綜合電力推進系統諧波分析的仿真計算

孟得東，王力

(武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064)

0 引言

隨著變頻調速技術的迅速發展，變頻器、推進電機等電力設備也在船舶行業被廣泛使用。作為艦船綜合電力推進系統核心設備的變頻器，就是供電電網的主要諧波源之一[1]。它在輸入回路會產生大量高次諧波，使輸入電流波形發生嚴重畸變，嚴重污染電網的供電質量。為了減小諧波對電網的影響，有必要對變頻器輸入端諧波進行分析和計算，以滿足船舶電網的供電要求和保證其它船電設備的可靠運行。

1 變頻器輸入端諧波分析

電壓型變頻器產生的諧波主要是由其整流部分和中間的濾波電容造成的。把逆變部分及負載等效為電阻時，電阻不會向系統反饋諧波。穩定運行時，電容進行的是穩定的充放電過程，如果電容足夠大，充放電對交流側產生的諧波就只與整流輸出波形的紋波大小成正比關系。如果考慮電容，從理論上分析變頻器入端諧波過程將會非常復雜。為了簡化理論分析，假設直流側濾波電容為無窮大，也就是說不考慮電容的影響，只考慮整流器產生的諧波，也可以得到輸入端諧波的特性和趨勢。

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周期6脈動的直流波形，所以三相整流也叫做6脈動整流[2]。直流輸出的每個紋波各占1/6個周期，即相鄰兩個紋波相角相差π/3。所以6脈整流在交流側的電流含有6k±1（k為正整數）次諧波。如果將一個三繞組變壓器（比如Dd0y11型）的兩個輸出端分別作為三相整流橋的輸入端，整流橋的輸出端進行串并聯，則輸出的直流波形變成具有12脈波的波形，每個紋波占1/12個周期，相鄰兩個紋波相角相差π/6。這種整流方式就叫做12脈動整流，它只含有12k±1（k為正整數）次諧波。同理，如果將兩臺原邊相角相差π/12的三繞組變壓器并聯運行，可以組成24脈動整流電路，這時其電網側將只含有24±1次諧波，其諧波含量比12脈動整流電路會有更大的改善。

由此可以看出，作為一般規律，以m個相位相差π/3m的變壓器分別供電的m個三相橋式整流電路可以構成6m脈動的整流電路，其網側電流僅含有6mk±1次諧波，其有效值與諧波次數成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數的倒數。隨著整流脈動數的提高，諧波含量會越來越小[3]。以上只是從理論上分析了多相整流對諧波的影響，實際情況中，變頻器對電網的諧波還會受到其他很多方面的影響，比如濾波電容、負載特性、變壓器阻抗、線路阻抗等，諧波情況也要復雜一些。這些情況都將在下面的仿真分析中加以考慮。

圖1 變頻器帶電機負載時的等值電路

2 電力推進系統諧波仿真模型分析

進行綜合電力推進系統諧波仿真研究的關鍵就是正確建立系統的仿真模型[4]。變頻器網側的諧波主要影響的對象是整個船舶電網，變頻器輸出端的諧波影響的主要是推進電機。在2000方絞吸式挖泥船綜合電力推進系統中主要考核的是諧波對電網電壓的影響。本文主要考慮變頻器交流輸入側對電網的諧波影響。

實際計算中，為使分析結果更接近于實際情況，首先建立變壓器、輸電線路和變頻器－電動機的諧波分析等值電路模型庫，然后利用Matlab按照圖2構造其等值電路模型，進行分析與計算，得到推進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 系統單線圖

圖3 系統仿真模型

圖4 各工況仿真結果

3 仿真計算及結果分析

通過以上分析，本文以Matlab6.5為仿真軟件平臺，構建了一個用于電力推進系統中變頻器輸入側諧波分析的用戶模型庫。根據本船實際運行中的工況，分別構建系統仿真模型后進行仿真計算，并對仿真結果加以分析。工況的仿真結果，如圖4所示：

航行工況：兩臺2200 kW 發電機，兩臺主推電機100%功率（虛擬24 脈動整流），日用負載473 kW。

疏浚作業工況：兩臺2200 kW 發電機，兩臺挖泥電機100%功率（虛擬24 脈動整流），液壓泵站電機504 kW,日用負載601 kW。

進出港工況：兩臺2200 kW 發電機，兩臺主推電機80%功率（虛擬24 脈動整流）， 日用負載490 kW；

單機工況：單臺2200 kW 發電機，單臺主推100%功率（12 脈動整流），日用負載217 kW。

母聯斷開工況：母聯兩側均為單臺2200 kW發電機，其中一側單臺主推100%功率（12 脈動整流），日用負載217 kW；另一側只有單臺主推100%功率（12 脈動整流）。

從仿真結果可以看出，單機工況電網諧波含量較大，為4.98%，已接近5%，但此工況使用較少，且不會影響日用電網，同時也滿足CCS規范對電網諧波不大于5%的要求。

在當前發電機參數下，690 V、390 V電網電壓諧波含量能夠滿足系統及船級社規范的小于5%的要求。

對比前四種工況，可以看出12脈動整流和虛擬24脈動整流時的諧波次數的差別，12脈動整流時電網的電壓主要含有11、13、23、25次諧波，而12脈動整流時，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，系統的電壓諧波總畸變率大大減小，這個結論也證明了前面的理論分析。

對比第一種工況的690 V和390 V不同電制，可以得出，距離電源側越近的電網，電壓諧波含量越大，這是由于電網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。

對比第一和第二種工況可以得出，在電網參數不變的情況下，電網電壓諧波情況與負載功率有關（在諧波分析等值電路中表現為等值電阻值R，R隨變頻器輸出功率增大而減?。撦d功率較大時（額定運行），電網電流的各次諧波較負載功率較小時大大增加，電網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。這是因為負載減小后，電網側各次諧波電流幅值均減小，使得由其在電網等效阻抗上產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。

對比第三、四種工況，在負載相差不多時，投入的發電機數目減少，也就是說電網容量減小，電網的電壓畸變會增加。這是因為負載一定時，負載電流基波保持不變，而并聯的發電機數目減少，使得電網等值電路的阻抗增大，電感對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比電網的等值阻抗增加的倍數要小，電網阻抗產生的電壓降會增大，由此帶來的電壓畸變也會增大。

4 結論

通過仿真計算結果說明通過改變整流方式，采用多脈動整流，同時，選擇合適的負載/電網容量比例，可有效的降低變頻器輸入側的諧波含量。

[1] 王兆安等. 諧波抑制與無功功率補償. 北京: 機械工業出版社, 1998.9.

[2] 林海雪, 孫樹勤. 電力網中的諧波. 北京: 中國電力出版社,1998.

[3] George J.Wakileh著.徐政譯. 電力系統諧波——基本原理、分析方法和濾波器設計. 北京: 機械工業出版社, 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.