漁船電力推進系統概述與諧波分析

孟得東，郝春學

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漁船電力推進系統概述與諧波分析

孟得東，郝春學

(武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064)

隨著變頻調速技術的迅速發展，為遠洋漁業船舶采用電力推進帶來了新的契機。漁船采用電力推進系統具有故障冗余，運行可靠性高等特點，實現了船體布置結構靈活、全船電力系統統一分配，為漁船動力裝置變革起到了指導意義。對燈光圍網漁船諧波進行仿真計算，最后仿真結果符合理論分析且均滿足船舶電網諧波要求。

諧波 電力推進 仿真計算

0 引言

近年來，燈光圍網漁船和球刀漁船等新型漁船對電站需求的增加，電站共用為漁船采用電力推進方式提供了自然優勢。伴隨海洋資源的縮減，對船舶的噪音和振動性能、高可靠性及環保節能船舶的要求也增加,漁船領域發展電力推進從效益角度和長遠利益來看，勢在必行。作為電力推進系統漁船的核心設備變頻器和誘魚燈，就是供電電網的主要諧波源之一。為了減小諧波對電網的影響，我們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 電力推進系統方案的比較

以下為漁船采用電力推進方式的幾種方案，通過幾種方案進行比較，選取較為優化的方案。

圖1所需要的設備數量較少，設備空間需求較小，從控制策略也相對比較簡單，易于實現，但系統因為核心設備變頻器和電機沒有冗余設計，所以抗故障能力較差，諧波較大。

圖2兩臺電機并聯運行，同時電機寬度方向有較大增加，對機艙布置影響較大，2臺變頻器之間的協調控制測量比較復雜。

圖3兩臺電機串軸，軸系較為復雜，同時電機長度方向有較大增加，對機艙布置影響較大，2臺變頻器之間的協調控制測量比較復雜。

圖4使用6相電機作為船舶主推進電機，優化了系統的組成，推進支路實現備份，動力系統冗余，兩條推進支路形成虛擬24脈，諧波控制較為簡單，控制測量比較復雜。

從表1可以看出，方案4是我們綜合考慮后更為可行的技術方案，66米燈光圍網漁船正是基于以上分析做出的。

2 電力推進系統概況

漁船綜合電力推進系統(見圖5)實現全船的供電、推進及操控功能，根據功能劃分為3個分系統：供電系統、推進系統、操控系統。

供電系統主要為全船提供電源，并提供必要的保護。供電系統的額定電壓為400 V、額定頻率為50 Hz，其組成主要包括：800 kW機組2套、50 kW機組1套、主配電板1套、功率管理系統（PMS）1套[1]。

推進系統為船舶航行提供推進動力，可完成船舶的圍網作業、進出港、航行等工況。推進系統的組成主要包括：2臺推進變壓器、2套12脈水冷型推變頻器、1臺雙繞組推進電動機和1套減速齒輪箱。

操控系統主要實現推進操控功能、電力推進系統監測報警功能，由駕控臺控制組件、推進控制單元、采集箱組成。

3 諧波仿真模型的建立與分析

在燈光圍網漁船電力推進系統中主要考核的是變頻器交流輸入側對電網的諧波影響。首先建立發電機組、整流變壓器、電纜以、變頻器、電動機的諧波分析等值電路模型庫，然后按圖5構造其等值電路模型并得到網側的諧波畸變率(THD)和各次諧波的含量情況。

由理論分析可知，以個相位相差的變壓器分別供電的個三相橋式整流電路可以構成6脈動的整流電路，其網側電流僅含有6±1次諧波，且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[2]。

燈光圍網漁船電力推進系統以Matlab6.5為軟件平臺構建了電力推進系統諧波分析的模型庫。根據本船實際運行中的工況構建系統仿真模型后進行仿真計算并加以分析。

工況的仿真結果，如圖8所示。

航行工況：兩臺800 kW 發電機，兩臺主推電機100%功率（虛擬24 脈動整流），日用負載400 kW。

捕魚作業工況：兩臺800 kW 發電機，兩臺主推電機20%功率（虛擬24 脈動整流），日用負載900 kW。

進出港工況：兩臺800 kW 發電機，兩臺主推電機80%功率（虛擬24 脈動整流），日用負載150 kW。

單機工況：單臺800 kW 發電機，單臺主推100%功率（12 脈動整流），日用負載130 kW。

從仿真結果可以看出，在當前發電機參數下，400 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。

從幾種工況的仿真結果可以看出， 12脈動整流時網側主要含有11、13、23、25次諧波。采用虛擬24脈動整流時，網側電壓23、25次諧波較高。其它各次諧波大小與基波的比值都基本不變，這樣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。

對于前兩種工況的可以看出，在發電機組數量不變的情況下，網側電壓諧波情況與負載功率有關，負載功率較大時，網側電壓波形更接近于正弦波，總諧波電壓畸變率THD則減小。分析可知，由于負載減小后，網側諧波電流幅值變小，使其在電網等效阻抗上產生的各次諧波電壓減小，電壓基波幅值基本不變，電壓諧波畸變率就相應變小[3]。

對于后兩種工況的可以看出，在負載相當時，投入的發電機組數目減少，電網容量減小，電網的電壓畸變會增加。分析可知，負載一定時，負載電流基波保持不變，網側機組數目減少，網側等值電路阻抗增大，電感對電流的諧波抑制作用使電流的畸變變小，電網阻抗產生的電壓降會增大，電壓畸變也會增大。

4 結論

漁船多數采用單舵漿推進，從圖5可以看出，本系統采用兩臺變頻器同時驅動單臺雙繞組電機，機組的電制采用三相四線制，誘魚燈光系統和輔助系統無需采用單獨的輔助發電機組進行供電，而與主推進系統統一供電，實現了主推進、誘魚燈光系統和輔助系統電能的統一調配，使得漁船的裝機功率減少，造價降低。采用多臺機組組成發電系統，當某一臺發電機組故障時，其它發電機組能夠正常供電；采用兩臺變頻器及雙繞組電機，單臺變頻器故障或推進電機的單電樞故障時，仍可以維持單機正常運行，因此，電力推進系統漁船具有故障冗余，運行可靠性高等特點。通過仿真計算結果說明通過改變整流方式，采用多脈動整流可以有效的降低變頻器輸入側的諧波含量[4]。

[1] M. Chow，P. M. Mangun，and S.O.Yee. A nural network approach to real-time condition monitoring of induction motors. IEEE Trans.OIE，1991, (10): 448-453.

[2] 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.

[3] 管小銘. 船舶電力系統及自動化[M]. 大連：大連海事大學出版社, 1999.

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

Harmonic Distortion Analysis of Integrated Electric Propulsion System for Lamp Seining Fishing Boats

Meng Dedong ，Hao Chunxue

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion , Wuhan 430064 , China）

TM921

A

1003-4862（2014）11-0036-04

2014-08-25

孟得東（1982-），男，工程師。研究方向：系統仿真、船舶電力推進系統集成技術。