綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)諧波分析的仿真計(jì)算

孟得東，王力

(武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064)

0 引言

隨著變頻調(diào)速技術(shù)的迅速發(fā)展，變頻器、推進(jìn)電機(jī)等電力設(shè)備也在船舶行業(yè)被廣泛使用。作為艦船綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)核心設(shè)備的變頻器，就是供電電網(wǎng)的主要諧波源之一[1]。它在輸入回路會(huì)產(chǎn)生大量高次諧波，使輸入電流波形發(fā)生嚴(yán)重畸變，嚴(yán)重污染電網(wǎng)的供電質(zhì)量。為了減小諧波對(duì)電網(wǎng)的影響，有必要對(duì)變頻器輸入端諧波進(jìn)行分析和計(jì)算，以滿(mǎn)足船舶電網(wǎng)的供電要求和保證其它船電設(shè)備的可靠運(yùn)行。

1 變頻器輸入端諧波分析

電壓型變頻器產(chǎn)生的諧波主要是由其整流部分和中間的濾波電容造成的。把逆變部分及負(fù)載等效為電阻時(shí)，電阻不會(huì)向系統(tǒng)反饋諧波。穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，電容進(jìn)行的是穩(wěn)定的充放電過(guò)程，如果電容足夠大，充放電對(duì)交流側(cè)產(chǎn)生的諧波就只與整流輸出波形的紋波大小成正比關(guān)系。如果考慮電容，從理論上分析變頻器入端諧波過(guò)程將會(huì)非常復(fù)雜。為了簡(jiǎn)化理論分析，假設(shè)直流側(cè)濾波電容為無(wú)窮大，也就是說(shuō)不考慮電容的影響，只考慮整流器產(chǎn)生的諧波，也可以得到輸入端諧波的特性和趨勢(shì)。

圖1為三相不控整流器電路，由于三相整流橋整流輸出為每個(gè)周期6脈動(dòng)的直流波形，所以三相整流也叫做6脈動(dòng)整流[2]。直流輸出的每個(gè)紋波各占1/6個(gè)周期，即相鄰兩個(gè)紋波相角相差π/3。所以6脈整流在交流側(cè)的電流含有6k±1（k為正整數(shù)）次諧波。如果將一個(gè)三繞組變壓器（比如Dd0y11型）的兩個(gè)輸出端分別作為三相整流橋的輸入端，整流橋的輸出端進(jìn)行串并聯(lián)，則輸出的直流波形變成具有12脈波的波形，每個(gè)紋波占1/12個(gè)周期，相鄰兩個(gè)紋波相角相差π/6。這種整流方式就叫做12脈動(dòng)整流，它只含有12k±1（k為正整數(shù)）次諧波。同理，如果將兩臺(tái)原邊相角相差π/12的三繞組變壓器并聯(lián)運(yùn)行，可以組成24脈動(dòng)整流電路，這時(shí)其電網(wǎng)側(cè)將只含有24±1次諧波，其諧波含量比12脈動(dòng)整流電路會(huì)有更大的改善。

由此可以看出，作為一般規(guī)律，以m個(gè)相位相差π/3m的變壓器分別供電的m個(gè)三相橋式整流電路可以構(gòu)成6m脈動(dòng)的整流電路，其網(wǎng)側(cè)電流僅含有6mk±1次諧波，其有效值與諧波次數(shù)成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)。隨著整流脈動(dòng)數(shù)的提高，諧波含量會(huì)越來(lái)越小[3]。以上只是從理論上分析了多相整流對(duì)諧波的影響，實(shí)際情況中，變頻器對(duì)電網(wǎng)的諧波還會(huì)受到其他很多方面的影響，比如濾波電容、負(fù)載特性、變壓器阻抗、線(xiàn)路阻抗等，諧波情況也要復(fù)雜一些。這些情況都將在下面的仿真分析中加以考慮。

圖1 變頻器帶電機(jī)負(fù)載時(shí)的等值電路

2 電力推進(jìn)系統(tǒng)諧波仿真模型分析

進(jìn)行綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)諧波仿真研究的關(guān)鍵就是正確建立系統(tǒng)的仿真模型[4]。變頻器網(wǎng)側(cè)的諧波主要影響的對(duì)象是整個(gè)船舶電網(wǎng)，變頻器輸出端的諧波影響的主要是推進(jìn)電機(jī)。在2000方絞吸式挖泥船綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)中主要考核的是諧波對(duì)電網(wǎng)電壓的影響。本文主要考慮變頻器交流輸入側(cè)對(duì)電網(wǎng)的諧波影響。

實(shí)際計(jì)算中，為使分析結(jié)果更接近于實(shí)際情況，首先建立變壓器、輸電線(xiàn)路和變頻器－電動(dòng)機(jī)的諧波分析等值電路模型庫(kù)，然后利用Matlab按照?qǐng)D2構(gòu)造其等值電路模型，進(jìn)行分析與計(jì)算，得到推進(jìn)變壓器原邊電壓的總諧波畸變率(THD)和各次諧波的大小及其在總電壓中的含量。

圖2 系統(tǒng)單線(xiàn)圖

圖3 系統(tǒng)仿真模型

圖4 各工況仿真結(jié)果

3 仿真計(jì)算及結(jié)果分析

通過(guò)以上分析，本文以Matlab6.5為仿真軟件平臺(tái)，構(gòu)建了一個(gè)用于電力推進(jìn)系統(tǒng)中變頻器輸入側(cè)諧波分析的用戶(hù)模型庫(kù)。根據(jù)本船實(shí)際運(yùn)行中的工況，分別構(gòu)建系統(tǒng)仿真模型后進(jìn)行仿真計(jì)算，并對(duì)仿真結(jié)果加以分析。工況的仿真結(jié)果，如圖4所示：

航行工況：兩臺(tái)2200 kW 發(fā)電機(jī)，兩臺(tái)主推電機(jī)100%功率（虛擬24 脈動(dòng)整流），日用負(fù)載473 kW。

疏浚作業(yè)工況：兩臺(tái)2200 kW 發(fā)電機(jī)，兩臺(tái)挖泥電機(jī)100%功率（虛擬24 脈動(dòng)整流），液壓泵站電機(jī)504 kW,日用負(fù)載601 kW。

進(jìn)出港工況：兩臺(tái)2200 kW 發(fā)電機(jī)，兩臺(tái)主推電機(jī)80%功率（虛擬24 脈動(dòng)整流）， 日用負(fù)載490 kW；

單機(jī)工況：?jiǎn)闻_(tái)2200 kW 發(fā)電機(jī)，單臺(tái)主推100%功率（12 脈動(dòng)整流），日用負(fù)載217 kW。

母聯(lián)斷開(kāi)工況：母聯(lián)兩側(cè)均為單臺(tái)2200 kW發(fā)電機(jī)，其中一側(cè)單臺(tái)主推100%功率（12 脈動(dòng)整流），日用負(fù)載217 kW；另一側(cè)只有單臺(tái)主推100%功率（12 脈動(dòng)整流）。

從仿真結(jié)果可以看出，單機(jī)工況電網(wǎng)諧波含量較大，為4.98%，已接近5%，但此工況使用較少，且不會(huì)影響日用電網(wǎng)，同時(shí)也滿(mǎn)足CCS規(guī)范對(duì)電網(wǎng)諧波不大于5%的要求。

在當(dāng)前發(fā)電機(jī)參數(shù)下，690 V、390 V電網(wǎng)電壓諧波含量能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)及船級(jí)社規(guī)范的小于5%的要求。

對(duì)比前四種工況，可以看出12脈動(dòng)整流和虛擬24脈動(dòng)整流時(shí)的諧波次數(shù)的差別，12脈動(dòng)整流時(shí)電網(wǎng)的電壓主要含有11、13、23、25次諧波，而12脈動(dòng)整流時(shí)，11、13次諧波已基本消除，電壓只含有23、25次諧波。而各次諧波大小與基波的比值都基本不變，系統(tǒng)的電壓諧波總畸變率大大減小，這個(gè)結(jié)論也證明了前面的理論分析。

對(duì)比第一種工況的690 V和390 V不同電制，可以得出，距離電源側(cè)越近的電網(wǎng)，電壓諧波含量越大，這是由于電網(wǎng)等值電感的諧波抑制作用隨諧波電流的降低而增大的緣故。

對(duì)比第一和第二種工況可以得出，在電網(wǎng)參數(shù)不變的情況下，電網(wǎng)電壓諧波情況與負(fù)載功率有關(guān)（在諧波分析等值電路中表現(xiàn)為等值電阻值R，R隨變頻器輸出功率增大而減?。?，負(fù)載功率較大時(shí)（額定運(yùn)行），電網(wǎng)電流的各次諧波較負(fù)載功率較小時(shí)大大增加，電網(wǎng)的電壓波形隨基波電流的降低而更接近于正弦波，總諧波電壓畸變率THD則降低了。這是因?yàn)樨?fù)載減小后，電網(wǎng)側(cè)各次諧波電流幅值均減小，使得由其在電網(wǎng)等效阻抗上產(chǎn)生的各次諧波電壓幅值減小，而電壓基波幅值基本不變，這樣電壓諧波畸變率就隨之減小。

對(duì)比第三、四種工況，在負(fù)載相差不多時(shí)，投入的發(fā)電機(jī)數(shù)目減少，也就是說(shuō)電網(wǎng)容量減小，電網(wǎng)的電壓畸變會(huì)增加。這是因?yàn)樨?fù)載一定時(shí)，負(fù)載電流基波保持不變，而并聯(lián)的發(fā)電機(jī)數(shù)目減少，使得電網(wǎng)等值電路的阻抗增大，電感對(duì)電流的諧波抑制作用也隨之增大，使得電流的畸變減小，而電流諧波減小的倍數(shù)比電網(wǎng)的等值阻抗增加的倍數(shù)要小，電網(wǎng)阻抗產(chǎn)生的電壓降會(huì)增大，由此帶來(lái)的電壓畸變也會(huì)增大。

4 結(jié)論

通過(guò)仿真計(jì)算結(jié)果說(shuō)明通過(guò)改變整流方式，采用多脈動(dòng)整流，同時(shí)，選擇合適的負(fù)載/電網(wǎng)容量比例，可有效的降低變頻器輸入側(cè)的諧波含量。

[1] 王兆安等. 諧波抑制與無(wú)功功率補(bǔ)償. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1998.9.

[2] 林海雪, 孫樹(shù)勤. 電力網(wǎng)中的諧波. 北京: 中國(guó)電力出版社,1998.

[3] George J.Wakileh著.徐政譯. 電力系統(tǒng)諧波——基本原理、分析方法和濾波器設(shè)計(jì). 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2003年8月, 第一版.

[4] Rice D E.A detail analysis of six-pulse converters harmonic currents. IEEE Trans Ind Appl,19.