变频器对船舶电网电流谐波影响及应对策略
[摘 要]随着变频设备在船舶电力系统中的应用进一步扩大，将会导致各种非线性负荷的增加，同时，船舶中所涉及的电力电子设备的能耗占船舶电气总能耗的比例越高，进一步加大人们对使船舶电网中谐波污染分析的难度，进而直接影响到船舶运行的安全可靠性以及相关企业的经济效益。
[关键词]变频器；船舶电网；电流谐波；影响；对策
中图分类号：U665.12 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）35-0295-01
1.前言
现代大型船舶越来越多地使用电力推进系统，作为最重要的电力电子设备，电力推进系统是船舶电网中最大的谐波源。
2.变频器谐波危害
变频器谐波污染的危害主要表现在以下几个方面：
2.1 供电线路产生附加谐波损耗
由于集肤效应和邻近效应的影响，线路阻抗随频率升高而增加，产生附加铜耗和额外温升；特别是大量三次谐波相互叠加在中性线上，干扰各种微电子设备正常工作，同时，较细的中性线会发热，绝缘层老化加速，寿命缩短、损坏甚至发生火灾。
2.2 电容器组产生谐振
对高次谐波，电容器阻抗减小。电网电感与电容器构成串联或并联电路，有可能引起谐波共振，放大谐波电压或电流，加重谐波危害。系统中感性负荷和电容器组形成的并联谐振回路，可被放大到10-15倍，会产生噪声、振动、短路，过电流会导致电容器过热、甚至损坏。
2.3 影响各种电气设备正常工作
变频器谐波注入电网，会使电动机、变压器、导线等各种电感设备绝缘破坏和额外温升，导致设备过热，发出噪声，影响输出效率，缩短寿命等。谐波干扰还会引起仪表指示和电能计量精度降低，误差加大，自动装置和继电保护误动，以及干扰通讯系统等等。
2.4 弱电系统设备出现较大误差或误动作
对于有线电视、网络通信、计算机等弱电设备，谐波通过传导、静电感应与电磁感应等方式耦合到进入，产生干扰。其中，传导通过公共接地耦合，接地极将流入大量不平衡电流，静电感应、电磁感应的耦合强度与干扰频率成正比。谐波将使家用电器工况变坏，降低精密机械加工的产品质量，影响电子设备工作精度，设备寿命缩短等。
3.变频器对船舶电网电流谐波的影响分析
3.1 对电力控制元件和电容器的影响
一旦变频器对船舶电网电流谐波影响达到一定限度，将会使得原本确保整个船舶电流网络的电子式保护继电器工作失灵，或者导致可编程控制器（PLC）等因谐波而产生误动作，从而影响到船舶电网系统的其他元件的失效。此外，由于谐波电流将会产生大量的额外电流，从而使电容器和系统产生并联谐振造成谐波电流放大，在过大电流的载荷下，将会使电容器出现过载被击穿或烧坏。
3.2 对动力设备的影响
在谐波电流的影响下，对于那些依靠电压源型变频器的普通电机，其转矩将会降低。因为，电机在调速运行时谐波引起电机的铁损和铜损进一步增加，不能够产生原有的额定转矩，尽管现代变频器技术在一定程度上能够克服各种障碍以得到足够的转矩，但是，若要在此情况下长期维持额定转矩运行，只会加剧船舶动力设备的损耗，进而导致电机长期处于高温状态下工作而缩短绝缘寿命。
3.3 对船舶通讯设备的影响
由于谐波电流的产生，使得通讯系统的工作模式必须处于有谐振的环境中，当谐波达到通讯系统的临界点时，将会使整个通信系统出现通讯干扰，不利于船舶与指挥台之间的信号传输，进而影响到船舶航行的安全性。
4.变频器对船舶电网电流谐波影响的对策
4.1 增加滤波电抗器
一般情况下，在变频器输入输出端增加滤波电抗器，能够有效地减少变频器所产生的谐波对船舶电网的影响。因为，滤波电抗器其工作原理正是与谐波产生的相反，从而达到抑制谐波的目的，这样不仅能够确保变频器自身的安全运行，即避免由自身所产生的谐波干扰而出现功率忽大忽小的情况，还减少了变频器对船舶电网污染，使船舶电网信号处于最优状态。同时，因这些变频器是装在钢板制成的控制柜中的，将变频器单独可靠接地后，加上控制柜的屏蔽作用，大大降低了高频谐波对周围环境的高频辐射。
4.2 船舶电网设计中采用无源滤波器
由于无源滤波器成本低，结构简单，易于实现，不仅能够有效地抑制由变顿器所产生的谐波，还可以补偿无功功率，在船舶行业受到人们的青睐。无源滤波器包括单调谐滤波器和双调谐滤波器这两种类型。其中，单调谐滤波器主要是用于吸收由变频器所产生的单次谐波；而双调谐滤波器可同时吸收两个次数的谐波，其工作原理与单调滤波器相同，只是它在谐振频率附近实际上等于两个并联的单调谐滤波器。此外，双调谐滤波器的基波损耗比单调谐滤波器的小，仅一个电抗器承受全部冲击电压，但是其构造较复杂，调谐困难，也不利于实现。
4.3 采用限压滤波器
研究表明，限压滤波器除了包含电抗器之外，还有电容阻或电容器吸收整流桥，这与电子元件能够明显地降低谐波峰值电压。同时，还可以有效地增加谐波电压峰值上升时间。例如，谐波电压峰值可降到684V，dt/dt为40V/s，然而，却不影响电机的运行性能，从而减少启动转矩和最大转矩。尤其是在船舶电机绝缘水平相对比较弱的情况，限压滤波器表现出良好的效果。
4.4 设置型滤波器
在船舶电网电流中，型滤波器设置在主变压器和应急变压器初级与次级两端，同时，并装设由电感、电容及电阻组成的单调谐滤波器和低通滤波器，将会极大地降低变频器对船舶电网电流谐波的影响，为船舶的安全、正常航行提供可靠保障。其中，低通滤波器是为了吸收若干较高次谐波的滤波器，而单调谐滤波器是针对某个特定次数的谐波而没计的滤渡器。由此可见，设置型滤波器的方法，在降低变频器对船舶电网电流谐波影响中不仅效果良好，还可以切实地降低船舶运作成本，简单易于实现，并为相关船舶企业最终实现经济效益与社会效益提供可靠保障。
5.结束语
综上所述，针对谐波的影响，我们采取有效的控制措施，降低其对船舶电网的影响。进而大大提高了船舶的运行效果。
参考文献
[1] 程浩忠.电力系統谐波技术[M].上海：上海交通大学出版社，2015.
[2] 宋艳琼.电力推进船舶电网谐波抑制仿真研究[D].武汉：武汉理工大学，2016.
[3] 赵同春.变频器对船舶电网谐波干扰的对策[J].上海造船，2016（4）：20.
[4] 郑文全.高压变频器对电网的影响[J].泸天化科技，2016（3）：26.