0 前言
随着电力电子技术的大力发展，越来越多的非线性负载使用在船舶电网上，如整流器、逆变器、变频器等，这就不可避免的产生了大量的谐波，继而对船舶电网品质造成了不良影响，也影响着船舶电网上其他设备的安全运行。
本文主要从谐波的产生及危害性出发，研究相应的治理措施并应用于实船案例。
1 谐波的产生
当正弦波电压施加在非线性电路上时，电流就变成非正弦波，非正弦波电流在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也变为非正弦波。对非正弦波作级数分解，其中频率与工频相同的分量称为基波，频率大于基波的分量称为谐波。
(1）发电机绕组及铁心无法做到对称及均匀，三相绕组无法绝对对称，此为发电机电源产生的谐波。
(2）变压器由于铁心饱和及磁化曲线的非线性，亦会产生谐波。
(3）负载大部分是非线性的，如整流器、变频器、UPS等。
2 谐波的危害
2.1 谐波对电网的危害
因为船舶电网线路上谐波电流的存在，会加大线路损耗，使电缆过热，绝缘老化，降低电源效率。可能还会引起电压谐振，从而在线路上产生过电压，导致电缆老化加快，严重影响线路寿命。
2.2 谐波对负载的危害
(1）对电机的影响，电机在运行过程中，谐波会产生附加损耗、增加多余热量，会引起谐波过电压、超出正常值的噪声以及机械振动，对电机的寿命产生影响。
(2）对变压器的影响，会增加变压器损耗，包括铜损耗和铁损耗，容易造成变压器发热高温。
(3）对保护装置的影响，可能会引起保护装置的误动或拒动，导致区域性停电事故。
(4）对通讯电子设备的影响，通讯网络的电磁效应会因此而发生变化，可能会引起控制系统故障或失灵。
3 谐波的指标
各个船级社对于谐波含量的指标均是基于IEC61000-2-4标准而来。以下是各大主要船级社关于谐波的指标。
DNV：THD%（8），SHD%(5)；
RINA：THD%（5），SHD%(3)；
LR： THD%（8），SHD%(1.5，50此谐波以内不超过1.5%）；
ABS： THD%（8），SHD%(5)；
BV： THD%（8），SHD%(5)；
4 谐波的治理
针对大多数船舶而言，目前多是采用被动型谐波治理措施，即在设备端或是外部增加谐波抑制措施，对船舶电网谐波进行治理，从而达到减少谐波至船级社要求的指标以内。常用的被动型谐波治理措施有无源滤波器及有源滤波器。
4.1 无源滤波器（PPF）
原理：利用电容和电感的串联谐振原理，具有谐波滤除和无功补偿两大功能，在调谐频率下使滤波支路的等效阻抗近似为零，对调谐频率及其附近的谐波电流呈现低阻抗通道，以实现滤除谐波电流的目的。
4.2 有源滤波器（APF）
原理：有源滤波器通过外部电流互感器 ，实时检测负载电流，并通过内部 DSP 计算，提取出负载电流的谐波成分，然后通过 PWM信号发送给内部IGBT，控制逆变器产生一个和负载谐波大小相等、方向相反的电流注入到电网中补偿谐波电流，实现滤波功能。
4.3 无源滤波器（PPF）与有源滤波器（APF）的对比
（1) 组成结构不同：PPF利用电感、电容和电阻等被动元件组合设计构成的滤波电路，可滤除某一次或多次谐波，其行为模式为提供被动式谐波电流旁路补偿通道；APF由电力电子元件IGBT等构成的电能变换设备，检测负载谐波电流并主动提供对应的补偿电流，补偿后的电网电流几乎为纯正弦波，其行为模式为主动式电流源补偿；
（2) 性能效果不同：PPF只能缓解特定顺序的谐波，如系统由不同顺序的谐波组成，需要多组无源滤波器，可能会导致共振；APF开关频率可高达20kHz，纹波电流较小，无论在低负载速率或满负荷速率或电压不平衡条件下工作，它都取得好的治理效果；
（3) 安装环境不同：PPF对环境要求较高，如果环境温度过高的话，电容器内部的热量无法散发，需采取降温措施；APF则对环境要求较低，即使超过45℃，也能降容输出而不会损坏；
（4) 外观尺寸不同：PPF较大较重，占用空间很大；APF可机架安装或挂壁安装，尺寸小重量轻；
（5) 监测功能不同：PPF不能实时监测谐波参数；APF可实时监测谐波频谱、电流电压波形等；
（6) 运营成本不同：PPF的电容器在高电压谐波畸变情况下容易吹气或膨胀，需为电容器支付额外费用；APF基本无需额外维护成本，采用模块化设计，维护方便；
（7) 谐振影响：PPF很容易产生谐振问题；APF可以有效避免共振点；
综上所述，目前船舶电网的谐波治理措施多是采用配置有源滤波器的方案。
5 谐波的计算
船舶电网的谐波治理需有谐波计算报告作为基准，谐波的计算一般需要发电机、变压器、变频器、电缆等参数，一般包含以下：
发电机：台数、额定功率、电压、电流、频率、功率因数、效率、瞬态阻抗、
次瞬态阻抗等；
变压器：台数、额定功率、初级电压、次级电压、阻抗电压、空载损耗、绕
组连接方式等；
变频负载：额定功率、电压、电流等；
电缆：连接主要电气设备的电缆长度、型号规格、阻抗等；
同时也需要电力负荷计算书的分析，知晓各个工况下的船舶电网功率、主要变频负载占比等信息。
谐波的计算是一个很复杂的计算过程，手工计算难度很大。目前的谐波计算多是通过软件来实现，常用的谐波计算软件有电气计算软件ETAP、EDSA等，也包括设备商的专用软件，如丹佛斯MCT31等。
6 实船的应用
通过对谐波的产生、危害的研究及治理措施的对比，目前我司针对多型船的船舶电网的谐波制定了合理的治理措施，并取得了预期效果.
以我司某型油轮为例（5万吨，入级DNV），船舶电网几个主要变频负载参数如下：
发电机容量：980kw*3
货油泵数量：230kw*3；
污油泵数量：84kw*2；
压载泵数量：90kw*2；
原始计算的谐波参数如下所示：
补偿前：A相-THDu（11.4%），B相-THDu（11.1%），C相-THDu（11.2%）；
补偿后（300A）；A相-THDu（6.9%），B相-THDu（7.1%），C相-THDu（7.0%）；
通过计算数据显示，在此工况下，采用谐波治理措施前，设备满载运行时，THDu高达11.4%，严重超过DNV规定的THDu小于8%。增加谐波治理装置后，其计算结果显示THDu%为7%，小于DNV的谐波指标要求，即满足船级社规范的要求。但此仅为仿真计算，实际数值还需现场实测。
在海试期间，起动有源滤波器补偿（接近满载输出）后，THDu降低至5.9%左右，验证计算结果的同时，也满足了船级社的指标要求。
7 结束语
该项目已交付使用，且从售后反馈情况信息显示，该谐波治理装置运行状态良好，完全满足船级社对于谐波指标的要求，无影响船舶电网上其他设备的正常运行。
作者简介：
朱万武（1980-），男，高级工程师。主要从事船舶电气设计工作。
唐文合（1984-），男，高级工程师。主要从事船舶电气设计工作。
闫 政（1985-），男，工程师。主要从事船舶电气设计工作。
中图分类号：U662.2 文献标识码：A