基于新型推進(jìn)變壓器的船舶電力系統(tǒng)研究*

薛 佳

(江蘇熔盛重工有限公司 南通 226532)

基于新型推進(jìn)變壓器的船舶電力系統(tǒng)研究*

薛 佳

(江蘇熔盛重工有限公司 南通 226532)

文章對(duì)新型推進(jìn)變壓器的理論進(jìn)行了分析,分析了新型推進(jìn)變壓器的原理和接線方案,研究了新型推進(jìn)變壓器的技術(shù)特點(diǎn),將該方案和傳統(tǒng)的推進(jìn)變壓器進(jìn)行仿真對(duì)比,介紹了新型推進(jìn)變壓器的所獨(dú)有的技術(shù)性能。

船舶電力系統(tǒng);推進(jìn)變壓器;諧波

Class NumberTM402

1 原有推進(jìn)變壓器存在的問題

目前,對(duì)船舶電力系統(tǒng)所產(chǎn)生的諧波進(jìn)行抑制的唯一實(shí)用方法是采用濾波裝置,如圖1。在變流器的交流側(cè),濾波裝置大都并聯(lián)在推進(jìn)變壓器交流側(cè)的母線上。濾波裝置由若干個(gè)無源濾波器并聯(lián)而成或是采用有源濾波器進(jìn)行濾波。其中,每個(gè)無源濾波器在一個(gè)或兩個(gè)諧波頻率附近或者在某一個(gè)頻帶內(nèi)呈現(xiàn)低阻抗,從而吸收相應(yīng)的諧波電流,使流入交流系統(tǒng)的諧波電流減少,從而達(dá)到抑制諧波的目的。

在船舶電力回路中安裝的交流濾波器(RLC)通常由調(diào)諧濾波器和高次濾波器組合而成,調(diào)諧濾波器用于單一高次諧波的吸收;高次濾波器用于多個(gè)高次諧波的吸收。目前廣泛采用的方案是將變頻器的高次諧波分量與電流系統(tǒng)的阻抗分流,如圖1所示,但這種方案存在以下固有問題:

圖1 船舶電網(wǎng)濾波示意圖

1)推進(jìn)變壓器閥側(cè)變流裝置對(duì)變壓器形成諧波源,而濾波器接在網(wǎng)側(cè)的交流系統(tǒng)母線上,這樣,諧波功率和無功功率都要通過變壓器的原副邊繞組傳送到船舶電網(wǎng)和網(wǎng)側(cè)的電力濾波裝置,不僅要占用變壓器的繞組容量,還要增加繞組的額外銅損和鐵損,增加電磁干擾和絕緣困難,并導(dǎo)致機(jī)械振動(dòng)和噪聲。

2)對(duì)濾波器容量和調(diào)諧頻率的選取,現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法一般通過經(jīng)驗(yàn)預(yù)先選定,再通過仿真分析來調(diào)整確定,導(dǎo)致濾波效果不夠穩(wěn)定和濾波器容量偏大,易與系統(tǒng)阻抗發(fā)生串、并聯(lián)諧振,從而造成濾波器失諧或損壞。

3)有源濾波效果好,但濾波容量較小,設(shè)備復(fù)雜且投資高?；谝陨峡紤],所以有必要尋求一種能有效抑制船舶獨(dú)立電網(wǎng)諧波污染的方法。

2 新型推進(jìn)變壓器的原理和接線方案

本文針對(duì)船舶電網(wǎng)傳統(tǒng)濾波方式存在的問題,將新型推進(jìn)變壓器的閥側(cè)繞組由現(xiàn)行的Y/△聯(lián)結(jié)變?yōu)檠舆叀髀?lián)結(jié),將濾波裝置移到閥側(cè)的公共繞組處,通過對(duì)公共繞組的零阻抗設(shè)計(jì),使閥側(cè)的特定次諧波電流流入濾波支路,實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)側(cè)繞組的隔離,從而保護(hù)船舶電網(wǎng),又實(shí)現(xiàn)了對(duì)變流過程中產(chǎn)生的無功功率的補(bǔ)償。由于其繞組的自禍作用,避免了閥側(cè)繞組對(duì)變壓器和電網(wǎng)的沖擊。

由圖1,圖2知,新型推進(jìn)變壓器及其濾波系統(tǒng)代替原有推進(jìn)變壓器及在交流網(wǎng)側(cè)實(shí)施諧波治理的方案。本文之所以稱新型推進(jìn)變壓器,是由新型推進(jìn)變壓器及其濾波系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)及技術(shù)優(yōu)點(diǎn)決定,與在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中的傳統(tǒng)諧波治理方式以示區(qū)別。

圖2 新型推進(jìn)變壓器的繞組接線與電壓相量圖

本文以Synchro電力推進(jìn)系統(tǒng)為對(duì)象,提出一種新型推進(jìn)變壓器的接線方案,如圖2所示。從推進(jìn)變壓器沿邊三角形公共端點(diǎn)引出6相,A1,B1,C1,A2,B2,C2分別與變流器連接,共同構(gòu)成12脈波的換流輸出。

設(shè)推進(jìn)變壓器一次側(cè)繞組的三相電壓對(duì)稱,即

式中:U1為一次母線相電壓有效值;?為A相電壓初始相位。對(duì)新型推進(jìn)變壓器而言,設(shè)一次側(cè)、二次側(cè)線電壓比為1∶1?？汕蟮瞄y側(cè)繞組線電壓數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

式中B為相對(duì)于傳統(tǒng)推進(jìn)變壓器的相位偏移角。

設(shè)公共繞組和沿邊繞組電壓有效值為Un和Um,由圖2(b)電壓相量,根據(jù)正弦定理可得到

為保證新型推進(jìn)變壓器滿足12脈波換相的要求,2個(gè)二次側(cè)的電壓相位差應(yīng)為π/6電角度,即

式中:w1、w2和w3分別為網(wǎng)側(cè)繞組、公共繞組和延邊繞組的匝數(shù),即公共繞組、網(wǎng)側(cè)繞組與延邊繞組的匝數(shù)比為1.7322和1.9318。

通過調(diào)整變壓器二次側(cè)延邊繞組與公共繞組的匝比關(guān)系,使新型推進(jìn)變壓器二次側(cè)上、下2組繞組的相位與一次側(cè)繞組相比分別前移15°,后移15°,2者的相位差為30°,由圖 2電壓向量圖可知,新型推進(jìn)變壓器二次側(cè)線電壓﹒UA1B1與﹒UA2B2,﹒UC1A1與﹒UC2A2,﹒UB1C1與﹒UB2C2之間的相位差均為30°,與線電壓﹒UB1A1,﹒UB2A2,﹒UA1C1,﹒UA2C2,﹒UC1B1,﹒UC2B2共同組成12脈動(dòng)線電壓。由此表明新型推進(jìn)變壓器可達(dá)到原有Y與△接線組成12脈動(dòng)同樣的效果,與12脈動(dòng)傳統(tǒng)推進(jìn)變壓器提供的脈動(dòng)線電壓沒有本質(zhì)區(qū)別,只是初始相位存在15°的差別。

該新型推進(jìn)變壓器閥側(cè)繞組采用延邊三角形接線形式,與傳統(tǒng)推進(jìn)變壓器相比,每相多一套繞組,雖增加了繞組的制造難度,但對(duì)于12脈動(dòng)推進(jìn)變壓器而言,所有閥側(cè)延邊繞組與網(wǎng)側(cè)繞組及閥側(cè)公共繞組與網(wǎng)側(cè)繞組之間的匝比相同,兩組橋換相電抗易保持相同,有利于諧波消除。該新型推進(jìn)變壓器可采用三相三繞組或單相三繞組型式,當(dāng)采用單相三繞組型式,構(gòu)成12脈動(dòng)推進(jìn)變壓器時(shí),只要設(shè)計(jì)一種推進(jìn)變壓器結(jié)構(gòu)方案,通過閥側(cè)繞組不同接線方案來達(dá)到12脈動(dòng)變流器的要求;而傳統(tǒng)推進(jìn)變壓器因閥側(cè)兩套繞組匝數(shù)不同,將不得不設(shè)計(jì)兩種推進(jìn)變壓器結(jié)構(gòu)方案,必然增加了設(shè)計(jì)和制造的難度。

3 新型推進(jìn)變壓器模型仿真

為保證供電安全和滿足大容量負(fù)載的要求,電力推進(jìn)船舶電力系統(tǒng)的電源一般為多臺(tái)發(fā)電機(jī)供電,發(fā)電機(jī)的原動(dòng)機(jī)多為柴油機(jī)和燃汽輪機(jī),電網(wǎng)直接或經(jīng)過推進(jìn)變壓器向推進(jìn)電機(jī)及其配套變頻器供電。為了對(duì)比分析新型推進(jìn)變壓器理論與傳統(tǒng)經(jīng)典模型在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性上的差異,本文利用Matlab中的PSB模塊分別建立船舶電力系統(tǒng)經(jīng)典模型和新型模型的仿真模型。交流推進(jìn)系統(tǒng)采用6相交一直一交變頻。從理論上講,基于晶閘管的整流和逆變是一對(duì)可逆的過程,主電路完全相同,區(qū)別只在于觸發(fā)角范圍不同,整流時(shí)的觸發(fā)角從0°～ 90°,逆變時(shí)的觸發(fā)角從 90°～ 180°(這里暫不考慮換向重疊角和安全裕度角對(duì)觸發(fā)角范圍的影響)。所以在這里只建模了交直流變換整流部分,其在未建模逆變部分下的仿真結(jié)果并不影響整體設(shè)計(jì)效果。

船舶電力系統(tǒng)仿真模型包括船舶三相電源,線路阻抗,推進(jìn)變壓器,雙調(diào)諧濾波器,同步參考電壓,同步12脈沖發(fā)生器,12脈波變流器,直流側(cè)平波電抗器等。

本文在觸發(fā)角分別為 8°、11°、13°、15°、18°的情況下,對(duì)新型推進(jìn)變壓器的閥側(cè)和網(wǎng)側(cè)諧波進(jìn)行了FFT分析,得到的諧波電流含有率和總諧波電流含有率如表1所示。通過對(duì)比分析可知,傳統(tǒng)船舶電力系統(tǒng)中,在交流網(wǎng)側(cè)接高通濾波和無功補(bǔ)償裝置,電流波形能有所改善,但推進(jìn)變壓器一次側(cè)電流波形畸變?nèi)暂^大,由于在濾波器設(shè)計(jì)中要考慮系統(tǒng)阻抗等因素,其濾波作用不能得到充分發(fā)揮,濾波效果并不明顯。

表1 兩種推進(jìn)變壓器網(wǎng)側(cè)與閥側(cè)的諧波含量

表1可知,采用新型濾波方式后,一次側(cè)電流波形在穩(wěn)態(tài)時(shí)的畸變率已經(jīng)很低,新型推進(jìn)變壓器二次側(cè)已經(jīng)有效抑制了諧波的流通路徑,其交流網(wǎng)側(cè)的電流波形十分接近正弦波,濾波效果顯著。這種新型濾波方式僅通過改變變壓器繞組的安匝匹配就達(dá)到了有源濾波的效果,沒有增加復(fù)雜的諧波檢測(cè)和調(diào)控裝置。

從諧波分析結(jié)果可知,隨著α角的增加,推進(jìn)變壓器網(wǎng)側(cè)和閥側(cè)的諧波電流含有率和總電流畸變率呈減大的趨勢(shì),在所分析的情況中,α=8°時(shí)達(dá)到最大,但對(duì)基波的影響也較大,因此在滿足要求的情況下,觸發(fā)角應(yīng)盡量小,使基波幅值不會(huì)減小太多。對(duì)于要抑制的主要諧波,如以 5、7、11、13次為目標(biāo),在同時(shí)要使其它次諧波含有率也有所衰減的情況下,建議設(shè)計(jì)的觸發(fā)角在11°左右,這樣可以達(dá)到比較好的諧波抑制效果。

4 結(jié)語

本文對(duì)電力推進(jìn)船舶電網(wǎng)諧波問題以及已有的諧波抑制方法及相關(guān)技術(shù)進(jìn)行分析和總結(jié),在此基礎(chǔ)上,結(jié)合電力推進(jìn)船舶電網(wǎng)的實(shí)際需求,針對(duì)傳統(tǒng)濾波方法存在的問題,提出一種利用新型推進(jìn)變壓器結(jié)構(gòu)實(shí)施諧波抑制的新型感應(yīng)濾波技術(shù),對(duì)提高當(dāng)前船舶電力系統(tǒng)面臨的電能質(zhì)量及滿足現(xiàn)代艦船電磁干擾和隱蔽性的更高要求有一定幫助,有著較高的實(shí)用價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景。

[1]聶延生.Synchro電力推進(jìn)系統(tǒng)的特點(diǎn)及諧波分析[J].大連海事大學(xué)學(xué)報(bào),2005,5(2):38～41

[2]李戰(zhàn)鷹,任震,曾堅(jiān)勇.饋入直流輸電系統(tǒng)交流側(cè)濾波方案的設(shè)計(jì)[J].電網(wǎng)技術(shù),2005,29(7):27～30

[3]時(shí)建鋒,羅隆福,鄧淑娟.新型推進(jìn)變壓器在船舶電網(wǎng)諧波抑制中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù),2008,32(21):91～96

[4]周麗霞,尹忠東,肖湘寧.基于移相電抗器的電力推進(jìn)船舶電網(wǎng)諧波抑制[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2007,22(8):90～94

[5]羅隆福,李勇,劉福生.基于新型換流變壓器的直流輸電系統(tǒng)濾波裝置[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2006,21(12):108～115

[6]李勇,羅隆福,許加柱.采用新型換流變壓器的直流輸電穩(wěn)態(tài)模型[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2006,30(21):28～32

[7]羅隆福,李勇,許加柱.新型換流變壓器配套濾波裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].電網(wǎng)技術(shù),2007,31(9):22～26

Study of ShipElectric Power T ransformer Based on New Propulsion System

Xue Jia
(Jiangsu Rongzhong Heavy Industries Co.,Ltd,Nantong 226532)

This paper analyzed the new propulsion transformer theory and the principles of the new transformers and wiring to promote the program,and then studied the technical characteristics of new propulsion transformers.Finally the program and the traditional transformer simulation comparison was proposed,and the new propulsion unique technical performance of transformer were introduced.

ship power system,promote the transformer,harmonic

TM402

2010年8月25日,

2010年9月30日

薛佳,男,助理工程師,研究方向:船舶電氣。