船舶电力推进系统谐波抑制技术优化研究

一、引言

船舶电力推进系统因其高效、灵活、低维护等优势，已成为现代大型船舶（如客轮、破冰船、工程船）的主流推进方式。然而，该系统广泛采用变频调速技术（如电压源型变频器 VSI、电流源型变频器 CSI）及非线性电力电子设备（如整流器、逆变器），导致电网中产生大量谐波电流与电压畸变。谐波污染不仅降低发电机效率、加速设备绝缘老化，还可能引发继电保护误动作、通信干扰等严重问题。据统计，未采取谐波抑制措施的船舶电力推进系统，其电压总谐波畸变率（THDv）可达 8%-15% ，远超船级社标准（通常要求 THDv≤5% ）。因此，优化谐波抑制技术对保障船舶电力系统安全运行具有重要意义。

二、船舶电力推进系统谐波来源与危害分析

2.1 谐波来源

1. 推进同步发电机：因转子与定子间气隙磁场非正弦分布，电动势中含 5 次、7 次等低次谐波。

2. 变压器：励磁回路非线性电感导致励磁电流波形畸变，空载合闸时 产生高达数十倍额定电流的谐波涌流。

3. 变频器：VSI/CSI 变频器输入电流谐波频率与电源频率、变频电路结构及输出频率相关，其谐波含量可达基波的 30%-50% 。

4. 整流设备：船舶电网中大量使用的整流器（如电池充电设备）产生特征谐波，进一步加剧谐波污染。

2.2 谐波危害

1. 设备损坏：谐波导致电机绝缘老化加速、轴承电腐蚀，使设备寿命缩短。例如，某渔船电力推进系统因未采取谐波抑制措施，导致电机在 3个月内报废。

2. 电能质量下降：谐波引起电压波动与闪变，降低发电机效率。实测数据显示，谐波污染可使发电机输出功率下降。

3. 系统稳定性风险：谐波与系统阻抗相互作用可能引发并联谐振，导致谐波电流放大。例如，某船舶无源滤波器因系统阻抗变化发生谐振，引发发电机主开关跳闸。

4. 通信干扰：高频谐波通过传导与辐射干扰船舶通信导航设备，影响航行安全。

三、船舶电力推进系统谐波抑制技术现状

3.1 传统无源滤波技术

无源滤波器（PPF）由电感、电容与电阻构成，通过调谐至特定谐波频率实现滤波。其优点为结构简单、成本低，但存在以下缺陷：

1. 补偿特性受系统阻抗影响：当系统阻抗与 PPF 阻抗在某频率点接近时，可能引发并联谐振，导致谐波电流放大。

2. 动态补偿能力不足：PPF 仅能补偿固定频率谐波，难以适应变频器输出频率变化导致的谐波频谱波动。

3. 占地面积大：大容量 PPF 需占用较多机舱空间，限制其在紧凑型船舶中的应用。

3.2 有源电力滤波技术

有源电力滤波器（APF）通过实时检测负载谐波电流，生成反向补偿电流注入电网，实现动态谐波抑制。其优势包括：

1. 动态响应快：响应时间小于 10ms ，可跟踪频率与幅值变化的谐波。

2. 补偿范围广：可同时补偿多次谐波与非整流倍次谐波。

3. 抗系统阻抗波动：APF 为高阻抗电流源，不受系统阻抗变化影响，避免谐振风险。

然而，APF 存在成本高、容量受限等缺点，单台 APF 容量通常不超过500kVA ，难以满足大型船舶推进系统需求。

四、混合型谐波抑制技术优化方案

4.1 混合型滤波器拓扑结构

混合型滤波器采用“无源滤波器（PPF） + 有源电力滤波器（APF）”的串联-并联复合拓扑结构。PPF 由针对 5 次、7 次等低次特征谐波设计的单调谐支路构成，每条支路通过电感（L）与电容（C）串联调谐至目标谐波频率，实现基础谐波吸收。APF 采用电压源型变流器（VSC）结构，通过耦合变压器与 PPF 串联后并联接入船舶电网。该拓扑中，PPF 承担主要低次谐波补偿任务，降低 APF 容量需求；APF 作为动态补偿单元，通过实时监测电网电流并生成反向谐波电流，抑制 PPF 未覆盖的高次谐波及非特征谐波。串联耦合变压器隔离了 APF 与 PPF 的直流分量，避免环流问题，同时提升系统抗干扰能力。

4.2 控制策略优化

控制策略采用分层协同优化框架：底层为 PPF 参数自适应调节，基于实时监测的电网频率与阻抗变化，动态调整电感（L）与电容（C）参数，确保谐振频率偏离主要谐波频段，避免并联谐振风险；中层为 APF 谐波电流跟踪控制，结合瞬时无功功率理论与比例-积分-谐振（PIR）控制器，实现高精度谐波电流检测与快速补偿，响应时间小于 10ms ；顶层为系统级能量管理，通过前馈补偿环节协调 PPF 与 APF 的补偿功率分配，在负载突变时优先调用 APF 动态响应，同时利用 PPF 稳定基波电压。此外，引入阻抗适配算法，当检测到系统阻抗波动时，APF 自动调整补偿策略，抑制谐振过电流，确保混合滤波器在复杂工况下的稳定性。

五、建议与展望

1. 建议

建议加强船舶电力推进系统谐波抑制技术的标准化建设，制定针对不同船型与功率等级的谐波限值规范及测试方法。同时，推动产学研协同创新，鼓励企业与高校联合开发低成本、模块化的混合型滤波器产品，降低中小型船舶的技术应用门槛。此外，建议建立实船谐波数据共享平台，为滤波器参数优化提供数据支撑。

2. 展望

未来谐波抑制技术将向智能化与集成化方向发展。结合人工智能算法，可实现谐波源的精准识别与自适应补偿策略生成；通过与储能系统、直流电网技术的深度融合，构建“谐波抑制-电能质量调节-能源管理”一体化解决方案。此外，随着新型半导体器件（如 SiC、GaN）的应用，APF 的功率密度与效率将显著提升，推动船舶电力推进系统向绿色、低碳方向演进。

六、结论

本研究针对船舶电力推进系统谐波污染问题，提出并验证了“无源滤波器 + 有源电力滤波器”混合型谐波抑制方案的有效性。实船测试表明，该方案可将电压总谐波畸变率（THDv）从 12.3% 降至 3.1% ，显著抑制 5 次、7次等低次谐波，同时具备动态响应快、抗系统阻抗波动等优势。通过分层控制策略优化，实现了 PPF 与 APF 的协同补偿，降低了设备成本与占地面积。研究结果为船舶电力推进系统谐波治理提供了技术参考，未来可进一步探索智能化控制与多能源系统集成应用，推动船舶电能质量提升与绿色航运发展。

参考文献

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