小型船舶电力推进系统谐波分布研究

1、小型船舶电力推进系统谐波分布研究郑为民 俞万能集美大学轮机工程学院，福建厦门，361021摘要针对小型船舶电力推进系统产生的谐波对船舶电网电能质量的影响，建立了谐波分析模型，研究变频驱动产生的输入侧电流谐波在不同工作状态下谐波分布情况，并较全面地分析电力推进系统的动、静态特性对系统产生谐波分布的影响，为电力推进系统的谐波抑制奠定了基础。关键词 电力推进；船舶；谐波；分析中图分类号：TM712 文献标识码 A 0 前言 小型船舶电力推进系统采用异步电动机直接驱动螺旋桨，电动机的转速控制由电压源变频器（Voltage source inverter VSI）实现。变频器产生的谐波电流污染电网导致供

2、电质量下降，由此引发船舶电动机发热加剧、控制系统的控制信号波形畸变、控制角出现偏差，造成控制不准确甚至误动作。因此，电力推进船舶应尽可能减小或消除变频器谐波影响。围绕着船舶电力推进系统的谐波分析及抑制，国内外的一批专家学者都只针对电力推进系统中某一局部问题进行研究，尚未对整个船舶电力系统进行全面的研究1-5。陆金铭针对柴油机船舶电力推进系统，分别建立了发电和负荷系统的数学模型，并对发电机频率和电压进行了仿真，然而其负荷模型只考虑了静态特性，没有涉及对推进系统的动态性能对谐波分布影响进行研究6。以上论文的研究对象大多是中高压电力推进系统的谐波情况，对小型船舶电力推进系统的谐波分析及抑制论述不多。

3、本文建立既足够精确又比较简单的变频调速系统的谐波分析模型，较全面分析小型电力推进系统的谐波分布情况，为谐波抑制装置的开发奠定了基础。1 电力推进系统的谐波模型建立常规的PWM -VSI电压源交流变频调速系统如图1所示。三相交流输入电压经过不可控三相桥式整流后，经过电容滤波的直流环节得到基本恒定的直流母线电压，再经过PWM逆变器把直流母线电压逆变成三相交流PWM脉冲电压，接至交流电动机的接线端，驱动电动机运行。变频器中的整流电路将向供电电网注入谐波电流，严重恶化电网电能质量，而 PWM控制方式的变频器输出电压是一系列宽度按周期规律变化的近似方波的脉冲序列，产生很大的谐波电压，对负载端有很多的负面

4、影响。在小型电力推进系统中，一般采用变频电机作为驱动，而不设专门的变频器输出侧谐波电压的抑制装置。变频器产生的谐波主要是由于整流电路中的电力开关器件向供电电网注入的谐波电流，再者逆变器向中间直流环节注入的纹波电流也可以流入到电网中。由逆变器产生的谐波电流的幅值和频率是关于逆变器和电机设计和运行参数的极其复杂的函数，很多研究人员的试验和仿真研究结果也说明对逆变器驱动电机系统等效为一个谐波源是没有必要的7-10。由于电压型PWM变频器中间直流回路的滤波电容容量较大，中间直流电压波动很小，可以认为是一个恒定的电压源11。直流电流取决于逆变器的输出功率，即取决于变频器拖动电机的实际运行情况。所以，逆变

5、器驱动电机运行的等值电阻仅与逆变器的输出功率有关，也是影响电力系统谐波情况的主要因素。电力推进系统谐波分析的仿真模型如图1和图2所示。 图1 VSI变频调速系统等效图 图2 变频调速系统谐波分析仿真电路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 稳态运行谐波分析 根据以上三相仿真电路，建立小型船舶变频驱动系

6、统变频器输入侧电流谐波分析仿真模型。仿真结果如图3、图4所示。 图3 轻载网侧电流及其谐波频谱波形 图4 满载网侧电流及其谐波波形Fig3 The input current and current harmonic Fig4 The input current and current harmonicfrequency spectrum with light load frequency spectrum with rated load在实际小型电力推进船舶中采用了施耐德ATV61-132电压源型变频器，其测量变频器输入侧的电流波形如图5、图6所示，电压波形如图7所示，电流频谱如图8所示。

7、图5 轻载网侧电流波形 图6 满载网侧电流波形Fig5 The input current with light load Fig6 The input current with rated load 图7 满载网侧电压波形 图8 网侧电流谐波频Fig7. The input voltage with rated load Fig8 The harmonic spectrum of input current 由变频调速系统谐波仿真结果以及实测波形可以得出，采用电压型的变频驱动的小型电力推进船舶电网主要的电流谐波是5、7、11等特征谐波。 所以，中小型电力推进船舶电力系统谐波情况主要与变频器的

8、输出电压和电流有关，即与变频器输出容量和电动机的运行状态（R的大小）有关。一定容量的变频器运行在额定负载下的各谐波成分较轻负载下大，但运行在轻负载下的相对基波含量及总谐波畸变率较额定负载下大得多。从减少变频调速系统注入电网谐波的角度看，应尽量避免变频器长时期运行在低负载情况。3 特殊工况运行对谐波影响 由于小型船舶电力推进系统是小电网大负载的运行工况，而且动态负载经常变化，电力推进系统的动态运行将使电力系统的电压、频率产生波动，以及发电机运行台数的变化。为了更全面地分析电力推进系统的谐波，必须对电力推进系统的特殊工况对系统产生的谐波有何影响进行研究。3.1 电压摄动对谐波的影响根据船舶电力推进

9、系统技术条件（国标：GB/T13030-2009）的要求，系统稳定运行必须使电压的动态变化U10%。所以，把系统电压Us=400V改为360V和440V两种最恶劣的运行工况，应用图2所示的电力推进系统的谐波等效模型进行谐波仿真分析。仿真结果如图9，图10所示。 图9 Us=360V时电流波形和频谱图 图10 Us=440V时电流波形和频谱图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 从仿真波形图9和图10与图4的比较中可以得出，在小型船舶电力推进系统运行相同负载的情况下，系统电压变小时，基波电流的有效值将减少（从192.9A减少至173.6A）。系统电压变大时，基波电流的有效值将增加（从192.9A增加至212.2.6A）。但是，不管系统电压是增加还是减小，系统产生的电流谐波次数（5、7、11等特征谐波）和电流的畸变率都没改变（为38.77%）。所以，系统电压变化对电力推进系统产生的谐波性质影响不大。3.2 频率摄动对谐波的影响根据船舶电力推进系统技术条件（国标：GB/T13030-2009）的要求，系统稳定运行必须使频率的动态变

11、化f 5%。所以，把系统频率50Hz改为47.5Hz 和52.5Hz 两种最恶劣的运行工况，应用图2所示的电力推进系统的谐波等效模型进行谐波仿真分析。仿真结果如图11，图2-12所示。 图11 fs=47.5Hz时电流波形和频谱图 图12 fs=52.5Hz时电流波形和频谱图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 比较仿真图11

12、和图12与图4中的电流波形和频谱，在小型船舶电力推进系统运行相同负载的情况下，不管系统频率是增加还是减小，系统产生的基波电流大小（193A）、电流谐波次数（5、7、11等特征谐波）和电流的畸变率（38.77%）基本都没改变。但是，由于基波频率的变化，电流谐波的频率都将随着改变。所以，系统频率变化对电力推进系统产生的谐波性质影响较大。3.3 系统阻抗变化对谐波的影响根据图2所示的电力推进系统的谐波等效模型，发电机台数和其它负载的变化将改变系统的阻抗。在小型电力推进船舶中，其主要负载就是电力推进系统，占80%以上，其系统阻抗变化主要由发电机的并联或解列引起。仿真结果如图13，图14所示。 图13

13、一台机组时电流波形和频谱图 图14 并联运行时电流波形和频谱图Fig.13 The input current and current harmonic Fig.14The input current and current harmonicfrequency spectrum of single generator frequency spectrum in parallel 据仿真波形图13和图14与图4中的电流波形和频谱比较可以得出，小型船舶电力推进系统运行相同负载的情况下，系统阻抗的变化对系统产生的基波电流大小（193A）、电流谐波次数（5、7、11等特征谐波）和基本都没改变。但是，一

14、台发电机运行时电流的畸变率为38.77%，而两台发电机并联运行时，由于系统阻抗的减少，电流畸变率变为51.41%。这说明船舶电网的谐波情况还与同步发电机的等值阻抗有关，当同步发电机的等值电抗较大时，相当于在变频器交流输入侧设置了平波电抗器，在一定程度上起到了抑制谐波的作用。所以，系统阻抗变化对电力推进系统产生的谐波性质影响较大。4 结论小型电力推进船舶是由低压发电机供电给6脉冲VSI变频器来驱动异步电动机实现船舶推进的。针对变频驱动对船舶电网电能质量的影响，建立了谐波分析模型，仿真结果和实测波形都说明了6脉冲VSI变频器产生的主要谐波为5次、7次、11次等特征谐波，谐波电流的大小主要由负载的大

15、小决定。分析了的系统的阻抗、电压和频率产生波动电力推进系统谐波分布情况，为设计合理的滤波装置进行谐波抑制的奠定了理论基础。参考文献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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