電力推進船舶電網(wǎng)諧波抑制仿真研究_圖文

1、武漢理工大學碩士學位論文電力推進船舶電網(wǎng)諧波抑制仿真研究姓名:宋艷瓊申請學位級別:碩士專業(yè):輪機工程指導教師:陳輝20070401 自動分成6脈動和12脈動系統(tǒng).。變壓過來的交流電輸送給變頻器,通過變頻器控制電機的速度和轉(zhuǎn)矩,推進負載由負載電機提供,將推進電機和負載電機對軸連接,原動力和負載均采用一臺180KW的電機。閉合圖3.1的開關(guān)后,圖32中采用兩個6脈波換流橋串聯(lián)的方式,構(gòu)成一個12脈波換流橋,換流橋交流側(cè)變壓器分別為-和.Y接法,相位相差304。在12脈波整流橋中,兩個6脈波整流橋分別產(chǎn)生的諧波電壓的反相分量將抵消,只有同相分量在線路中產(chǎn)生諧波電流。因而,直流側(cè)產(chǎn)生的諧波電壓主要是1

2、2n次,由于這些特征諧波電壓和理想直流電壓都是每個6脈波換流器相應電壓的2倍,因此總特征諧波電壓與直流電壓的比值與單個6脈波換流器相同。 。7品:。鬣?mRr.O p。glt”。圖3-1電力推進仿真實驗室的系統(tǒng)流程圖圖3-212脈波整流橋12脈沖整流方式下的電流比6脈沖的波動要小,通常采用多橋換流器,即將多個三相整流橋在交流側(cè)并聯(lián)和在直流側(cè)串聯(lián),能降低諧波含量,起到一定的平波效果,有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運行,減少對通訊及其它設(shè)備的電磁干擾。如果船東對電網(wǎng)電能的質(zhì)量要求不僅僅是滿足船級社規(guī)定的話,就可選用24脈波,如1998年投入使用的航行于地中海和加勒比海的豪華游擴OrandPrincess”就是采

3、用西門子公司提供的24脈波Synchro電力推進系統(tǒng)。該船長290m,載客量2600人,船員人數(shù)1150。該船投入運行后,西門子公司對該船電網(wǎng)在各種工況下的諧波失真情況進行了實船測量,證實完全滿足船級社的有關(guān)規(guī)定【121。2脈寬調(diào)制整流技術(shù) 原邊繞組和兩個副邊繞組構(gòu)成,兩個副邊輸出各接一臺整流橋。如圖4.1所示,兩個相同的6脈波整流器通過VY和Y-聯(lián)結(jié)的變壓器并聯(lián)運行的12脈波整流器的拓撲結(jié)構(gòu)。確定變壓器的電壓比使得施加在兩個變流器上的電壓幅值相同。如果Y吖聯(lián)結(jié)的6脈波整流器的相電流為方波,則J?？梢员磉_為ly=11sincoot15sin5ot17sin7coot+1ll sinlleoot

4、+113sinl3mot+(4.1如果施加在聯(lián)結(jié)的變流器上的電壓滯后30。并假定電流的幅值相同,則ly=11sin(COot一300一15sin(5coot一150。一17sin(70Tot一210。+l sin(1lCOot一330。+113sin(13coot-3900+(4-2 Gnuplot是一個比較強大的繪圖軟件包,是由Colin趾tte,s和Thomas Williams于1986年開發(fā)的繪圖程序發(fā)展而來的,可以在多個平臺下使用。Gnuplot 既支持命令行交互模式,也支持腳本。因此,通過Gnuplot很容易畫出變壓器二次側(cè)和三次側(cè)的電流,和L的波形,如圖42所示。 圖4-212脈

5、波整流器的二次側(cè)和三次側(cè)電流對于Y-聯(lián)結(jié)的變壓器,高壓側(cè)正序電壓和電流比低壓側(cè)超前30。,而高壓側(cè)負序電壓和電流比低壓側(cè)滯后30。.因此在高壓側(cè),。的標幺值是相同的。另一方面,Id的正序和負序諧波分別移相+30。和-30。所以I L=,+L.t:,300h=3n+l=1,4,7,10,22,25,I Ir=ly+la么一30。h-3nl=2,5,8,1l,20,23,(4-3將,。和,。的表達式組合起來,可以得到ly=Ij sinmot一,5sin5a,ot一17sin7mot+IiI sinllmo,+113sinl3coot+4-11sin(ot一30。+309一15sin(5coot一1

6、50。一300一17sin(7a'ot一2100+30。+ 11l sin(11wot一330。一300+113sin(13coor一390。+3004-=2k sin(toot+111sin(1loot+113sin(13tOot+一切(“通過Cmuplot畫出、Iy和Ia的波形,Ir的波形繪于圖4-3中,ly辛fDId的波形如圖4.2所示。 圖4.312脈波整流器的一次側(cè)電流j。的上述表達式揭示了所謂特征諧波的概念,特征諧波次數(shù)為11,13,23, 25,35,37,即h=12n±l,iv/=1,2,3,(4_5其中n=l,2,3,。12脈波整流器正是根據(jù)上述特征諧波為1

7、2n+1次的結(jié)果而命名的。6脈波整流器一般產(chǎn)生5,7,17,19,次諧波,產(chǎn)生的諧波次數(shù)為h=6n±l,以=1,2,3,(4-6一個P脈波整流器將產(chǎn)生的諧波次數(shù)為h=pn±1,胛=1,2,3,(4-7更進一步,形狀接近方波的合成相電流的諧波含量有一個理論值2爭“去“-8由此可以看出,對電網(wǎng)而言,兩個整流橋產(chǎn)生的5,7,17,19,次諧波相互抵消,只有12k±1次諧波。12脈波整流的輸入電流波形質(zhì)量比6脈動整流時有很大提高。具體地說,就是注入電網(wǎng)的只有11次、13次、23次、25次、37次、諧波。如果在電網(wǎng)側(cè)步并聯(lián)有兩組Lc無源濾波器,對11次、13次諧波進行補 去

8、smz,+去sm2s似+巹.】(4一。對于L有:o=竽Ls蚴+磊一習1/"+擊s刪耐+老+靜+吉刪s耐+魯一靜+去s呱23耐+魯+去sin(2s耐+西2/"一靜】ca一.則電網(wǎng)側(cè)合成電流為:L刮?！?。=譬LI時n耐+寺咖2,研+去s.m2s加(u此時電網(wǎng)側(cè)電流僅含有24k_+1次諧波,電網(wǎng)的諧波含量進一步降低了。24脈動整流的輸入電流波形已經(jīng)基本接近正弦波。通過Gnuplot畫出IA的波形,如圖4.5所示。 圖4.524脈波整流器的電網(wǎng)側(cè)合成電流由上面的分析也可以看出,相角相差15。+nX30。(n為整數(shù)時,也能與相角相差15。時得出同樣的結(jié)果。可以得出結(jié)論,以m個相位相差

9、z/3ra的變壓器分別供電的三相橋式整流電路可以構(gòu)成6m脈動的整流電路,其網(wǎng)側(cè)電流僅含有6m±1次諧波,并且各次諧波有效值與其次數(shù)成反比,且與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)。也就是說,相數(shù)越多,諧波含量越小,相應的基波因數(shù)也隨著相數(shù)的提高而提高,功率因數(shù)相應提高。13l】由上面的理論分析可以得出結(jié)論:多相整流技術(shù)是抑制諧波的有效途徑。31 武漢理工大學碩士學位論文電流,但是這樣帶來設(shè)計復雜、成本升高。為此可以綜合考慮,采用一級移相來抑制主要次諧波電流。如果主要濾除影響比較大的5次、7次諧波電流,可以選擇口=lr,此時三相移相電抗器的電壓相量如圖4-16所示。1基于三相移相電抗器的1

10、2脈波整流器的仿真圖4-17橋前采用移相電抗器的三相無源PFC電路 圖4-18采用移相電抗器的三相無源PFC仿真電路在圖4.18中VSI-3為標準三相正弦電壓源,相電壓有效值為220V。lLLCl3為三相輸入電抗器,取值為lmH,為了便于收斂,串聯(lián)0.01f2的電阻。RLC4為橋后平波電抗器,取值為lO沁I。RLC5為電解電容,取值為184CI心。RLC6為電阻負載,取值為50Q。圖4.18中的表格為輸入電流0-19次諧波電流幅值,其中基波電流幅值為9.7A,3次諧波電流的幅值為0.34A,5次諧波電流的幅值為1125A,7次諧波電流的幅值為O.54A。 圖4-19三相耦合電感與12脈波整流橋

11、接線圖4-2012脈波整流橋拓撲結(jié)構(gòu)Subsysteml為子系統(tǒng),如圖4-19所示,包括三只三相耦合電感M11、M12和M13,還包括一個12脈波不控整流橋,其中整流橋的拓撲結(jié)構(gòu)如圖4-20所示。23次諧波注入的6脈波整流技術(shù)的仿真基于圖4-21,建立如圖422所示的3次諧波注入三相PFC電路的仿真模型。其模型仿真參數(shù)設(shè)置為:變步長。最大步長為1e.6s,相對精度為le-3,算法選擇ode23t(rood.stiff/trapezoidal。Z 、2kZ II I l Nm cs豐ORlI 勺要口耋藝幸產(chǎn)2l 'o 口寶>,。Z XZ kL。一_圖4-2l橋前采用3次諧波注入的三

12、相無源PFC電路 圖4_223次諧波注入的三相無源PFC仿真電路在圖睨2中VSl3為標準三相正弦電壓源,相電壓有效值為220V。RLCI3為橋前三相濾波電容,取值為50心,為了便于收斂,串聯(lián)0.OlQ的電阻。RLC4-6為橋前三相濾波電感,取值為101.tH。RLC7為橋后電抗器,取值為10-I。RLC7和RLC9為電解電容,單只取值為184(¨F。RLCl0和RLCll為等值均壓電阻,取值為50f1。MIl為三相耦合電感,繞組1、2和3的自阻和自感均為0.0001f2和200mq,互阻和互感分別為O.IK2和150肛H。圖4.18中的表格為輸入電流的0-19次諧波電流幅值,其中基波

13、電流幅值為8.15A,3次諧波電流的幅值為0.04A,5次諧波電流的幅值為1。53A,7次諧波電流的幅值為0.62A。雖然無源PFC有很多優(yōu)點,如技術(shù)成熟,價格犏低:堅固耐用,安全可靠;不用考慮分布電感;合適的方案和布線可以降低系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁干擾(EMI強度,并且提高電磁敏感度(EMS水平等。但是也有許多不足,如需要安裝空間大,一般需要板外安裝;需要考慮功率損耗和解決發(fā)熱問題;電壓損失過大,隨著負載電流的增加,電壓損失加重,而且不能升壓和調(diào)壓;需要過多銅材,體積大,重量大,參數(shù)匹配也比較困難;電流諧波抑制效 圖4.25傳統(tǒng)單相有源PFC系統(tǒng)的仿真電路在圖4-25中VSl為標準單相正弦電壓源,電

14、壓有效值為220V.RLCl為輸入濾波電容,取值為3.3心,為了便于收斂,串聯(lián)O.OlQ的電阻。RLC2為lmH 的升壓電感。RLC3為橋后直流側(cè)并聯(lián)電阻,取值為51kQ。RLC4為功率級無感電阻,取值為0.015Q,負責檢測電感電流瞬時值。RLC5為電解電容,容值為141CluF。RLC6為電阻負載,取值為50171。RLC7與RLC8為分壓電阻,構(gòu)成l: 80的比例,提供電壓反饋信號,對應空載輸出直流電壓為400V,RIC7取值為79kQ,RLC8取值為l k.O。D5一D8構(gòu)成單相整流橋,也可以采用通用整流橋。MOSFETl為功率開關(guān),FRDI為反向快恢復功率二極管。以上組成功率電路。在

15、控制電路部分中,三角波發(fā)生電路由時鐘Clockl、采樣保持器ZOHl、復合器Mux2以及通用表達式Fcn3構(gòu)成,采樣時間為0.00002s,得到開關(guān)頻率為50kHZ、幅值為2.5的鋸齒波。電壓濾波器由常數(shù)Constantl、加法器Addl、傳遞函數(shù)Transfer Fcnl、飽和器Satuation2組成,完成對負載電壓的檢測與給定電壓的比較、濾波和放大,飽和上限為+15v,下限為一15v.輸入交流電壓波形檢測部分由正弦發(fā)生器Sine Wavel、求絕對值器Absl、通用表達式Fen4組成,其中Sine Wavel的幅值為0.05V,與電源VSl波形和相位完全一致,Fcn4負責補償過零失真。上述兩者結(jié)果經(jīng)過乘法器Productl相乘后的乘積為輸入?yún)⒖茧娏餍盘?與電壓表VM2檢測得到的電感電流信號相比較作為電流PI調(diào)節(jié)器的輸入。電流PI調(diào)節(jié)器由傳遞函數(shù)Transfer Fen2、飽和器Satuation2、通用表達式Fen5組成,F