艦船綜合電力系統諧波的產生、危害及其治理

黃 偉 陳 誠 周家琛 趙志軍

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011）

0 引 言

2013年，隨著美國海軍大型驅逐艦（DDG1000）的正式下水，拉開了將第1代艦船綜合電力系統（integrated power system, IPS）應用于軍用戰斗艦艇的序幕，各國艦船也都朝著應用艦船綜合電力系統的方向發展。艦船綜合電力系統將傳統的推進系統和電力系統合二為一，二者以電能的形式統一起來，這就意味著大型水面艦船電力系統的容量將大幅度增加，達到百兆瓦級以上，是傳統艦船電力系統容量的數十倍甚至上百倍。以美國大型驅逐艦（DDG1000）為例，其電站總容量已達到78 MW。艦船綜合電力系統容量井噴式增長，其一大優點就是可以在極短時間內提供相當大容量的電能，以滿足高能武器發射時所需要的能量，這是傳統小容量的艦船電力系統所無法比擬的；但與此同時，艦船綜合電力系統也將面臨諸多困難與挑戰，諧波問題就是其中之一。

由于電力電子裝置如逆變器、整流器和脈沖寬度調制變頻器等非線性設備大量應用于電力推進設備、大功率電動機以及大功率特種裝備，會引起負載電流的畸變，大量非線性設備的負載畸變電流將會累積，總的畸變電流將會引起發電機組內部阻抗上電勢的畸變，進而導致發電機組輸出電壓的畸變，對艦船綜合電力系統造成“污染”。這可能影響繼電保護電氣和儀器儀表正常工作，增加電力元件損耗，尤其是當前艦船綜合電力系統運行的自動化、智能化程度越來越高，諧波的存在會嚴重威脅艦船綜合電力系統的安全運行。因此，有必要仔細分析艦船綜合電力系統諧波產生的原因，研究其有害影響，總結現階段常用的諧波抑制方法，找準艦船綜合電力系統諧波治理的方向。

1 諧波的產生

理想電能質量的交流電力系統應具有恒定的工頻頻率、正弦形的電壓和電流，而電力系統在實際運行中，電壓和電流的波形會因某些原因偏離正弦波形，即發生了波形畸變；對畸變的波形進行傅里葉級數分解后，可以得到一系列頻率為基波頻率整數倍的正弦波分量，即為諧波。IEEE標準定義“諧波為一周期波或量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數倍”（我國取工業用電頻率50 Hz為基波頻率）。電力系統諧波產生的原因有很多，可大致將電力系統中的諧波源分為3類：第1類是鐵磁非線性負載，第2類是電力電子裝置，第3類是強非線性、沖擊性負載。本文首先依次對這3類諧波源產生的原因進行分析。

1.1 鐵磁非線性負載

變壓器、電機都是以磁場作為媒介來實現機電能量的轉換，因此，其鐵心等部件都廣泛采用導磁性能良好的鐵磁材料。而鐵磁材料的磁感應強度和磁場強度呈非線性關系，其關系曲線稱為磁化曲線。磁通量與磁感應強度、電流與磁場強度都呈線性關系，因此，磁通量與電流的關系曲線同樣符合磁化曲線。正是由于鐵磁材料的這種非線性關系，當變壓器、電機工作在非線性區時（即發生磁飽和現象），就會產生諧波。此外，在交變磁場的作用下，鐵磁材料還存在磁滯現象，這會導致變壓器、電機的諧波成分更復雜，如圖1所示。

圖1 鐵磁非線性負載考慮磁滯磁通-電流曲線

不過，變壓器、電機產生的諧波都是基于其工作在非線性區時才會產生的，在艦船綜合電力系統中，當變壓器、電機在正常穩態運行的條件下，基本上都處于線性區，諧波電流含量很少，不會造成電力系統電壓或電流的較大畸變，僅在變壓器和電機剛投入運行或非正常條件運行才會發生。對于艦船綜合電力系統中配置的大容量推進變壓器通常會進行預充磁，其目的除了減小大容量變壓器起動沖擊電流和浪涌電流外，還可減少變壓器投入運行時的諧波電流。因此，現階段變壓器、電機等鐵磁非線性負載已不再是主要的諧波源。

1.2 電力電子裝置

近幾十年來，隨著電力電子技術的發展和不斷完善，整流裝置、交流調制電路和周波變流電路等電力電子裝置普遍應用于艦船綜合電力系統中，這些裝置都是按一定規律開閉不同電路，其工作原理都是改變電壓或電流的波形，因而必定將產生諧波并注入電力系統。電力電子裝置的廣泛應用，使其成為現代電力系統主要的諧波源。電力電子裝置的接線和工作情況千差萬別，其產生的諧波也不盡相同。以現階段艦船綜合電力系統中應用廣泛的大功率電力推進裝置為例，一般都采用變頻器控制，內部采用AC-DC-AC環節。雖然有文獻指出：當電源容量為無窮大、內阻抗為0時，可以認為整流負荷的端電壓（即電網側）總是正弦的，即負荷中有諧波電流，而端電壓仍維持正弦波形。然而，對于船舶電力系統而言，基本都是采用發電機組作為電源，其總容量有限，內阻抗也不能忽略。因此，當負載側有畸變的諧波電流時，總的畸變諧波電流將在發電機組內阻抗上引起電勢的畸變，進而引起系統電壓的畸變。

1.3 強非線性、沖擊性負載

在艦船綜合電力系統中，將會應用大量高能武器（如電磁彈射裝置、電熱化學炮等）、電氣防護系統、飛機彈射/回收系統及相控陣雷達等設備，都是具有強非線性、沖擊性的負載。如不采取相應的控制措施，這類負載會對艦船綜合電力系統產生強烈沖擊，造成非常嚴重的波形畸變。SMOLLECK等研究了脈沖負載對電力系統的影響，包括電壓閃變、暫態、穩定性和發電機組頻率等影響。一般來說，在艦船上裝備的此類強非線性、沖擊負載，幾乎都是通過儲能或電力電子裝置與艦船綜合電力系統相連，其對系統的影響大部分已被這些裝置進行了平抑。因此，對艦船綜合電力系統而言，此類強非線性、沖擊負載呈現的仍是電力電子裝置的特性。KULKARNI等研究了簡化的船舶綜合電力系統中，脈沖負載在儲能裝置離線與在線時對船舶綜合電力系統的不同影響，表明在儲能裝置離線時，船舶電力系統的系統電壓將會產生較大的波形畸變。有關強非線性、沖擊性負載對艦船綜合電力系統的影響以及其防護措施，后期還需要開展更多的研究。

2 諧波的危害

諧波對電力系統的污染日益嚴重，它對各種電器設備都有不同程度的影響和危害。對于諧波的影響和危害，應當引起科研設計人員的高度重視。

2.1 對旋轉電機和變壓器的影響

2.2 對電纜的影響

在交流系統中，電纜會有集膚效應和鄰近效應，這2種效應都取決于頻率、導體尺寸、電纜結構和間距。諧波的存在會使得這2種效應更為顯著，導致額外的損耗。

2.3 對保護繼電保護裝置和自動裝置的影響

對艦船上常用的電磁型繼電器，其電磁動作轉矩為：

式中：L為動觸頭與支點的力臂長度，m；為電磁力，N；為磁通量，Wb；為真空磁導率，H/m；為線圈磁通截面積，m；為線圈匝數；R為磁通所經過磁路的磁阻，H；為通入線圈的電流有效值，A。

可見，電磁動作轉矩與線圈電流有效值的平方成正比。因此，當諧波含量較高時，電磁型繼電器將受到更大的電磁動作轉矩作用，而通常電磁型電流繼電器都是按基波電流整定的，其有可能會發生誤動作。

此外，諧波還會影響艦船上常用的自動準同期裝置的正常工作，當諧波含量較高時，可能使裝置拒發合閘脈沖，錯發調頻脈沖，甚至于既發減速脈沖又發加速脈沖。

2.4 對敏感電子設備的影響

諧波還會對通信等敏感電子設備產生干擾，損害通信的清晰度。

2.5 諧波諧振的影響

如果在艦船綜合電力系統中應用有多個靜止無功補償器（static var compensator, SVC）等電容器組，系統會存在多個諧振頻率，諧振可能會與負載諧波一同發生，將諧波放大，導致設備升溫，引起電器設備降額、并聯電容器損壞等后果，危害電力系統安全穩定運行。因此，諧波諧振問題是必須要避免的。

3 諧波治理

隨著艦船綜合電力系統的發展，上艦設備使用的電力電子裝置的容量越來越大，數量也越來越多。這些電氣設備產生大量的諧波電流注入電網，已經嚴重威脅到艦船綜合電力系統的安全運行，必須采取措施，對諧波進行治理，才能保證電力系統的安全運行和接入電網的各種用電設備的可靠工作。

3.1 諧波限制標準

電力系統中的總諧波含量可以用方均根電壓U或電流I表達：

式中：U為第次諧波電壓有效值。

式中：I為第次諧波電流有效值。

通常，電壓諧波總畸變率THD（total harmonic distortion）和電流諧波總畸變率THD用來表征電力系統的諧波水平，其分別定義為：

式中：為基波電壓有效值。

式中：為基波電流有效值。

目前，已有多個標準針對上述諧波指標制定了相應限值（見表1），其都是對電力系統的電壓水平提出的諧波限值。

表1 諧波標準的對比

但是，GJB 4000-2000和CCS等船用標準規范對6 kV及以上的中壓電力系統的諧波限值尚未作出明確規定，且對各次諧波的限值也未區分奇次與偶次。在艦船綜合電力系統中采用較多的中壓電力系統，對系統諧波的指標限值規定缺乏船用標準的支撐，目前僅有國標的規定作為參考，需要開展船用標準規范的制定或修訂工作。

除了上述對電力系統提出的諧波指標限值外，更應該關注用電設備注入系統的諧波電流的限值，GJB 4000-2000中對此也作出相應規定，見表2。這將指導艦船綜合電力系統的諧波治理，在系統設計時應仔細分析、確定系統中可能的諧波源，并參考標準規范對其諧波含量進行限制。

表2 用電設備的諧波電流允許值（GJB 4000-2000）

但是，從表2中可以看出，現行標準對設備注入系統的諧波電流限值未按電壓等級進行區分，也未按負載容量大小進行區分，且對多個接入系統的設備也未按容量之比進行指標分配。按此要求對艦船綜合電力系統中設備的諧波注入水平進行控制，有可能會導致系統諧波電壓總含量超標，進而需要進行系統補償。

3.2 源端抑制

解決電力系統諧波污染問題的一個主要思路就是改造電力電子裝置，在諧波產生的源頭進行抑制，使其不產生諧波或盡可能減少諧波的產生。例如，換流裝置通過適當的變壓器繞組相移進行脈沖數擴展，可以進行高脈沖運行操作，即相位倍增。一般地說，以/6個相角差為2π/的變壓器可構成脈動整流，其將產生特征諧波為±1次的諧波（為換流裝置的脈沖數），倍增的脈沖數越高，諧波電流的次數越高，即不產生較低次數的諧波。同時，由于諧波電流的大小與諧波的次數成反比，即諧波的次數越高，諧波電流的大小就越小。通過擴展脈沖數可以消除較低次數的諧波，減少其產生的諧波，大大改善電壓波形。利用相位倍增構成多脈沖整流電路，其具有實現簡單、成本低和可靠性高等優點，在大功率整流系統中得到廣泛應用，這也是目前我國艦船上常用的諧波治理方法。

3.3 系統補償

從系統總體角度出發，治理電力系統諧波問題還可以通過裝設各種無源濾波器、有源濾波器以及混合型濾波器，一般濾波器安裝位置都是盡可能靠近諧波源。

無源濾波器是傳統的諧波補償裝置，其存在一些固有的缺點：無源濾波器只能針對特定次數的諧波進行抑制，諧波抑制的效果受到電力系統及線路阻抗變化的影響，可能產生諧波諧振反而導致諧波的放大效應。但是，由于其具有結構簡單、設備投資較少、運行可靠性較高等優點，其至今仍然可以應用于一些需求相對簡單的場所，比如通常對所有進入報房、無線電室等有電磁屏蔽要求的處所的電力電纜都采用無源濾波器進行諧波抑制。

有源濾波器是1種用于動態抑制諧波的電力電子裝置，它能對大小和頻率都變化的諧波進行迅速的動態跟蹤補償，且能克服傳統無源濾波器的缺點。其工作原理是檢測補償對象的電壓和電流，經運算電路計算、補償電流發生電路放大，得出補償電流抵消諧波電流，最終得到理想的正弦波形電流。周健以某半潛船改裝項目為例，其電站總容量約5.7 MW，加裝后配置了6臺通過6脈波變頻器驅動控制的總容量約1.6 MW的壓載泵。通過仿真驗證，由于變頻器采用二極管不可控整流，在未進行系統補償之前，系統母線電壓總諧波畸變率高達13.88%，最大單次電壓諧波畸變率高達10%，均超過標準規范所規定的電壓諧波畸變限值；在系統兩段母排上各增設1套有源濾波器后，對系統諧波進行抑制，系統補償后的母線電壓總諧波畸變率降至3.2%，最大單次電壓諧波畸變率降至2.2%。可見，有源濾波器在治理諧波、提高電能質量方面有較為顯著的效果。然而，隨著要處理的系統容量增大，由于有源濾波器中變流器件所能處理的功率范圍及其開關頻率的限制，其在較大容量場合的應用將受到一定限制。

混合型濾波器則結合了無源濾波器和有源濾波器各自的優點，系統中大部分諧波主要由無源濾波器補償，而有源濾波器的主要作用則是改善無源濾波器的濾波特性、克服無源濾波器易受到系統參數的影響、易發生諧振等缺點。因此，混合型濾波器既可以克服單獨使用無源濾波器或有源濾波器的缺點，又可以充分發揮有源濾波器的優點，使得有源濾波器能以相對較低的容量應用于大容量場合，具有較高的性價比。黃彬等以某大型液化天然氣船（LNG）為例，其電站總容量約38.5 MW，系統中配置有2臺通過24脈波變頻器驅動控制的總容量為28 MW的推進電機。根據大量實際測量數據分析，在未進行系統補償之前，系統母線電壓總諧波畸變率為3.66%，最大單次電壓諧波畸變率為2.33%；在系統中變頻器整流側接入混合型濾波器后，對系統中的諧波進一步進行了抑制，系統補償后的母線電壓總諧波畸變率降至0.88%。由此案例可見，對諧波源采用24脈波的變頻器，首先進行了源端抑制，對系統的諧波已經有了很明顯的抑制，在未進行系統補償前，諧波含量已滿足規范要求；但是在應用混合型濾波器進行系統補償后，系統諧波含量可進一步降低，系統電能質量有更明顯的改善，驗證了混合型濾波器在大容量電力系統諧波治理和電能質量改善方面具有顯著效果。

3.4 其他措施

此外，也有科研工作者創造性地提出一種控制策略，將三次諧波與基波共同作用，利用三次諧波做功，實現材料利用率提高的目的，并成功研制出大容量新型感應推進電動機以及其配套的變頻調速控制裝置，開創了諧波治理的新方向。

4 結 語

本文論述了艦船綜合電力系統諧波的產生來源及其危害，總結了目前常用的諧波治理方法，主要是從諧波源端抑制和系統補償兩方面進行闡述。在進行艦船綜合電力系統設計時，需要綜合考慮，除嚴格控制接入系統的設備的諧波水平外，還需要建立詳細的系統模型，確定是否需要進行系統補償以及補償方式，以滿足系統諧波控制要求。