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电力推进船舶电网的谐波抑制
：
：
Harmonic problems in the power system
of electric
propulsion ships are
summarized in this paper
，
The paper
introduces the cause and harm of
harmonic
，
discusses
method of harmonic
control
，
makes
use of frequency
conversion cable
，
and take notice
of shipyard build
technology. It gives
reference on design and building of
electric propulsion ship.
1
前言
舰船综合电力推进系统是指由共同的发电机组产生大功率
的
电力，同时满足舰船所有负荷一推进系统、日用负载、传感器
系统以及舰
载武器等。
它将船舶发电与推进用电、
舰载设备用电
集成在统一的系统
内，
从而实现发电、
配电与电力推进用电及其
他设备用电统一调度和集
中控制。
这种全新的推进系统与传统的
机械推
进方式相比，具有噪音低、
调速性能好、效率高、可靠性
好、重量体积小、布置灵活等优点。
目前综合电力推进系统普遍采用大功率的变频器等非线性
负载，在变频器工作时会产生谐波失真（
THD
并分布到电网中，
形成严重
的谐波污染。
谐波失真是相对于正弦电压或正弦电流波
形的偏差，
CCS
和
DNV
规范及
GJB
等对谐波都有明确的指标要求。
根据
CCS
《钢质海船入级规范》（
2012
），电压波形的总谐
波失真（
THD
为所
含谐波的均方分根值与基波的均方根值之比
（以百分比数表示），可用下式计算：
VTHD=x100%
（
1
）
式中：
VTH
■—总的谐波电压失真；
Vh
阶谐波电压的均方根值；
V1
――基波电压的均方根植；
CCS
《钢质海船入级规范》（
2012<
/p>
）规定供电电源的电压谐
波（
THD
成分不大于
5%
DNV
规范规定，配电系统中的电压谐
波（
THD
成分不大于
5%
《舰船通用规范
3
组电力系统》中将
交流电力品质特性参数规定为：
对于船舶电力系统，
正弦波形畸
变率在
5%
之内，最大的单次谐波含量为
3%
。
2
谐波的危害
电力推进系统中的谐波会
污染连接到同一个电网上的电
容
器、电抗器、变压器、电缆、电机，从而产生各类故障。谐波对
船舶电
力系统和其他用电设备危害，主要表现在以下几个方面：
（
1
）引起
谐振和谐波电流放大
对谐波频率而言，系统的感抗会大大增加而容抗大大减少，
<
/p>
可能产生
并联谐振或串联谐振。这些谐振会使谐波电流放大几
倍、十几倍甚至几十
倍，
对系统特别是对电容和与之串联的电抗
器形成很大的的威胁，常使电
容器和电抗器烧毁。
（
2
）对电机的影响
谐波会引起电机附加损耗，
使之发热达不到额定功率，
损耗
随着谐
波成分增加而增加。同时，谐波会使电机产生机械振动，
使其
局部过热、
绝缘老化，缩短使用寿命甚至损坏。
（
3
）对配电系统的影响
谐波电流一方面在供配电线路上产生谐波电
压降；另一方
面，增加了线路上电流有效值从而引起附加输电损耗。
配电
电缆
的电场强度随着谐波电压的最大值升高而增强，
这就影响了电缆
的
使用寿命。
据有关资料介绍，
谐波的影响将使电缆的使用寿命
平均下降
约
60%
。高次谐波可能在船舶电力系统中发生电压谐振，
在线路上引起过
电压，可能击穿电缆、导线及设备的绝缘，引起
重大事故。
（
4
）对计算机、通信系统的干扰
谐波一般通过电容耦合、
电磁感应及电气传导三种方式影响
计
算
机、通信系统，载频低的信号受影响更大。谐波会对测量、
保护、控制、
操作等系统中的仪表、仪器和设备造成影响。谐波
对计算机的干扰，
主要
是影响磁性元件和数据处理系统的精度和
性能，从而影响计算机处理数据
的质量。
谐波还使电缆在电流传
输过程中产生
电磁干扰，干扰船上的敏感
电子器件。
（
5
）对继电器和控制电路的影响
谐波会改变保护继电器的性能，引
起误动作或拒绝动作。
3
谐波的抑制
谐波抑制的目的是采取一定的办法将谐波减小至标准、
规范
允许的
范围之内，以保证船舶电网及用电设备的安全经济运行。
3.1
变频器的选用与谐波的抑制
推进电动机的变频器是大型船舶电
力系统谐波的主要来源，
变频器的配置直接影响到电网的谐波指标。
在设
计时要根据船舶
的电站容量和推进、
配电等设备配置情况，
计算各种工
况下该船
的
THD
皆波分析或进行仿真，选用合适的变频技术方
案，女口：
PMW
（脉宽调频）、
PAM
（脉冲幅度调频）方式，或选择
6
脉冲、
12
脉冲、
虚拟
24
脉冲或纯
24
脉冲等。
变频器有电压型交
-
直
-
交变频器和电流型交
-
直
-
交变频器，
通用
型变频器大都为电压型交
-
直
-
交变频器。<
/p>
6
脉冲变频器是最
< br>基本的类
型，应用非常广泛。目前发展出
12
脉冲变频装置、虚
拟
24
脉冲、纯
24
脉冲变频装置等。与
6
脉冲变频装置相比，
12
脉冲变频装置具有系统响
应快、
谐波量少、损耗降低、转矩脉动
低等优点。如今在很多大容量
、高
压的场合，
6
脉冲变频器已无
法达到要求。
目前多采用
12
脉冲变频器，
整流脉冲数越
多，其整流输出的脉动频率越高、脉动周期越短、脉动的幅值越
小、输出
的电压越高，也就越接近交流电压的峰值。
6
脉冲变频器的波形如图
1
示意；
12
脉冲变频器的波形如图
2
示意。
这种整流电路的优点是把整流电路的脉波数由
6
提高到
12
，
从而大
大改善了输入电流波形（见图
2
）
，降低输入谐波电流，
总谐波电流失
真约
10%
左右。虽然
12
脉波整流电路的谐波电流
大大下降，但还不能达
5%
的要求，
虚拟
24
脉冲和<
/p>
24
脉冲变频器的总谐波失真
(
THD
才能满足要
求
。
24
脉冲
变频器一般是由两个并联的
12
脉冲变频器组成，由
于要多一倍的整流逆
到规范规定的总谐波失真小于
变单元及移相变压器，
故总的设备重量和体
积显著增加，价格也较贵。
目前比较经济的技术手段是采用虚拟
24
脉冲方案，图
3
为
虚拟
24
脉冲的典型原理图。图中将虚拟
2
4
脉冲分为
A
部分
(
T1
、
C1
、
M1
和