船舶综合电力推进系统电力谐波标准探讨

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船电技术|电力推进Vol.32No.32012.3船舶综合电力推进系统电力谐波标准探讨张志强马守军余林刚（海军装备研究院，北京10073）摘要：交流推进系统中的大功率变流装置产生大量高次谐波，对船舶电力系统发、配、用电设备造成不良影响，甚至出现严重危害。为了控制谐波“污染”，各国和船级社都对谐波制定了相关标准，虽然都是针对电力系统谐波提出的限制标准，但是这些标准在范围、内容、限制指标上存在较大差异。文中对几种常用标准的谐波限值指标进行了对比和分析，对综合电力推进船舶的谐波标准进行了初步探讨。关键词：谐波标准限值综合电力推进船舶中图分类号：TM71文献标识码：A文章编号：1003-4862(2012)03-0012-04DiscussionofPowerHarmonicStandardinIntegratedElectricPropulsionSystemZhangZhiqiang,MaShoujun,YuLingang(NavalAcademyofArmament,Beijing100073,China)Abstract：TheACpropulsionsystemofhigh-powerconverterequipmentgeneratesalotofhighharmonicswhichmakesadverseeffectsforpowersystem,distribution,electricalequipment.Inordertocontrolharmonic"pollution",countriesandclassificationsocietieshavedevelopedstandardsforharmonics.Thesestandardsaremadeforpowersystemharmoniclimits,buttheyarequitedifferentinthescope,contentandlimits.Thispapercomparesandanalyzesseveralcommonlyindicatorsofthestandards,andgivesapreliminarystudyontheintegratedelectricpropulsionshipharmonicstandard.Keywords：harmonics;standard;limits;integratedelectricpropulsion;ship系统发、配、用电设备造成不良影响，甚至出现1引言严重危害。此外日用负载模块中的蓄电池组充放电力推进技术在船舶上，特别是在豪华游轮、电装置、船舶通讯、导航、报警设备和电视机、轮渡等船舶上早已广泛应用，但以往大多采用直电脑、节能灯等文娱、生活用电器都向电网注入[1,2]流电力推进系统。由于电力电子技术和计算机控各次谐波。为了控制谐波“污染”，各国和船级制技术的迅猛发展，使得交流电力推进系统逐渐社都对谐波制定了相关标准。虽然都是针对电力替代了直流电力推进系统。图1是典型的船舶综系统谐波提出的限制标准，但是这些标准在范围、合电力推进系统，全系统主要分为发电模块、推内容、限制指标上存在较大差异。进模块和日用负载模块及供电网络。本文针对电力推进船舶的特点，对各种标准船舶电站交流同步发电机产生的电压基本上的谐波限值指标进行了对比和分析，提出了电力是正弦波，即波形中基本无直流和高次谐波分量。推进船舶谐波限值指标的剪裁意见，为综合电力但是交流推进模块中的大功率变流装置产生大量推进船舶的论证，设计，建造和验收提供服务。高次谐波，对船舶电网造成“污染”，对船舶电力2船舶综合电力推进系统谐波特点收稿日期：2011-07-24综合电力推进船舶的电力系统与陆用电力系作者简介：张志强(1977-)，男，工程师，专业方向:舰统相比有较大区别，在分析综合电力推进系统的船电能质量及标准化谐波时要看清其特点：12 Vol.32No.32012.3船电技术|电力推进燃气轮机1柴油发电机1柴油发电机2燃气轮机2我国1993年颁布了国标《电能质量公用电[2]网谐波》（GB/T14549-93），对谐波限值做出了明确规定。除了各国颁布的谐波相关标准外，中压开关各船级社标准、国军标、IEEE标准、EN标准等中压谐波中压谐波滤波器滤波器低压谐波低压谐波都有相关谐波限值规定。滤波器滤波器低压开关电力系统谐波限制标准主要包括电压谐波限脉宽调制值和注入谐波电流允许值两部分。本文主要讨论脉宽调制交流变频器交流变频器谐波电压限值相关标准。电压谐波限值相关标准PMIPMI先进感应电动机先进感应电动机给出各电压等级下，总谐波畸变率及单次谐波含有量的最大限值，注入谐波电流允许值相关标准图1典型的船舶交流电力推进系统给出各电压等级电网中，允许连接于该电压等级（1）船舶电力系统容量小，非线性负载所占母线的非线性负载注入电网谐波电流的最大允许比例大，推进用变频调速装置就成为主要的谐波值。表1对国内外多个具有代表性的谐波电压限“污染源”，系统内谐波含量高。值标准进行对比。（2）船舶电力系统设计好以后，各种用电设4综合电力推进系统谐波限制分析备的数量和功率明确，使用状态相对固定，因而对谐波的监测、分析和抑制手段带来方便。目前，现有舰船相关标准中，仅仅给出了380（3）电力推进船舶的电力网络简单，电压等V等级低压电网电压谐波总畸变率和单次谐波最级少，中压网络上只有少数大功率负载如推进变大含量给出了规定，如表2所示。频器和螺旋桨电机、中压变压器、中压电动机等，船舶的相关标准并没有像陆用公用电网相关低压网络上的设备众多分布全船但单个功率较标准一样，给出690V、6kV、10kV等各电压等小。级的电压谐波限制标准，也没有给出各单次谐波（4）船舶电力系统布置空间有限，设备比较和间谐波含有量的具体限制值。因此，舰船电压集中，输电距离短，电缆可作为短线路处理，简谐波限制标准，应在现有低压电网电压谐波限制化处理时可以忽略。要求的基础上，有选择地借鉴相关公用电网电压谐波限制标准。3谐波限值相关标准介绍[3,4]表1谐波电压限值相关标准对比各次谐波含有率（%）电网电压（kV）电压总谐波畸变率（%）奇次偶次GB/T14595公0.384.02.05.0用电网电压谐波6、103.21.64.0（相电压）限定值35、662.41.23.01101.60.82.0电网电压（kV）单次谐波（%）电压总谐波畸变率（%）IEEE519公用电2.41381.01.5G5/3英国谐波标各次谐波含有率（%）系统电压（kV）电压总谐波畸变率（%）准的系统谐波电奇次偶次压限值0.4154256.6及1131.75433及6621313 船电技术|电力推进Vol.32No.32012.313210.51.5注：谐波次数小于20奇次谐波（非3的倍数次）奇次谐波（3的倍数次）偶次谐波hHRh（%）hHRh（%）hHRh（%）5635227591.541113.5150.360.5IEC61000-2-2低133≥210.280.5压公用电网电压172－－100.5谐波限定值191.5－－≥120.2231.5－－－－251.5－－－－≥290.2+12.5/h－－－－注：对直到40次的电压谐波THD≤8%。奇次谐波（非3的倍数次%）奇次谐波（3的倍数次）（%）偶次谐波（%）次数1类2类3类次数1类2类3类次数1类2类3类hHRhHRhHRhhHRhHRhHRhhHRhHRhHRh536833/53/552223735791.51.52.54111.51133.55150.30.3260.50.5113334.5210.20.21.7580.50.51IEC17324>210.20.21100.50.5161000-2191.51.54－－－－＞100.20.21-4电压231.51.53.5－－－－－－－－谐波限251.51.53.5－－－－－－－－定值＞250.2+0.2+15(11/h)1－－－－－－－－12.5/h2.5/h/2注：对于1类，电压谐波THD≤5%；对于2类，电压谐波THD≤8%；对于3类，电压谐波THD≤10%。IEC61000-2-4间电压谐波限定值次数h<1111~1313~1717~1919~2323~25>251类HRh(%)0.20.20.20.20.20.20.22类HRh(%)0.20.20.20.20.20.20.23类HRh(%)2.52.25221.751.51表2舰船相关标准380V等级低压电网电压谐波限定值[5]标准GJBDNVIEC德国LORDSCCS英军标美军标电压谐波总畸变率（%）5558555单数次谐波含有量（%）333－333注：（1）虽然部分文献声明，IEC、LORDS、DNV等船舶标准对中压电网的电压谐波畸变放宽了要求，例如电压总谐波畸变率≤8％或10％，但是查看相关标准文本，并未看到相关规定。（2）除军用标准外，所有民用标准声明，如果超过限制上述限制要求，应提供文件说明，负载及配电设备可以承受实际的谐波影响。14 Vol.32No.32012.3船电技术|电力推进对于陆用电网当低压电网电压总谐波畸变率时可以考虑用该类兼容性标准。为5％时，随着配电系统电压等级的升高，各级IEC61000-2-4标准将谐波问题归结在电磁兼高压配电系统电压总谐波畸变率逐渐降低。这是容范围内，根据设备不同的使用环境提出谐波限由于公用电网规模较大，绝大部分谐波源都在中、制要求，而并不是像IEC61000-2-2等公用电网标低压电网，随着电压等级的升高，公共连接点短准一样根据不同电压等级提出谐波限制要求。考路容量变大，相同的谐波源引起的上一级电网电虑到我国国家标准及其它国家标准越来越多地等压总畸变率降低。反过来从需求上分析，公用电效或等同采用IEC标准，舰船电力推进系统谐波网供电区域广，尤其是中、高压等级，当中、高标准限值可参照IEC61000-2-4标准。压等级电压总谐波畸变率大时，全网设备会受到5结论谐波影响，影响范围大而且危害广。因此在电力系统设计中应秉承就地控制谐波的原则，对中、谐波标准是控制电网谐波含量的主要技术依高压等级电压总谐波畸变率要严格控制。据。谐波标准实质上是合理解决谐波源和电网之对于舰船而言，常规舰船电力系统一般采用间谐波干扰的电磁兼容，并保证电网安全和经济三相交流380V（220V）一级主供电网络，综合运行的重要标准。电力推进系统采用3/6/11kV、（690V）、380V两量化是制定谐波标准工作的核心内容，涉及级或三级主供电网络，电力系统网络短路容量有对谐波问题发生原因和干扰传播机理的认识，对限。而且，综合电力推进系统最大的谐波源是推用电设备承受干扰能力的分析和测试，以及对抑进变频器，变频器都是直接或通过推进变压器由制扰动和质量达标等技术的保证。在制定谐波标中压主电网供电，相当于主谐波源在中压侧，低准时应注意到，不是制定的指标越高越好，其指压侧谐波源幅值远小于中压侧，中压系统谐波电标量化的目的是将电力系统整体的安全和经济与流通过日用变压器注入低压电网，造成低压电网基本保证用电的可靠性联系起来，进行综合优化电压畸变。从原理上讲，综合电力系统不可能像协调，制定出适度的和可达到的技术指标。在制公共电网一样，中压电网电压总谐波畸变率低于定谐波标准时应结合国情，综合考虑上述因素，低压电网，因此不能采用GB/T14595等公用电同时向国际标准靠近以利于国际间的交流和产品网标准。的标准化。IEC61000-2-4《工业设备低频传导干扰的参考文献：兼容水平》该标准将低频电磁环境分为三类，制定了各类电磁环境下的谐波兼容标准，三类电磁[1]肖湘宁.电能质量分析与控制.[M].中国电力出版[3,6]环境分别为：社,2004.第1类：对供电要求较高的被保护供电场所，[2]GB14529－93电能质量公用电网谐波[S].北京:其设备对供电干扰非常敏感，如实验室的仪器、中国标准出版社,1993.自动化和保护设备、某些计算机，其兼容性水平[3]林海雪.国际电工委员会谐波标准简介[J].中国电力,严于公用电网的水平。1998,31（10）:55-59.第2类：适用于一般工业环境下电网的公共[4]林海雪.从IEC电磁兼容标准看电网谐波国家标连接点（PCC）和系统或装置内部连接点，其兼准.[J].电网技术,1999,23（5）:64-68.容性水平与公用电网的兼容水平相同。[5]中华人民共和国国家军用标准.GJB4000－2000.[S].第3类：仅适用于特殊工业环境下的系统或北京:总装备部军标出版发行部,2000.装置内部连接点，其兼容性水平高于公用电网的[6]全国电压电流等级和频率标准化技术委员会.电压兼容水平。如大部分负荷由换流器供电；需要频电流频率和电能质量国家标准应用手册[M].中国繁启动大型电动机；快速变化的负荷；有电焊机电力出版社,2001.15