0 引言

随着电力电子技术的迅速发展，电力推进技术在各类船舶上得到了广泛应用。电力推进船舶的推进系统为大容量的非线性负载，推进负荷一般也是全船最大的电力负荷。推进系统产生的谐波电流及负荷变化所引起的电能质量问题日益突出，其会对各种精密设备（如通讯、导航、监测报警和科考仪器等）造成不良影响，日用电器也会因电能质量下降而缩短使用寿命。电能质量已经成为电力推进船舶必须重视的问题，需综合考虑整个船舶电网的设计，优化推进系统的选型、配置与运行工况。

本文针对电力推进船舶的特点，对由非线性负载引起的电能质量问题进行探讨，提出电力推进船舶的设计意见，为船舶综合全电力推进系统的选型、论证、设计和验收提供参考。

1 电力推进船舶电能质量要求

IEEE协调委员会对电能质量的技术定义为：合格的电能质量是指给敏感设备提供的电力和设置的接地系统均是适合该设备正常工作的[1-2]。通常电能质量分类包括：电压偏差、频率偏差、谐波、电压波动与闪变、三相不平衡、电压暂降、暂时过电压和瞬态过电压等。

船舶电网属于容量有限的独立电网，典型的电力推进船舶电网单线图如图 1所示。船舶供电电源一般为柴油发电机组。与陆上电网有较大不同的是，船舶电源阻抗随着在网发电机的台数不同而发生变化，且变化范围较大，因此其电能质量有一定的特殊性。除传统的船舶电网较多关注的频率和电压的偏差外，电力推进船舶的电能质量问题中，谐波问题更为突出。

  

图1 典型电力推进船舶电网单线图

针对船舶电网，中国船级社《钢质海船入级规范（2015版）》第4篇第 1章规定：电压稳态波动范围−10%～+6%，瞬态±20%，恢复时间1.5 s；频率稳态波动范围±5%，瞬态±10%，恢复时间5 s；交流电气设备应能在供电电源的电压谐波成分不大于 5%的情况下正常工作；当电源的谐波成分可能大于5%时，应注意设备选择，保证其正常工作。对于电力推进船舶，第8篇第15章规定：对于有半导体变换器装置运行的网络，单次谐波至 15次的谐波应不超过标称电压的5%，其后逐渐减少，在 100次谐波时应减少到 1%；对于专用的系统，例如为电力推进供电的配电板，总的电压畸变应不超过10%[3]。

2 电力推进船舶的电能质量问题

电力推进船舶的电能质量问题主要由大容量负载起停和非线性负载引起，分析问题的起因和应对措施有助于改善电能质量。

2.1 电压暂降

首先，释放产供潜力，健全资源多头供应。国内方面，加大勘探开发力度，推进油气勘察体制改革，加强油气探矿权竞争性出让，协调推动相关资源地区积极为企业勘探开发、新建产能创造条件，支持企业加大勘探开发投资量和工作量，同时加快推进煤层气、页岩气、致密气等非常规天然气开采技术的攻关与产能建设。国际方面，不断优化进口天然气结构和布局，海陆并进，积极有序推进进口主体多元化；保障进口，坚持进口贸易和海外投资并重。虽然我国天然气以进口贸易为主，但国内三大石油公司已经在海外积极投资和布局LNG；加强与重点天然气出口国的多双边合作，加快推进国际合作的重点项目，保障进口天然气的安全。

因承、插口打磨机器人具有相同的工作原理和受力特点，本文仅对插口打磨机器人进行受力分析和可靠性分析。插口打磨机器人绕端口的周向转动可以近似为匀速圆周运动，且由于行进速度较慢，忽略向心加速度。如图4所示为插口打磨机器人绕端口打磨过程中的受力情况。

②高压水泵用于将清水压入孔内，启动压力大于20pa。向缺陷中从顶部到底部喷射水流。喷管提升速度为10cm/min，转速为20r/min。处理长度应为缺陷处上下50cm，高压水流将灌桩的缺陷部分切割成泥浆状。当切开一个孔而另一个孔溢出时，可以确定缺陷处已经被击通。然后换另个一孔直到全部打通位置，在所有钻孔连通后，通过水循环从桩体排出内部废渣。当所有孔中的水流变成清水时，表明完成废渣的清洗工作。

电压暂降对电子设备的危害较大。船舶上大量的工业计算机、控制器及通讯导航等电子设备具有相似的电源结构，一般由二极管整流器和DC/DC调节器组成，如图2所示。

  

图2 电子设备电源结构

由2名参加过循证护理学课程的研究者独立完成文献筛选和资料提取，若遇分歧，与第3名研究者协商解决。具体过程：①阅读题目和摘要，剔除与纳入标准明显不符的文献；②精读文献全文，确定符合纳入标准的文献；③根据文献内容自制资料提取表，提取文献基本信息、样本量、干预措施、结局指标、质量评价等级等。

船舶电网电压暂降最严重的情况一般发生在大容量变压器空载合闸引起励磁涌流和大容量感应电动直接启动的时候。推进变压器的容量可能与单台发电机组相当，在空载合闸时产生较大的冲击电流，如图 3所示，该电流会引起较大的电压跌落，甚至引起断路器过电流保护动作而跳闸。为了防止这一现象出现，船舶上一般对大容量变压器进行预充磁操作。通常设置预充磁变压器，先通过预充磁变压器将推进变压器接入电网，产生较小的电流使推进变压器建立磁场，数秒之后再闭合推进变压器开关，分断预充磁电路，完成推进变压器的启动。

  

图3 变压器励磁涌流引起的电压暂降

大容量感应电动机直接启动的电流一般是额定电流的5倍～7倍，也会引起电压暂降。船舶电网中容许直接启动的电动机至少需小于发电机组额定功率的40%。为保证电能质量，实际设计中还要降低这一比例。推进电机一般由变频器启动，这样可有效降低对电网的冲击，但转速与功率的突加会短时吸收大量电能，引起电压波动。为了平衡船舶操纵性能，控制系统会限制推进电机的加载时间，既保证船舶的推进能力，又防止加载过快引起电压暂降。此外，其他的大容量电机，如水泵、风机的驱动电机等，也可配置变频器或者软起动器，避免直接启动。

2.2 谐波

谐波是电力推进船舶最严重的电能质量问题之一。电压总谐波畸变率（THDv）是考核电压谐波畸变的重要指标。在电力推进技术广泛使用之前，船级社规范规定THDv≤5%。由于电力推进的非线性负载可达电网容量的80%左右，各船级社都放大了这一指标，中国船级社于2009年将推进系统供电母排的THDv修改为≤10%。但日用电网汇流排上的THDv值还要求≤5%。

观察胎儿正中矢状切面多为观察胼胝体及小脑蚓部等重要结构，胼胝体与小脑蚓部均要到16～18周之后才能发育完成，而孕周较大的胎儿由于胎头较低，颅骨衰减明显等原因极难获得正中矢状切面，故选择孕周19～34周的胎儿，对其分别进行二维及三维的扫查方法获得正中矢状切面。

2）采用不控整流装置时，增加整流脉波数可有效消除低次谐波。

  

图4 虚拟24脉波推进系统谐波测试

当对谐波的要求更高时，可采用有源前端AFE变频器，以PWM控制整流取代不控整流。PWM整流仅在开关频率附近产生少量特征次谐波频谱，如开关频率为2 000 Hz时，仅在40次及其整数倍附近产生谐波，无低次谐波。

被动谐波抑制则从电网入手，在谐波源附近加装无源或有源滤波装置消除已经产生的谐波分量。当船舶电网系统谐波抑制设计不能满足要求时，可配置滤波装置。

电子设备（如雷达和声呐）对电源电压的谐波特别敏感。有些设备需要观察阴极射线管屏幕上的图像，图像的位置取决于加在射线管上的电压瞬时值，图像随着电压变化。电源电压谐波会在信号中产生噪声，造成干扰，导致设备输出错误的信号。

电压暂降一般指供电电压均方根值在短时间突然下降到额定值90%～10%的事件，瞬时吸收电能产生的大电流是引起电压暂降的主因。电力推进船舶运行工况复杂，电网电压除了受设备正常工作起停的影响外，还受到船舶航行工况的影响，经常出现的加速、转向、急停避让等工况都会引起电压波动。

3 电力推进船舶电网谐波的分析与计算

对谐波的分析与计算可有效评估电力推进船舶系统配置，从而为设备的选型提供支撑依据，并降低谐波超标的风险。谐波计算需要提供发电机和变压器的详细设计参数，根据这些参数，变频器制造商根据变频器设备的选型计算出相应型号的谐波电流频谱。

计算电力推进船舶电网的谐波时，首先根据发电机制造商提供的参数计算出电源电抗，然后根据变频器制造商提供的变频器谐波电流频谱进行如下计算[4]。

1）发电机作为船舶电网的电源，其内部阻抗直接影响配电板母排的电压谐波。首先需优化发电机定子绕组的设计，减小发电机自身的谐波电压。发电机超瞬态电抗xd〞越小，变频器产生的谐波电流压降越小，但短路电流也会随之增大。实际设计中，将 xd〞限制在12%～16%，可有效降低系统谐波。

霸府行台首长，史书称大行台，都是强臣，虽处外藩，或遥制朝政，或专恣一方，立君废主易于弈棋，庆赏威刑咸出于己，实际上已非复人臣之分了；因此，无论是官爵还是封赏都非同一般。

 

式中：Vrms为线电压有效值；Ss为系统短路容量。

根据变频器谐波电流频谱，计算单次谐波电流，为

决定场地稳定性的因素主要为地层岩性和地质构造。岩性条件对填埋场选址至关重要，场地应尽量选在以细小颗粒为主的松散岩层或坚硬岩层基础上，岩性适合为更新统粘土、粉质粘土以及板溪群、冷家溪群变质砂岩、板岩或致密的花岗岩，基岩风化程度最好为中风化～微风化，不宜为较粗颗粒的砂、砾石以及壶天群、棋子桥组等溶洞发育的灰岩区，以保证场地基础及边坡的稳定性；选址应选择在无活动断裂、充水断裂、地震活动的地区，活动断裂会造成地面不均匀沉降，威胁场地基础稳定性，充水断裂会大大增加地下水渗透性，增加场地基础建设难度。

 

式中：为h次谐波电流的百分比含量；Irms为变频器额定电流有效值；Ih为变频器h次谐波电流的有效值。

h次谐波电压Vh可用下式计算。

 

h次谐波电压的百分比含量 为

 

当得出上表数值后，可得电压总谐波畸变率（THDv）为

正常工作时，交流电经过整流后，由电容器减小直流电压纹波，再经过DC/DC调节输出设备可用的直流电压。电压暂降会导致整流后的直流侧电压过低，DC/DC输出难以维持定值而影响设备的正常工作。

 

或者，THDv也可由单次谐波电压之和得到。

 

4 抑制谐波的措施

电力推进船舶电压谐波的抑制需从系统设计开始，综合考虑发电机配置参数、推进变频器整流型式和不同变频设备间的配合等，可从以下几方面进行考虑：

施工现场电熔焊接PE管道系统的检验与试验可分为水压试验和电熔连接件破坏性试验。中国和新西兰对PE管道系统的检验主要为水压试验；电熔连接件破坏性检验主要用于焊接工艺评定及对焊接质量有争议焊口的试验，一般采用拉伸剥离试验，其破坏形式可分为脆性破坏和柔性破坏。通过实践证明，能通过水压试验，并不代表一定能通过拉伸剥离试验。在管道虚焊的情况下，剥离试验会出现脆性破坏，但在水压试验中并不会出现渗漏。如果在通过水压试验的管道系统中有虚焊的接头，则会影响管道的使用寿命，因为管道在使用过程中的不同时间段压力不一致、每个季节的温度也不同，使管道长时间的膨胀、收缩，会导致焊缝拉裂（见图1）。

电源电抗Xsupply为

对推进设备的设计选型可以有效地抑制谐波。谐波抑制可以分为主动和被动两种。主动谐波抑制从推进变频器的结构入手，采用不控整流可通过增加脉波数降低谐波含量。三相桥式整流电路可直接形成6脉波整流，但谐波含量较高。2个或者更多的6脉波整流器经相位移动并联变压器可组成12脉、24脉波整流。一个p脉波整流器由p/6个6脉波整流器构成，这些6脉波整流器通过一个（p/6+1）绕组的变压器供电，变压器二次绕组之间的相位移为360°/p。一个p脉波整流器将产生的谐波次数为：h=pn±1（n=1,2,3…）。例如，主推进系统采用虚拟24脉波整流的方式，将2个12脉变压器分别移相+/−7.5°，分别接于两段母排，母排闭合运行时形成24脉波。图4为电力推进船舶虚拟24脉波推进结构实船测试结果，可以看到：最大谐波为 23、25次特征次谐波，47、49次谐波已大幅下降，THDv等于3%，小于船级社规定上限。虚拟 24脉波整流型式可有效抑制低次谐波，满足谐波要求，其结构简单、可靠性高、经济性好，在主推进系统设计中被广泛采用。

3）变压器可以有效隔离谐波，为大量电子设备供电的分配电区域前端应配置变压器。

经济、军事实力的发展，使秦国的综合国力跃居前列，使一个落后的偏远小国醒目地站在世人面前，经过一百多年的经营，最终成为战国后期最强大的封建国家。

4）电子设备电源自身应配置滤波装置，降低电源谐波的干扰。

5）对于使用多种变频设备的船舶电网，AFE变频器产生的高次谐波会干扰其他整流设备，应增加变压器进行隔离。

5 结论

本文针对电力推进船舶的电能质量进行了深入分析，得到如下结论：方案设计阶段的计算分析能有效评估电能质量问题；大容量负载的直接启动需进行特殊设计，以减小对电网的冲击；由特殊工况引起的电压波动可在控制系统中通过功率限制而减小；推进系统整流装置的优化配置可有效降低母排谐波含量。以上结论可为电力推进船舶的设计提供参考。

参考文献：

[1] 程浩忠, 艾芊, 张志刚, 等. 电能质量[M]. 北京:清华大学出版社, 2006.

[2] IEEE Standards Board. IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality:IEEE Std 1159-1995[S]. 1995

[3] 中国船级社. 钢质海船入级规范（第3分册）[S]..北京: 人民交通出版社, 2015.

[4] American Bureau of Shipping. ABS Guidance Notes on Control of Harmonics in Electrical Power Systems[S]. 2006.

“一样”原指“同样、没有差别”，在这里儿化为“一样儿”，成为名词，指大观园里男女仆人所各自担负的任务。