置是指船上的所有用电设备，种类较多，其中推进负载是该船最大且最重要的负载，采用了690 V供电系统，包含2个主推进支路和2个侧推进支路，690 V配电板的左右母排各连接一个主推进支路和一个侧推进支路，主推进支路采用2套12脉波变频器给推进电机供电，2台主推进变频器整流侧采用不可控电力二极管，通过移相变压器形成虚拟24脉波；逆变侧驱动主推进电机额定转速为1 800 r/min，额定功率为1 650 kW；侧推进支路为2个独立支路，采用软启动供电。侧推电机额定转速为1 800 r/min，额定功率为690 kW。

图1 船舶电力推进系统单线图

2 谐波抑制措施

工程应用中，应分析船舶电力系统的谐波源，对比各种谐波抑制方法的优缺点，并考虑实际的谐波抑制投入和产生的谐波抑制效果，选择一种适用于实际工程的谐波抑制方法[3]。

2.1 谐波源分析

电网谐波主要是由各种变流设备和非线性负载产生的。在非线性负载上施加正弦基波电压时，负载吸收的电流波形和施加的电压波形不同，畸变电流会影响电流回路中的电子设备。当系统电源存在阻抗时，畸变电流会在阻抗上产生电压降，从而导致畸变电压，影响电网中的所有负载。

在船舶电力推进系统中，发电、配电和用电装置都会产生谐波：1）发电装置是由于发电机的三相绕组无法做到绝对对称，铁心也很难绝对一致，因而会产生一些谐波，但数量很少；2）配电装置中主要因变压器产生谐波，由于其具有非线性的饱和磁化曲线，且因经济原因工作磁密一般选在曲线的近饱和段上，磁化电流会呈尖峰波形，从而导致以3 次谐波为主的奇次谐波；3）用电装置中的谐波是由具有非线性电压-电流特性的设备产生的，电力推进系统中的最大的谐波源是大容量变流装置（变频器），且其产生的高次谐波多，是谐波处理的主要对象。

2.2 谐波抑制措施的选择

目前船舶电力系统谐波的抑制方案主要有以下2 种[4]：

1）预防型谐波抑制方案。工程应用中常采取这种措施，通过增加整流装置的脉冲数，来减少系统中谐波源产生的谐波数量，一般用于较大整流装置。目前变频器常用的脉冲整流方式有6 脉冲整流、12 脉冲整流和24 脉冲整流，脉冲数越多，谐波的含量越少。

2）补偿型谐波抑制方案。在谐波源附近安装滤波器，就近吸收已产生的谐波电流，通常可分为2 种：无源滤波和有源滤波。无源滤波器是由电感、电容等元件搭建而成，如LC 滤波器，其具有很大的局限性，只能吸收特定次谐波电流。而有源滤波则是一种可拟补无源滤波不足的新型谐波抑制方法，其原理是检测抑制对象中的谐波电流，由补偿装置产生一个大小相等极性相反的补偿分量，从而使电网电流只含基波分量。有源滤波是一种动态抑制谐波、补偿无功的措施，能对频率、大小变化的谐波进行快速的补偿响应，是今后的趋势，但成本高。

因无源滤波具有只消除特定次谐波的局限，不能满足12 脉冲变频器产生谐波次数多的特点，且有源滤波的成本高、投入大。因而，本文选用预防型谐波抑制方案，在2 主推进支路分别通过移相变压器移相作用构成虚拟24 脉冲整流回路，并进行仿真计算，以保证所选方案满足工程要求。

3 电力推进系统谐波仿真分析

ETAP 软件是美国OTI 公司开发的电力系统分析计算软件，内含潮流计算、短路计算、继电保护配合、弧闪分析、谐波分析和变压器容量选择等多个计算模块。其中，谐波分析模块是遵守IEEE 519 标准，涉及谐波潮流计算、频率扫描分析、谐波共振，可计算电压电流的总有效值RMS、合成峰值ASUM、各次谐波分量和总谐波畸变率，并自动生成各结果的响应曲线。

3.1 ETAP 仿真模型的建立

本文所述船舶的电力系统如图1 所示，在ETAP 软件进行谐波计算前，要建立电力系统的模型，将系统中含有的各元件拖到模型中，并输入各电气参数，主要元件包括发电机、母线、变压器、变频器、开关、电机、电缆等，所建模型如图2 所示。

图2 船舶电力系统ETAP 仿真模型

3.2 ETAP 仿真计算结果

ETAP 软件的谐波分析主要是进行谐波潮流计算和频率扫描计算，在谐波分析工具栏中使能仿真后，可得到690 V 和400 V 母线的电压谐波波形图，如图3 所示。从图3 可看出，两母线的电压波形基本接近正弦波，且因主要的谐波源—变频器连接在690 V 母线上，690 V 母线的谐波成分比400 V 母线大。谐波频谱图如图4 所示，从图4 可看出，由于采用的是虚拟24 脉冲整流，电网的谐波主要为23 次谐波和25 次谐波，且690 V 母线和400 V 母线的单次最高电压谐波含有率分别为2.2%和1.6%，从仿真后的电力系统ETAP仿真模型图上可看出，690 V 母线和400 V 母线的总谐波畸变率分别为3.78%和2.79%。

图3 电压谐波波形图

图4 谐波频谱图

3.3 谐波结果评价

IEEE 519—1992标准规定的谐波电压畸变限制值（U＜69 kV）如表1 所示。

表1 畸变限制值表

CCS 船级社关于电网谐波的规定如下：

1）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%。

2）对于专用系统，例如电力推进供电的配电板，总的电压畸变应不超过10%。

由仿真结果可以看出，此船所采用的虚拟24脉多相整流谐波抑制技术，完全满足CCS 船级社和IEEE 519—1992 标准关于电网谐波的规定。

4 本文所述船舶电网谐波实船测试

4.1 实船测试设备

本次谐波测试采用美国DRANETZ公司的专业电能质量分析仪Power Xplorer PX5 400，其满足美军标MIL-STD-1399、IEEE 1159、IEC 61000-4-30 Class A和欧盟EN50160等标准关于电能质量的测试要求，在国内外电力系统电能质量分析领域具有极高的权威。Power Xplorer PX5 400具有8通道隔离输入，可同时测量4路电压和4路电流，满足项目的测试要求。

谐波测试时，将电压探头分别接于690 V母线和440 V母线上，并保持工况相同。测试现场仪器布置和接线如图5所示。

图5 测试现场接线和仪器布置图

4.2 实船测试工况及结果

根据负荷计算书及谐波仿真结果，对船舶经济航行、全速航行、外部消防和定位4种工况进行谐波测试，并将各测试工况的谐波结果列入表2中。从表2可看出，本次谐波测试结果中，各测试项目的母线电压THD 均小于5%，既能满足项目技术规格书要求，也能满足CCS规范和IEEE 519标准关于谐波的要求。

表2 谐波测试结果

续表2：

5 结论

本文在介绍了船舶电力推进系统的组成后，阐述了谐波的产生原因和常见的抑制方法，并以一艘典型的电力推进船舶为实例，制定了适合本船的谐波抑制方案，进而用ETAP软件完成了谐波仿真计算。其结果满足CCS规范和行业标准要求，实船谐波测试结果与仿真结果接近，满足船舶的工程要求。因此，本文对今后电力推进船舶的谐波处理具有一定的参考意义。