船舶电力系统谐波干扰抑制技术

SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGYVol. 41, No. 7AJul. , 2019

船舶电力系统谐波干扰抑制技术

秦    芳

(河北传媒学院 信息技术与文化管理学院，河北 石家庄 051430)

摘 要: 针对主动型谐波干扰抑制技术应用效果问题，提出一种被动型船舶电力系统谐波干扰抑制技术。该

技术首先对电力系统谐波功率进行分析，包括谐波电流和电压计算，然后利用傅里叶变换和小波包变换算法对船舶电力系统谐波进行检测，最后根据检测结果，利用并联型有源电力滤波器实现谐波抑制。结果表明：与2种主动型谐波干扰抑制技术相比，本次研究的被动型船舶电力系统谐波干扰抑制技术应用下，电流畸变率降低8.3%，达到了国家规定的5%以下标准要求，由此可见，本方法抑制效果更好。

关键词：电力系统；谐波干扰；抑制技术中图分类号：TM715          文献标识码：A

文章编号： 1672 – 7649(2019)7A – 0085 – 03         doi：10.3404/j.issn.1672 – 7649.2019.7A.029

Harmonic interference suppression technology in ship power system

QIN Fang

(Hebei Institute of Communications, Shijiazhuang 051430, China)

Abstract: Aiming at the application effect of active harmonic interference suppression technology, a passive harmonicinterference suppression technology for marine power system is proposed. First, the harmonic power of power system is ana-lyzed, including the calculation of harmonic current and voltage. Then, the harmonic of ship power system is detected byFourier transform and wavelet packet transform algorithm. Finally, according to the test results, the shunt active power filteris used to realize harmonic suppression. The results show that compared with the two active harmonic interference suppres-sion technologies, the current distortion rate of passive marine power system is reduced by 8.3%, which meets the nationalstandard of 5%. Therefore, this method has better suppression effect.

Key words: power system；harmonic interference；suppression technology

0     引　言

船舶作为海洋运输的唯一方式，随着科技手段的不断提高，已由从前的人工化、半自动化控制逐渐转变为全自动化操作，船舶运行效率有了极大的提高，但与此同时也产生了一系列新的问题，如全自动化船舶中电力电子开关器的应用，在运行时，不可避免地产生大量的谐波，对船舶电力系统的正常运行造成严重干扰[1]。

在上述背景下，有效抑制船舶电力系统谐波干扰具有重要的现实意义。谐波抑制方法有2种：1）主动型，从谐波本身着手，截断谐波产生的根源。2）被动型，借助一些具有抑制作用的工具或仪器减少谐波干扰。目前对前者研究居多，对后者研究较少，所以本

次就从被动型谐波抑制方法着手，研究船舶电力系统谐波干扰抑制技术。研究主要分为三部分：第一部分对谐波功率进行分析；第二部分对电力电子开关器产生的电网谐波进行检测；第三部分研究有源滤波装置对检测出来的谐波进行抑制。最后为验证本方法的有效性，以谐波引起的电流波形畸变为指标，进行仿真测试。结果表明：与2种主动型谐波抑制方法相比，本方法应用后，电流波形畸变率大大降低。由此可见，本方法能有效抑制谐波，降低谐波造成的危害，提高船舶运行稳定性和安全性。

1     船舶电力系统谐波抑制方法

为避免电力系统谐波产生的危害，对其进行有效

收稿日期: 2019 – 05 – 23

作者简介: 秦芳(1981 – )，女，硕士，讲师，研究方向为计算机技术。

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舰    船    科    学    技    术第 41 卷

抑制十分必要，图1为本次研究的船舶电力系统谐波干扰抑制技术流程。

图 1   船舶电力系统谐波干扰抑制技术流程

Fig. 1    Technical process of harmonic interference suppression in

marine power system

1.1 谐波功率分析

谐波功率分析是整个抑制方法建立的基础，其分析内容主要包括谐波电流和电压计算2个方面。

1）谐波电流计算

谐波电流计算是进行谐波干扰趋势分析的前提。

在正常情况下，谐波电流的变化范围与正、负序电子之间的带电量比值有着直接的正相关关系，比值越大，谐波电流值越大。根据这种特性，可以通过下述公式计算谐波电流Y。

Y=

X2

X1

|Z|(a1−a2)·k，(1)

式中，X1为正序电子的带电量；X2为负序电子的带电量；Z为船舶电力系统的核心电子带电量；k为母线端的逆变原量；a1、a2分别为负序、正序电子的基础统计参量。

2）谐波电压计算

谐波电压与上述谐波电流的特性不同，在短时间内可以保持一定的非线性变动状态，即谐波电压峰值与谷值一直保持相同的变化趋势。由此可知，三相电压是影响谐波唯一因素，因此在保证谐波电流恒定的情况下，谐波电压T计算公式如下：

T=Y·s+Fe·√r·i，

(2)

式中，s为三相电压的平衡系数；F为船舶电力系统的非线性输电参量；e为输电弧长；r为谐波电压峰值的逆变矢量；i为谐波电压谷值的逆变矢量。

1.2 谐波检测

除了以上谐波功率分析外，电力系统的谐波检测

是谐波抑制的另一项重要前提工作。目前船舶电力系统谐波检测方法主要有硬件检测方式和软件检测方式2种。

1）硬件检测方式

利用硬件方式检测船舶电力系统谐波，原理如下（见图2）：首先通过模拟电子器件构建检测电路，然后通过设置电路中组成元件的参数值将不同频率的谐波分量分离到多个通道中，最后利用各通道中设置的检测电路和元件测量出谐波幅值和相角等信息[3]。

图 2   谐波硬件检测方式

Fig. 2    Harmonic hardware detection method

可以看出，硬件检测方式会用到大量模拟电路，结构较为复杂，所需元件也比较多，成本较高，所以一般情况下，不建议采用这种方式进行检测。

2）软件检测方式

软件检测方式主要是通过某种算法实现谐波分离与检测工作，其实现途径为微机或单片机。这种检测方式不仅可靠性高，成本还低，所以是目前应用最广泛的谐波检测方法。

傅里叶变换是软件检测方式中应用最多的算法，但是单一傅里叶变换算法存在频谱栅栏和泄漏等现象，测量精度不高，因此常与其他算法混合使用，其中小波包变换最为常用，其具体检测流程如图3所示。

1.3 谐波抑制实现

目前船舶电力系统谐波抑制主要通过2种方式实现：一是无源滤波器；二是有源电力滤波器。由于船舶电力系统容量小，在遇到危险时对机动性要求较高，在谐波抑制时要求补偿对象有极快的反应。基于

以上要求，本节选择有源电力滤波器对谐波进行抑制，其原理如下：通过检测到的电流和电压的谐波分量，产生一个与之幅值相同、但相位相反的谐波电流或电压，并注入到船舶电力系统中，与电力系统中的谐波相互抵消，实现谐波抑制目的[4]。

有源电力滤波器根据电力系统电路拓扑结构可分为串联型、并联型和混合型。由于本次采用的是并联

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秦    芳：船舶电力系统谐波干扰抑制技术

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图 3   谐波检测流程

Fig. 3    Harmonic detection flow chart

型有源电力滤波器，所以仅对该类型进行分析。图4为并联型有源电力滤波器结构示意图。

图 4   联型有源电力滤波器结构示意图

Fig. 4    Structural schematic diagram of connected active power filter

并联型有源电力滤波器基本思路：首先在检测出谐波电流或电压后，通过算法指令运算，得出电力系统中谐波以及无功电流或电压，然后将其转换为相应PWM脉冲信号，最后送入到电力系统当中，跟踪电路，形成触发脉冲来驱动PWM逆变器，并产生与电力系统电流或电压谐波之和相等的抵消谐波，与电力系统当中原始谐波相互抵消，只剩下基波有功电流，实现船舶电力系统谐波抑制。

2     谐波抑制效果仿真测试

为保证本方法能够有效运行，选择某一船舶电力系统作为研究对象，进行谐波抑制效果测试。表1为选定的某一船舶电力系统谐波情况。

船舶电力系统电流畸变情况如图5所示。可以看出，在没有对谐波电流进行抑制前，电力系统电流发生了明显的失真。经计算，畸变率位12.98%。

表 1 某一船舶电力系统谐波情况

Tab. 1    Harmonics in a marine power system

谐波次数

幅值/V相位/（°）

1230.5510123.243202.8120301.545400.8-3050

0.6

20

图 5   船舶电力系统电流畸变情况Fig. 5    Current distortion in marine power system

现利用本次研究的被动型谐波抑制技术与2种主动型谐波抑制技术对某一船舶电力系统中的谐波进行抑制，抑制结果如 

表2所示。表 2 船舶电力系统谐波抑制效果

Tab. 2    Harmonic suppression effect of marine power system

谐波抑制方法本方法主动型抑制方法1

主动型抑制方法2

畸变率%

4.68

6.87

8.47

可以看出，本方法应用后，船舶电力系统电流谐波畸变率较之前下降8.3%，谐波明显改善；而2种主

动型谐波抑制技术应用下，电流畸变率为 6.11%和4.51%，没有达到5%以下的标准要求。对比可知，本方法的抑制效果更好。

3     结　语

针对主动型电力系统谐波抑制效果不足的问题，设计一种被动型船舶电力系统谐波抑制技术。该技术经仿真验证，抑制效果得到明显改善，解决了主动型谐波抑制技术存在的问题，提高了电力系统电力供应质量，保证了船舶正常运行。

参考文献：

[1]杨哲, 师庆丹. 基于混合型逆变器控制的船舶电力系统谐波

抑制研究[J]. 船电技术, 2017, 37(9): 72–76.

[2]董晓妮, 左明亮, 蔡计强. 船舶电力推进系统混合型谐波处理

技术分析[J]. 渔业现代化, 2017, 44(3): 65–69.

[3]彭雨轩. 电气设备中的谐波影响及抑制技术研究[J]. 工程技

术研究, 2017(2): 82–83.

[4]辛平, 段慧达, 孙冠男. PWM逆变器特定谐波抑制技术[J]. 北

华大学学报(自然科学版), 2017, 18(2): 265–269.