電力推進船舶的電能質量探討

丁長健，王 樂，程 武，邱 赟，吳國棟

（1. 中海油基地集團采油服務公司，天津 300452；2. 上海船舶設備研究所，上海 200031）

0 引言

隨著電力電子技術的迅速發展，電力推進技術在各類船舶上得到了廣泛應用。電力推進船舶的推進系統為大容量的非線性負載，推進負荷一般也是全船最大的電力負荷。推進系統產生的諧波電流及負荷變化所引起的電能質量問題日益突出，其會對各種精密設備（如通訊、導航、監測報警和科考儀器等）造成不良影響，日用電器也會因電能質量下降而縮短使用壽命。電能質量已經成為電力推進船舶必須重視的問題，需綜合考慮整個船舶電網的設計，優化推進系統的選型、配置與運行工況。

本文針對電力推進船舶的特點，對由非線性負載引起的電能質量問題進行探討，提出電力推進船舶的設計意見，為船舶綜合全電力推進系統的選型、論證、設計和驗收提供參考。

1 電力推進船舶電能質量要求

IEEE協調委員會對電能質量的技術定義為：合格的電能質量是指給敏感設備提供的電力和設置的接地系統均是適合該設備正常工作的[1-2]。通常電能質量分類包括：電壓偏差、頻率偏差、諧波、電壓波動與閃變、三相不平衡、電壓暫降、暫時過電壓和瞬態過電壓等。

船舶電網屬于容量有限的獨立電網，典型的電力推進船舶電網單線圖如圖 1所示。船舶供電電源一般為柴油發電機組。與陸上電網有較大不同的是，船舶電源阻抗隨著在網發電機的臺數不同而發生變化，且變化范圍較大，因此其電能質量有一定的特殊性。除傳統的船舶電網較多關注的頻率和電壓的偏差外，電力推進船舶的電能質量問題中，諧波問題更為突出。

圖1 典型電力推進船舶電網單線圖

針對船舶電網，中國船級社《鋼質海船入級規范（2015版）》第4篇第 1章規定：電壓穩態波動范圍?10%～+6%，瞬態±20%，恢復時間1.5 s；頻率穩態波動范圍±5%，瞬態±10%，恢復時間5 s；交流電氣設備應能在供電電源的電壓諧波成分不大于 5%的情況下正常工作；當電源的諧波成分可能大于5%時，應注意設備選擇，保證其正常工作。對于電力推進船舶，第8篇第15章規定：對于有半導體變換器裝置運行的網絡，單次諧波至 15次的諧波應不超過標稱電壓的5%，其后逐漸減少，在 100次諧波時應減少到 1%；對于專用的系統，例如為電力推進供電的配電板，總的電壓畸變應不超過10%[3]。

2 電力推進船舶的電能質量問題

電力推進船舶的電能質量問題主要由大容量負載起停和非線性負載引起，分析問題的起因和應對措施有助于改善電能質量。

2.1 電壓暫降

電壓暫降一般指供電電壓均方根值在短時間突然下降到額定值90%～10%的事件，瞬時吸收電能產生的大電流是引起電壓暫降的主因。電力推進船舶運行工況復雜，電網電壓除了受設備正常工作起停的影響外，還受到船舶航行工況的影響，經常出現的加速、轉向、急停避讓等工況都會引起電壓波動。

電壓暫降對電子設備的危害較大。船舶上大量的工業計算機、控制器及通訊導航等電子設備具有相似的電源結構，一般由二極管整流器和DC/DC調節器組成，如圖2所示。

圖2 電子設備電源結構

正常工作時，交流電經過整流后，由電容器減小直流電壓紋波，再經過DC/DC調節輸出設備可用的直流電壓。電壓暫降會導致整流后的直流側電壓過低，DC/DC輸出難以維持定值而影響設備的正常工作。

船舶電網電壓暫降最嚴重的情況一般發生在大容量變壓器空載合閘引起勵磁涌流和大容量感應電動直接啟動的時候。推進變壓器的容量可能與單臺發電機組相當，在空載合閘時產生較大的沖擊電流，如圖 3所示，該電流會引起較大的電壓跌落，甚至引起斷路器過電流保護動作而跳閘。為了防止這一現象出現，船舶上一般對大容量變壓器進行預充磁操作。通常設置預充磁變壓器，先通過預充磁變壓器將推進變壓器接入電網，產生較小的電流使推進變壓器建立磁場，數秒之后再閉合推進變壓器開關，分斷預充磁電路，完成推進變壓器的啟動。

圖3 變壓器勵磁涌流引起的電壓暫降

大容量感應電動機直接啟動的電流一般是額定電流的5倍～7倍，也會引起電壓暫降。船舶電網中容許直接啟動的電動機至少需小于發電機組額定功率的40%。為保證電能質量，實際設計中還要降低這一比例。推進電機一般由變頻器啟動，這樣可有效降低對電網的沖擊，但轉速與功率的突加會短時吸收大量電能，引起電壓波動。為了平衡船舶操縱性能，控制系統會限制推進電機的加載時間，既保證船舶的推進能力，又防止加載過快引起電壓暫降。此外，其他的大容量電機，如水泵、風機的驅動電機等，也可配置變頻器或者軟起動器，避免直接啟動。

2.2 諧波

諧波是電力推進船舶最嚴重的電能質量問題之一。電壓總諧波畸變率（THDv）是考核電壓諧波畸變的重要指標。在電力推進技術廣泛使用之前，船級社規范規定THDv≤5%。由于電力推進的非線性負載可達電網容量的80%左右，各船級社都放大了這一指標，中國船級社于2009年將推進系統供電母排的THDv修改為≤10%。但日用電網匯流排上的THDv值還要求≤5%。

電子設備（如雷達和聲吶）對電源電壓的諧波特別敏感。有些設備需要觀察陰極射線管屏幕上的圖像，圖像的位置取決于加在射線管上的電壓瞬時值，圖像隨著電壓變化。電源電壓諧波會在信號中產生噪聲，造成干擾，導致設備輸出錯誤的信號。

對推進設備的設計選型可以有效地抑制諧波。諧波抑制可以分為主動和被動兩種。主動諧波抑制從推進變頻器的結構入手，采用不控整流可通過增加脈波數降低諧波含量。三相橋式整流電路可直接形成6脈波整流，但諧波含量較高。2個或者更多的6脈波整流器經相位移動并聯變壓器可組成12脈、24脈波整流。一個p脈波整流器由p/6個6脈波整流器構成，這些6脈波整流器通過一個（p/6+1）繞組的變壓器供電，變壓器二次繞組之間的相位移為360°/p。一個p脈波整流器將產生的諧波次數為：h=pn±1（n=1,2,3…）。例如，主推進系統采用虛擬24脈波整流的方式，將2個12脈變壓器分別移相+/?7.5°，分別接于兩段母排，母排閉合運行時形成24脈波。圖4為電力推進船舶虛擬24脈波推進結構實船測試結果，可以看到：最大諧波為 23、25次特征次諧波，47、49次諧波已大幅下降，THDv等于3%，小于船級社規定上限。虛擬 24脈波整流型式可有效抑制低次諧波，滿足諧波要求，其結構簡單、可靠性高、經濟性好，在主推進系統設計中被廣泛采用。

圖4 虛擬24脈波推進系統諧波測試

當對諧波的要求更高時，可采用有源前端AFE變頻器，以PWM控制整流取代不控整流。PWM整流僅在開關頻率附近產生少量特征次諧波頻譜，如開關頻率為2 000 Hz時，僅在40次及其整數倍附近產生諧波，無低次諧波。

被動諧波抑制則從電網入手，在諧波源附近加裝無源或有源濾波裝置消除已經產生的諧波分量。當船舶電網系統諧波抑制設計不能滿足要求時，可配置濾波裝置。

3 電力推進船舶電網諧波的分析與計算

對諧波的分析與計算可有效評估電力推進船舶系統配置，從而為設備的選型提供支撐依據，并降低諧波超標的風險。諧波計算需要提供發電機和變壓器的詳細設計參數，根據這些參數，變頻器制造商根據變頻器設備的選型計算出相應型號的諧波電流頻譜。

計算電力推進船舶電網的諧波時，首先根據發電機制造商提供的參數計算出電源電抗，然后根據變頻器制造商提供的變頻器諧波電流頻譜進行如下計算[4]。

電源電抗Xsupply為

式中：Vrms為線電壓有效值；Ss為系統短路容量。

根據變頻器諧波電流頻譜，計算單次諧波電流，為

h次諧波電壓Vh可用下式計算。

h次諧波電壓的百分比含量為

當得出上表數值后，可得電壓總諧波畸變率（THDv）為

或者，THDv也可由單次諧波電壓之和得到。

4 抑制諧波的措施

電力推進船舶電壓諧波的抑制需從系統設計開始，綜合考慮發電機配置參數、推進變頻器整流型式和不同變頻設備間的配合等，可從以下幾方面進行考慮：

1）發電機作為船舶電網的電源，其內部阻抗直接影響配電板母排的電壓諧波。首先需優化發電機定子繞組的設計，減小發電機自身的諧波電壓。發電機超瞬態電抗xd〞越小，變頻器產生的諧波電流壓降越小，但短路電流也會隨之增大。實際設計中，將xd〞限制在12%～16%，可有效降低系統諧波。

2）采用不控整流裝置時，增加整流脈波數可有效消除低次諧波。

3）變壓器可以有效隔離諧波，為大量電子設備供電的分配電區域前端應配置變壓器。

4）電子設備電源自身應配置濾波裝置，降低電源諧波的干擾。

5）對于使用多種變頻設備的船舶電網，AFE變頻器產生的高次諧波會干擾其他整流設備，應增加變壓器進行隔離。

5 結論

本文針對電力推進船舶的電能質量進行了深入分析，得到如下結論：方案設計階段的計算分析能有效評估電能質量問題；大容量負載的直接啟動需進行特殊設計，以減小對電網的沖擊；由特殊工況引起的電壓波動可在控制系統中通過功率限制而減小；推進系統整流裝置的優化配置可有效降低母排諧波含量。以上結論可為電力推進船舶的設計提供參考。

參考文獻：

[1] 程浩忠, 艾芊, 張志剛, 等. 電能質量[M]. 北京:清華大學出版社, 2006.

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

[3] 中國船級社. 鋼質海船入級規范（第3分冊）[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.