黃 偉 陳 誠 周家琛 趙志軍

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海 200011）

0 引 言

2013年，隨著美國海軍大型驅(qū)逐艦（DDG1000）的正式下水，拉開了將第1代艦船綜合電力系統(tǒng)（integrated power system, IPS）應(yīng)用于軍用戰(zhàn)斗艦艇的序幕，各國艦船也都朝著應(yīng)用艦船綜合電力系統(tǒng)的方向發(fā)展。艦船綜合電力系統(tǒng)將傳統(tǒng)的推進系統(tǒng)和電力系統(tǒng)合二為一，二者以電能的形式統(tǒng)一起來，這就意味著大型水面艦船電力系統(tǒng)的容量將大幅度增加，達到百兆瓦級以上，是傳統(tǒng)艦船電力系統(tǒng)容量的數(shù)十倍甚至上百倍。以美國大型驅(qū)逐艦（DDG1000）為例，其電站總?cè)萘恳堰_到78 MW。艦船綜合電力系統(tǒng)容量井噴式增長，其一大優(yōu)點就是可以在極短時間內(nèi)提供相當(dāng)大容量的電能，以滿足高能武器發(fā)射時所需要的能量，這是傳統(tǒng)小容量的艦船電力系統(tǒng)所無法比擬的；但與此同時，艦船綜合電力系統(tǒng)也將面臨諸多困難與挑戰(zhàn)，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(diào)制變頻器等非線性設(shè)備大量應(yīng)用于電力推進設(shè)備、大功率電動機以及大功率特種裝備，會引起負(fù)載電流的畸變，大量非線性設(shè)備的負(fù)載畸變電流將會累積，總的畸變電流將會引起發(fā)電機組內(nèi)部阻抗上電勢的畸變，進而導(dǎo)致發(fā)電機組輸出電壓的畸變，對艦船綜合電力系統(tǒng)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(dāng)前艦船綜合電力系統(tǒng)運行的自動化、智能化程度越來越高，諧波的存在會嚴(yán)重威脅艦船綜合電力系統(tǒng)的安全運行。因此，有必要仔細(xì)分析艦船綜合電力系統(tǒng)諧波產(chǎn)生的原因，研究其有害影響，總結(jié)現(xiàn)階段常用的諧波抑制方法，找準(zhǔn)艦船綜合電力系統(tǒng)諧波治理的方向。

1 諧波的產(chǎn)生

理想電能質(zhì)量的交流電力系統(tǒng)應(yīng)具有恒定的工頻頻率、正弦形的電壓和電流，而電力系統(tǒng)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(fā)生了波形畸變；對畸變的波形進行傅里葉級數(shù)分解后，可以得到一系列頻率為基波頻率整數(shù)倍的正弦波分量，即為諧波。IEEE標(biāo)準(zhǔn)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(shù)倍”（我國取工業(yè)用電頻率50 Hz為基波頻率）。電力系統(tǒng)諧波產(chǎn)生的原因有很多，可大致將電力系統(tǒng)中的諧波源分為3類：第1類是鐵磁非線性負(fù)載，第2類是電力電子裝置，第3類是強非線性、沖擊性負(fù)載。本文首先依次對這3類諧波源產(chǎn)生的原因進行分析。

1.1 鐵磁非線性負(fù)載

變壓器、電機都是以磁場作為媒介來實現(xiàn)機電能量的轉(zhuǎn)換，因此，其鐵心等部件都廣泛采用導(dǎo)磁性能良好的鐵磁材料。而鐵磁材料的磁感應(yīng)強度和磁場強度呈非線性關(guān)系，其關(guān)系曲線稱為磁化曲線。磁通量與磁感應(yīng)強度、電流與磁場強度都呈線性關(guān)系，因此，磁通量與電流的關(guān)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(guān)系，當(dāng)變壓器、電機工作在非線性區(qū)時（即發(fā)生磁飽和現(xiàn)象），就會產(chǎn)生諧波。此外，在交變磁場的作用下，鐵磁材料還存在磁滯現(xiàn)象，這會導(dǎo)致變壓器、電機的諧波成分更復(fù)雜，如圖1所示。

圖1 鐵磁非線性負(fù)載考慮磁滯磁通-電流曲線

不過，變壓器、電機產(chǎn)生的諧波都是基于其工作在非線性區(qū)時才會產(chǎn)生的，在艦船綜合電力系統(tǒng)中，當(dāng)變壓器、電機在正常穩(wěn)態(tài)運行的條件下，基本上都處于線性區(qū)，諧波電流含量很少，不會造成電力系統(tǒng)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(fā)生。對于艦船綜合電力系統(tǒng)中配置的大容量推進變壓器通常會進行預(yù)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(xiàn)階段變壓器、電機等鐵磁非線性負(fù)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(shù)的發(fā)展和不斷完善，整流裝置、交流調(diào)制電路和周波變流電路等電力電子裝置普遍應(yīng)用于艦船綜合電力系統(tǒng)中，這些裝置都是按一定規(guī)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(chǎn)生諧波并注入電力系統(tǒng)。電力電子裝置的廣泛應(yīng)用，使其成為現(xiàn)代電力系統(tǒng)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(chǎn)生的諧波也不盡相同。以現(xiàn)階段艦船綜合電力系統(tǒng)中應(yīng)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(nèi)部采用AC-DC-AC環(huán)節(jié)。雖然有文獻指出：當(dāng)電源容量為無窮大、內(nèi)阻抗為0時，可以認(rèn)為整流負(fù)荷的端電壓（即電網(wǎng)側(cè)）總是正弦的，即負(fù)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(tǒng)而言，基本都是采用發(fā)電機組作為電源，其總?cè)萘坑邢?，?nèi)阻抗也不能忽略。因此，當(dāng)負(fù)載側(cè)有畸變的諧波電流時，總的畸變諧波電流將在發(fā)電機組內(nèi)阻抗上引起電勢的畸變，進而引起系統(tǒng)電壓的畸變。

1.3 強非線性、沖擊性負(fù)載

在艦船綜合電力系統(tǒng)中，將會應(yīng)用大量高能武器（如電磁彈射裝置、電熱化學(xué)炮等）、電氣防護系統(tǒng)、飛機彈射/回收系統(tǒng)及相控陣?yán)走_等設(shè)備，都是具有強非線性、沖擊性的負(fù)載。如不采取相應(yīng)的控制措施，這類負(fù)載會對艦船綜合電力系統(tǒng)產(chǎn)生強烈沖擊，造成非常嚴(yán)重的波形畸變。SMOLLECK等研究了脈沖負(fù)載對電力系統(tǒng)的影響，包括電壓閃變、暫態(tài)、穩(wěn)定性和發(fā)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(fù)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(tǒng)相連，其對系統(tǒng)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(tǒng)而言，此類強非線性、沖擊負(fù)載呈現(xiàn)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(tǒng)中，脈沖負(fù)載在儲能裝置離線與在線時對船舶綜合電力系統(tǒng)的不同影響，表明在儲能裝置離線時，船舶電力系統(tǒng)的系統(tǒng)電壓將會產(chǎn)生較大的波形畸變。有關(guān)強非線性、沖擊性負(fù)載對艦船綜合電力系統(tǒng)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(tǒng)的污染日益嚴(yán)重，它對各種電器設(shè)備都有不同程度的影響和危害。對于諧波的影響和危害，應(yīng)當(dāng)引起科研設(shè)計人員的高度重視。

2.1 對旋轉(zhuǎn)電機和變壓器的影響

2.2 對電纜的影響

在交流系統(tǒng)中，電纜會有集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，這2種效應(yīng)都取決于頻率、導(dǎo)體尺寸、電纜結(jié)構(gòu)和間距。諧波的存在會使得這2種效應(yīng)更為顯著，導(dǎo)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(zhuǎn)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(dǎo)率，H/m；為線圈磁通截面積，m；為線圈匝數(shù)；R為磁通所經(jīng)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(zhuǎn)矩與線圈電流有效值的平方成正比。因此，當(dāng)諧波含量較高時，電磁型繼電器將受到更大的電磁動作轉(zhuǎn)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(fā)生誤動作。

此外，諧波還會影響艦船上常用的自動準(zhǔn)同期裝置的正常工作，當(dāng)諧波含量較高時，可能使裝置拒發(fā)合閘脈沖，錯發(fā)調(diào)頻脈沖，甚至于既發(fā)減速脈沖又發(fā)加速脈沖。

2.4 對敏感電子設(shè)備的影響

諧波還會對通信等敏感電子設(shè)備產(chǎn)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(tǒng)中應(yīng)用有多個靜止無功補償器（static var compensator, SVC）等電容器組，系統(tǒng)會存在多個諧振頻率，諧振可能會與負(fù)載諧波一同發(fā)生，將諧波放大，導(dǎo)致設(shè)備升溫，引起電器設(shè)備降額、并聯(lián)電容器損壞等后果，危害電力系統(tǒng)安全穩(wěn)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(tǒng)的發(fā)展，上艦設(shè)備使用的電力電子裝置的容量越來越大，數(shù)量也越來越多。這些電氣設(shè)備產(chǎn)生大量的諧波電流注入電網(wǎng)，已經(jīng)嚴(yán)重威脅到艦船綜合電力系統(tǒng)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(tǒng)的安全運行和接入電網(wǎng)的各種用電設(shè)備的可靠工作。

3.1 諧波限制標(biāo)準(zhǔn)

電力系統(tǒng)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(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)針對上述諧波指標(biāo)制定了相應(yīng)限值（見表1），其都是對電力系統(tǒng)的電壓水平提出的諧波限值。

表1 諧波標(biāo)準(zhǔn)的對比

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

除了上述對電力系統(tǒng)提出的諧波指標(biāo)限值外，更應(yīng)該關(guān)注用電設(shè)備注入系統(tǒng)的諧波電流的限值，GJB 4000-2000中對此也作出相應(yīng)規(guī)定，見表2。這將指導(dǎo)艦船綜合電力系統(tǒng)的諧波治理，在系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)仔細(xì)分析、確定系統(tǒng)中可能的諧波源，并參考標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對其諧波含量進行限制。

表2 用電設(shè)備的諧波電流允許值（GJB 4000-2000）

但是，從表2中可以看出，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對設(shè)備注入系統(tǒng)的諧波電流限值未按電壓等級進行區(qū)分，也未按負(fù)載容量大小進行區(qū)分，且對多個接入系統(tǒng)的設(shè)備也未按容量之比進行指標(biāo)分配。按此要求對艦船綜合電力系統(tǒng)中設(shè)備的諧波注入水平進行控制，有可能會導(dǎo)致系統(tǒng)諧波電壓總含量超標(biāo)，進而需要進行系統(tǒng)補償。

3.2 源端抑制

解決電力系統(tǒng)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(chǎn)生的源頭進行抑制，使其不產(chǎn)生諧波或盡可能減少諧波的產(chǎn)生。例如，換流裝置通過適當(dāng)?shù)淖儔浩骼@組相移進行脈沖數(shù)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(gòu)成脈動整流，其將產(chǎn)生特征諧波為±1次的諧波（為換流裝置的脈沖數(shù)），倍增的脈沖數(shù)越高，諧波電流的次數(shù)越高，即不產(chǎn)生較低次數(shù)的諧波。同時，由于諧波電流的大小與諧波的次數(shù)成反比，即諧波的次數(shù)越高，諧波電流的大小就越小。通過擴展脈沖數(shù)可以消除較低次數(shù)的諧波，減少其產(chǎn)生的諧波，大大改善電壓波形。利用相位倍增構(gòu)成多脈沖整流電路，其具有實現(xiàn)簡單、成本低和可靠性高等優(yōu)點，在大功率整流系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，這也是目前我國艦船上常用的諧波治理方法。

3.3 系統(tǒng)補償

從系統(tǒng)總體角度出發(fā)，治理電力系統(tǒng)諧波問題還可以通過裝設(shè)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(tǒng)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(shù)的諧波進行抑制，諧波抑制的效果受到電力系統(tǒng)及線路阻抗變化的影響，可能產(chǎn)生諧波諧振反而導(dǎo)致諧波的放大效應(yīng)。但是，由于其具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)備投資較少、運行可靠性較高等優(yōu)點，其至今仍然可以應(yīng)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(tài)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(tài)跟蹤補償，且能克服傳統(tǒng)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(jīng)運算電路計算、補償電流發(fā)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?cè)萘考s5.7 MW，加裝后配置了6臺通過6脈波變頻器驅(qū)動控制的總?cè)萘考s1.6 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(tǒng)補償之前，系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)范所規(guī)定的電壓諧波畸變限值；在系統(tǒng)兩段母排上各增設(shè)1套有源濾波器后，對系統(tǒng)諧波進行抑制，系統(tǒng)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%?？梢?，有源濾波器在治理諧波、提高電能質(zhì)量方面有較為顯著的效果。然而，隨著要處理的系統(tǒng)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(guān)頻率的限制，其在較大容量場合的應(yīng)用將受到一定限制。

混合型濾波器則結(jié)合了無源濾波器和有源濾波器各自的優(yōu)點，系統(tǒng)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(tǒng)參數(shù)的影響、易發(fā)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(fā)揮有源濾波器的優(yōu)點，使得有源濾波器能以相對較低的容量應(yīng)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?cè)萘考s38.5 MW，系統(tǒng)中配置有2臺通過24脈波變頻器驅(qū)動控制的總?cè)萘繛?8 MW的推進電機。根據(jù)大量實際測量數(shù)據(jù)分析，在未進行系統(tǒng)補償之前，系統(tǒng)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(tǒng)中變頻器整流側(cè)接入混合型濾波器后，對系統(tǒng)中的諧波進一步進行了抑制，系統(tǒng)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(tǒng)的諧波已經(jīng)有了很明顯的抑制，在未進行系統(tǒng)補償前，諧波含量已滿足規(guī)范要求；但是在應(yīng)用混合型濾波器進行系統(tǒng)補償后，系統(tǒng)諧波含量可進一步降低，系統(tǒng)電能質(zhì)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(tǒng)諧波治理和電能質(zhì)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(chuàng)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(xiàn)材料利用率提高的目的，并成功研制出大容量新型感應(yīng)推進電動機以及其配套的變頻調(diào)速控制裝置，開創(chuàng)了諧波治理的新方向。

4 結(jié) 語

本文論述了艦船綜合電力系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生來源及其危害，總結(jié)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(tǒng)補償兩方面進行闡述。在進行艦船綜合電力系統(tǒng)設(shè)計時，需要綜合考慮，除嚴(yán)格控制接入系統(tǒng)的設(shè)備的諧波水平外，還需要建立詳細(xì)的系統(tǒng)模型，確定是否需要進行系統(tǒng)補償以及補償方式，以滿足系統(tǒng)諧波控制要求。