小型船舶電力推進系統(tǒng)諧波分布研究

1、小型船舶電力推進系統(tǒng)諧波分布研究鄭為民 俞萬能集美大學輪機工程學院，福建廈門，361021摘要針對小型船舶電力推進系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波對船舶電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響，建立了諧波分析模型，研究變頻驅(qū)動產(chǎn)生的輸入側(cè)電流諧波在不同工作狀態(tài)下諧波分布情況，并較全面地分析電力推進系統(tǒng)的動、靜態(tài)特性對系統(tǒng)產(chǎn)生諧波分布的影響，為電力推進系統(tǒng)的諧波抑制奠定了基礎。關鍵詞 電力推進；船舶；諧波；分析中圖分類號：TM712 文獻標識碼 A 0 前言 小型船舶電力推進系統(tǒng)采用異步電動機直接驅(qū)動螺旋槳，電動機的轉(zhuǎn)速控制由電壓源變頻器（Voltage source inverter VSI）實現(xiàn)。變頻器產(chǎn)生的諧波電流污染電網(wǎng)導致供

2、電質(zhì)量下降，由此引發(fā)船舶電動機發(fā)熱加劇、控制系統(tǒng)的控制信號波形畸變、控制角出現(xiàn)偏差，造成控制不準確甚至誤動作。因此，電力推進船舶應盡可能減小或消除變頻器諧波影響。圍繞著船舶電力推進系統(tǒng)的諧波分析及抑制，國內(nèi)外的一批專家學者都只針對電力推進系統(tǒng)中某一局部問題進行研究，尚未對整個船舶電力系統(tǒng)進行全面的研究1-5。陸金銘針對柴油機船舶電力推進系統(tǒng)，分別建立了發(fā)電和負荷系統(tǒng)的數(shù)學模型，并對發(fā)電機頻率和電壓進行了仿真，然而其負荷模型只考慮了靜態(tài)特性，沒有涉及對推進系統(tǒng)的動態(tài)性能對諧波分布影響進行研究6。以上論文的研究對象大多是中高壓電力推進系統(tǒng)的諧波情況，對小型船舶電力推進系統(tǒng)的諧波分析及抑制論述不多。

3、本文建立既足夠精確又比較簡單的變頻調(diào)速系統(tǒng)的諧波分析模型，較全面分析小型電力推進系統(tǒng)的諧波分布情況，為諧波抑制裝置的開發(fā)奠定了基礎。1 電力推進系統(tǒng)的諧波模型建立常規(guī)的PWM -VSI電壓源交流變頻調(diào)速系統(tǒng)如圖1所示。三相交流輸入電壓經(jīng)過不可控三相橋式整流后，經(jīng)過電容濾波的直流環(huán)節(jié)得到基本恒定的直流母線電壓，再經(jīng)過PWM逆變器把直流母線電壓逆變成三相交流PWM脈沖電壓，接至交流電動機的接線端，驅(qū)動電動機運行。變頻器中的整流電路將向供電電網(wǎng)注入諧波電流，嚴重惡化電網(wǎng)電能質(zhì)量，而 PWM控制方式的變頻器輸出電壓是一系列寬度按周期規(guī)律變化的近似方波的脈沖序列，產(chǎn)生很大的諧波電壓，對負載端有很多的負面

4、影響。在小型電力推進系統(tǒng)中，一般采用變頻電機作為驅(qū)動，而不設專門的變頻器輸出側(cè)諧波電壓的抑制裝置。變頻器產(chǎn)生的諧波主要是由于整流電路中的電力開關器件向供電電網(wǎng)注入的諧波電流，再者逆變器向中間直流環(huán)節(jié)注入的紋波電流也可以流入到電網(wǎng)中。由逆變器產(chǎn)生的諧波電流的幅值和頻率是關于逆變器和電機設計和運行參數(shù)的極其復雜的函數(shù)，很多研究人員的試驗和仿真研究結(jié)果也說明對逆變器驅(qū)動電機系統(tǒng)等效為一個諧波源是沒有必要的7-10。由于電壓型PWM變頻器中間直流回路的濾波電容容量較大，中間直流電壓波動很小，可以認為是一個恒定的電壓源11。直流電流取決于逆變器的輸出功率，即取決于變頻器拖動電機的實際運行情況。所以，逆變

5、器驅(qū)動電機運行的等值電阻僅與逆變器的輸出功率有關，也是影響電力系統(tǒng)諧波情況的主要因素。電力推進系統(tǒng)諧波分析的仿真模型如圖1和圖2所示。 圖1 VSI變頻調(diào)速系統(tǒng)等效圖 圖2 變頻調(diào)速系統(tǒng)諧波分析仿真電路Fig.1 The equivalent circuit of VSI speed Fig.2 The harmonic analysis simulation circuit regulation by frequency variation of speed regulation by frequency variation 2 穩(wěn)態(tài)運行諧波分析 根據(jù)以上三相仿真電路，建立小型船舶變頻驅(qū)動系

6、統(tǒng)變頻器輸入側(cè)電流諧波分析仿真模型。仿真結(jié)果如圖3、圖4所示。 圖3 輕載網(wǎng)側(cè)電流及其諧波頻譜波形 圖4 滿載網(wǎng)側(cè)電流及其諧波波形Fig3 The input current and current harmonic Fig4 The input current and current harmonicfrequency spectrum with light load frequency spectrum with rated load在實際小型電力推進船舶中采用了施耐德ATV61-132電壓源型變頻器，其測量變頻器輸入側(cè)的電流波形如圖5、圖6所示，電壓波形如圖7所示，電流頻譜如圖8所示。

7、圖5 輕載網(wǎng)側(cè)電流波形 圖6 滿載網(wǎng)側(cè)電流波形Fig5 The input current with light load Fig6 The input current with rated load 圖7 滿載網(wǎng)側(cè)電壓波形 圖8 網(wǎng)側(cè)電流諧波頻Fig7. The input voltage with rated load Fig8 The harmonic spectrum of input current 由變頻調(diào)速系統(tǒng)諧波仿真結(jié)果以及實測波形可以得出，采用電壓型的變頻驅(qū)動的小型電力推進船舶電網(wǎng)主要的電流諧波是5、7、11等特征諧波。 所以，中小型電力推進船舶電力系統(tǒng)諧波情況主要與變頻器的

8、輸出電壓和電流有關，即與變頻器輸出容量和電動機的運行狀態(tài)（R的大小）有關。一定容量的變頻器運行在額定負載下的各諧波成分較輕負載下大，但運行在輕負載下的相對基波含量及總諧波畸變率較額定負載下大得多。從減少變頻調(diào)速系統(tǒng)注入電網(wǎng)諧波的角度看，應盡量避免變頻器長時期運行在低負載情況。3 特殊工況運行對諧波影響 由于小型船舶電力推進系統(tǒng)是小電網(wǎng)大負載的運行工況，而且動態(tài)負載經(jīng)常變化，電力推進系統(tǒng)的動態(tài)運行將使電力系統(tǒng)的電壓、頻率產(chǎn)生波動，以及發(fā)電機運行臺數(shù)的變化。為了更全面地分析電力推進系統(tǒng)的諧波，必須對電力推進系統(tǒng)的特殊工況對系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波有何影響進行研究。3.1 電壓攝動對諧波的影響根據(jù)船舶電力推進

9、系統(tǒng)技術條件（國標：GB/T13030-2009）的要求，系統(tǒng)穩(wěn)定運行必須使電壓的動態(tài)變化U10%。所以，把系統(tǒng)電壓Us=400V改為360V和440V兩種最惡劣的運行工況，應用圖2所示的電力推進系統(tǒng)的諧波等效模型進行諧波仿真分析。仿真結(jié)果如圖9，圖10所示。 圖9 Us=360V時電流波形和頻譜圖 圖10 Us=440V時電流波形和頻譜圖Fig.9 The input current and current harmonic Fig.10 The input current and current harmonicfrequency spectrum of Us=360V frequency

10、 spectrum of Us=440V 從仿真波形圖9和圖10與圖4的比較中可以得出，在小型船舶電力推進系統(tǒng)運行相同負載的情況下，系統(tǒng)電壓變小時，基波電流的有效值將減少（從192.9A減少至173.6A）。系統(tǒng)電壓變大時，基波電流的有效值將增加（從192.9A增加至212.2.6A）。但是，不管系統(tǒng)電壓是增加還是減小，系統(tǒng)產(chǎn)生的電流諧波次數(shù)（5、7、11等特征諧波）和電流的畸變率都沒改變（為38.77%）。所以，系統(tǒng)電壓變化對電力推進系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波性質(zhì)影響不大。3.2 頻率攝動對諧波的影響根據(jù)船舶電力推進系統(tǒng)技術條件（國標：GB/T13030-2009）的要求，系統(tǒng)穩(wěn)定運行必須使頻率的動態(tài)變

11、化f 5%。所以，把系統(tǒng)頻率50Hz改為47.5Hz 和52.5Hz 兩種最惡劣的運行工況，應用圖2所示的電力推進系統(tǒng)的諧波等效模型進行諧波仿真分析。仿真結(jié)果如圖11，圖2-12所示。 圖11 fs=47.5Hz時電流波形和頻譜圖 圖12 fs=52.5Hz時電流波形和頻譜圖Fig.11 The input current and current harmonic Fig.12 The input current and current harmonicfrequency spectrum of fs=47.5Hz frequency spectrum of fs=52.5Hz 比較仿真圖11

12、和圖12與圖4中的電流波形和頻譜，在小型船舶電力推進系統(tǒng)運行相同負載的情況下，不管系統(tǒng)頻率是增加還是減小，系統(tǒng)產(chǎn)生的基波電流大?。?93A）、電流諧波次數(shù)（5、7、11等特征諧波）和電流的畸變率（38.77%）基本都沒改變。但是，由于基波頻率的變化，電流諧波的頻率都將隨著改變。所以，系統(tǒng)頻率變化對電力推進系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波性質(zhì)影響較大。3.3 系統(tǒng)阻抗變化對諧波的影響根據(jù)圖2所示的電力推進系統(tǒng)的諧波等效模型，發(fā)電機臺數(shù)和其它負載的變化將改變系統(tǒng)的阻抗。在小型電力推進船舶中，其主要負載就是電力推進系統(tǒng)，占80%以上，其系統(tǒng)阻抗變化主要由發(fā)電機的并聯(lián)或解列引起。仿真結(jié)果如圖13，圖14所示。 圖13

13、一臺機組時電流波形和頻譜圖 圖14 并聯(lián)運行時電流波形和頻譜圖Fig.13 The input current and current harmonic Fig.14The input current and current harmonicfrequency spectrum of single generator frequency spectrum in parallel 據(jù)仿真波形圖13和圖14與圖4中的電流波形和頻譜比較可以得出，小型船舶電力推進系統(tǒng)運行相同負載的情況下，系統(tǒng)阻抗的變化對系統(tǒng)產(chǎn)生的基波電流大?。?93A）、電流諧波次數(shù)（5、7、11等特征諧波）和基本都沒改變。但是，一

14、臺發(fā)電機運行時電流的畸變率為38.77%，而兩臺發(fā)電機并聯(lián)運行時，由于系統(tǒng)阻抗的減少，電流畸變率變?yōu)?1.41%。這說明船舶電網(wǎng)的諧波情況還與同步發(fā)電機的等值阻抗有關，當同步發(fā)電機的等值電抗較大時，相當于在變頻器交流輸入側(cè)設置了平波電抗器，在一定程度上起到了抑制諧波的作用。所以，系統(tǒng)阻抗變化對電力推進系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波性質(zhì)影響較大。4 結(jié)論小型電力推進船舶是由低壓發(fā)電機供電給6脈沖VSI變頻器來驅(qū)動異步電動機實現(xiàn)船舶推進的。針對變頻驅(qū)動對船舶電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響，建立了諧波分析模型，仿真結(jié)果和實測波形都說明了6脈沖VSI變頻器產(chǎn)生的主要諧波為5次、7次、11次等特征諧波，諧波電流的大小主要由負載的大

15、小決定。分析了的系統(tǒng)的阻抗、電壓和頻率產(chǎn)生波動電力推進系統(tǒng)諧波分布情況，為設計合理的濾波裝置進行諧波抑制的奠定了理論基礎。參考文獻1 Hodge C G, Mattick D J, FlowerJ O. Novel converters for electric ship propulsion system and shipboard power distributionC. 2000 Twenty-Fourth International Power Modulator Symposium，Norfolk, VA, USA；2000: 89962Prousalidis J M, Hatzia

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