電力推進船舶電網(wǎng)多脈沖變壓整流器仿真研究

秦俊峰，白洪芬，彭亞東，邱 峰

(1. 欽州學院 海運學院，廣西 欽州 535000；2. 大連海事大學 輪機工程學院，遼寧 大連 116026；3. 四川交通職業(yè)技術(shù)學院，四川 成都 611130)

電力推進船舶電網(wǎng)多脈沖變壓整流器仿真研究

秦俊峰1，白洪芬2，彭亞東1，邱 峰3

(1. 欽州學院 海運學院，廣西 欽州 535000；2. 大連海事大學 輪機工程學院，遼寧 大連 116026；3. 四川交通職業(yè)技術(shù)學院，四川 成都 611130)

船舶電網(wǎng)系統(tǒng)對電流質(zhì)量有較高的要求，而多脈沖變壓整流技術(shù)可有效降低輸入電流中的諧波含量。在詳細分析12、18、24三種多脈沖變壓整流器工作原理的基礎(chǔ)上，在 Matlab/Simulink 中分別搭建多脈沖變壓整流電路的仿真模型，并對 3 種多脈沖變壓整流電路的仿真波形進行對比分析。仿真波形說明，多脈沖變壓整流技術(shù)可以有效地降低輸入側(cè)的電流諧波含量，很好地抑制特定次數(shù)的諧波，進而提高船舶電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

電力推進船舶電網(wǎng)；多脈沖變壓整流器；移相變壓器；諧波分析

0 引 言

同其他推進方式相比，電力推進船舶具有燃油消耗低、船舶操縱性好和節(jié)約船舶空間等優(yōu)點，因此逐漸成為未來船舶的主要發(fā)展方向之一[1]。船舶電力推進系統(tǒng)一般需要大功率直流電源，而多脈沖整流技術(shù)廣泛應用于大功率直流電源中[2]。

傳統(tǒng)三相整流器的輸入電流中含有很多諧波，對船舶電網(wǎng)系統(tǒng)帶來較大的影響[3]。因此可采用多相變壓整流電路，這樣能有效消除電力系統(tǒng)中較高次數(shù)的諧波，從而減小諧波干擾[4]。

1 多脈沖變壓整流

多脈沖移相疊加整流技術(shù)是按某種規(guī)律將 2 個或多個同種結(jié)構(gòu)的整流電路組合、移相和多重聯(lián)結(jié)，利用各整流負載的諧波電流相位差及其疊加合成而自身削弱或消除的原理進行多相整流的方式[5]。根據(jù)多脈沖變流器的工作原理，對于 p 脈沖橋式變流器，將輸入電流 ia正負半波之間的中點設(shè)為時間零點，對 ia進行傅里葉分解可得[6]：

1.1 十二脈沖變壓整流電路

對于12脈沖整流電路，則將p= 12 代入式（1）中，可得：

由式（2）可知，12脈沖整流電路的網(wǎng)側(cè)電流從理論上來說應該只含有 12k± 1 次諧波。為了驗證該結(jié)論，根據(jù)圖 1 所示的原理圖在 Matlab/simulink 中搭建仿真模型，線電壓分別設(shè)為 380 V，190 V，190 V，變壓器容量為 250 kVA，頻率 50 Hz。仿真時間設(shè)為 0.4 s，仿真結(jié)果如圖 2 所示。

由圖 2（a）可知，交流側(cè)電流基本為正弦波；由圖 2（b）可知，交流側(cè)電流諧波中，除了基波外，11次和13 次諧波比較明顯，說明了式（2）的正確性；由圖 2（c）可知，Ud= 511.9 V，Ud滿足與U2的關(guān)系：Ud= 1.34～1.45U2，即Ud在 509.5～551 V 范圍內(nèi)變化；由圖 2（d）可知id= 50 A，滿足關(guān)系式Id=Ud/R。由圖 2（e）可知，交流側(cè)電流的總諧波畸變率為 11.88%，諧波失真較小。

同6脈沖整流相比，在相同負載下12脈沖整流的諧波畸形率大大降低，交流側(cè)的電流波形較平滑，接近正弦波，直流側(cè)電流和電壓波形也更加平滑。由于在電路中采用了移相變壓器，交流側(cè)電流中的 5次、7次、17次和19 次諧波相互抵消，只剩下 11次、13次諧波[7]，即12脈沖整流電路可以很好地抑制某些特定次數(shù)的諧波。

1.2 18脈沖整流

18脈沖整流電路的原理如圖 3 所示。T1、T2和T3為串聯(lián)的三組整流橋；T為整流變壓器，二次側(cè)繞組分別采用Z形、Y形和Z形聯(lián)結(jié)，構(gòu)成相差 20° 的三組電壓，這樣連接可以保證這三組交流電源的線電壓相等[8]。

對于18脈沖整流電路，則將p= 18 代入式（1）中，可得：

由式（3）可知，從理論上來說，十八脈沖整流電路的網(wǎng)側(cè)電流中只含有 18k± 1 次諧波，相比 12 脈沖，諧波含量降低。為了驗證該結(jié)論，根據(jù)圖 3 原理在 Matlab/simulink 中搭建18脈沖整流電路模型。其中，一次繞組采用星形連接，次級線圈分別采用Z形連接、Y形連接及Z形連接[9]。線電壓分別設(shè)為 380 V，127 V，127 V，127 V。2 個 Z 形連接變壓器分別設(shè)定超前 20° 及滯后 20°。仿真時間設(shè)為 0.4 s，則仿真結(jié)果如圖 4 所示。

圖 4（a）、圖 4（c）和圖 4（d）的分析同圖 2。由圖 4（b）可知，交流側(cè)電流諧波中，17次和19 次諧波比較明顯，驗證了式（3）的正確性；由圖 4（e）可知，交流側(cè)電流的總諧波畸變率為 6.91%，較6脈沖及12脈沖整流電路而言，18脈沖整流電路的諧波失真更小。

同樣地，與6脈沖及12脈沖相比，在相同負載情況下18脈沖的諧波畸變率大大降低，交流側(cè)的電流波形很平滑，更加接近正弦波，直流側(cè)電流和電壓波形也更加平滑。由于采用了移相變壓器，交流側(cè)電流中的 5次、7次、11次 及 13 次諧波相互抵消，且 17次和 19 次諧波成份很小，對系統(tǒng)的運行性能影響較小，所以十八脈沖整流電路可以很好地抑制更多特定次數(shù)的諧波。

1.3 24四脈沖整流

24脈沖整流電路原理如圖 5 所示。T1，T2，T3和T4為串聯(lián)的四組整流橋；T為四組整流變壓器，二次側(cè)繞組分別采用Z形、Y形、Z形和 ? 形聯(lián)結(jié)，構(gòu)成相位差為 15° 的四組電壓，可產(chǎn)生 24 脈沖。四組交流電源的線電壓相等[11]。

對于24脈沖整流電路，則將p= 24 代入式（1）中，可得：

由式（4）可知，24脈沖整流電路的網(wǎng)側(cè)電流中只含有 24k± 1 次諧波，諧波含量進一步降低了。為了驗證該結(jié)論，根據(jù)圖 5 在 Matlab/Simulink 中搭建24脈沖整流電路模型。其中，一次繞組采用星形連接，次級線圈分別采用Z形連接、Y形連接、Z形連接及 ? 形連接。線電壓分別設(shè)為 380 V，95 V，95 V，95 V，95 V，2 個 Z 形連接變壓器分別設(shè)定超前 15° 及滯后15°，由于連接不同，三角形連接與星形連接相差30°。仿真時間設(shè)為 0.4 s，則仿真結(jié)果如圖 6 所示。

同理，圖 6（a）、圖 6（c）和圖 6（d）的分析同圖 2。由圖 6（d）可知，交流側(cè)電流的總諧波畸變率為 4.8%，諧波失真已經(jīng)很小。同6脈沖、12脈沖以及18脈沖相比，在相同負載下，24脈沖整流器的諧波畸變率大大降低，交流側(cè)的電流波形幾乎已經(jīng)是正弦波，直流側(cè)電流和電壓波形更加平滑且沒有紋波。同樣地，由于采用了移相變壓器，5次、7次、11次、13次及 19 次諧波相互抵消，所剩下的高次諧波成份很小，對系統(tǒng)的運行性能影響不大，所以24脈沖整流電路也可以很好地抑制某些特定次數(shù)的諧波[12]。

比較圖 2、圖 4 和圖 6 可得，24脈沖整流電路較六脈沖、12脈沖及18脈沖的諧波失真更小。

綜上，船舶電力推進系統(tǒng)采用多脈沖變壓整流器，可以有效減小諧波的影響，提高船舶電網(wǎng)的穩(wěn)定性，且滿足中國船級社的要求[13]。

2 結(jié) 語

多脈沖整流技術(shù)廣泛應用于船舶電力推進系統(tǒng)的大功率直流電源中，可有效減小電網(wǎng)系統(tǒng)諧波。本文在分析多脈沖變壓整流器原理的基礎(chǔ)上，通過在 Matlab/simulink 中搭建仿真模型來進一步分析網(wǎng)側(cè)電流諧波。通過仿真結(jié)果可看出，多脈沖變壓整流器輸出電壓穩(wěn)定，特別是24脈沖整流，能夠消除網(wǎng)側(cè)電流中的5次、7次、11次、13次及 19 次諧波，大大提高了波形質(zhì)量和正弦度，且能保證此時的電網(wǎng)質(zhì)量可以滿足船級社的規(guī)定。總之，12相、18相及24相多脈沖變壓整流電路都可以在一定程度上抑制特定次數(shù)的諧波，可根據(jù)船舶參數(shù)、需求及用途等應不同的到對功率因數(shù)要求較高的電力推進船舶系統(tǒng)中。

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Research on simulation model of multi-pulse transformation rectifier applied in ship electric propulsion power network

QIN Jun-feng1, BAI Hong-fen2, PENG Ya-dong1, QIU Feng3
(1. Maritime College, Qinzhou University, Qinzhou 535000, China; 2. Marine Engineering College, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China; 3. Sichuan Vocational and Technical College of Communications, Chengdu 611130, China)

The ship electric propulsion power network has higher requirement for current quality and multi-pulse rectifier can reduce the total harmonics distortion (THD) of the input currents. On the base of analyzing the principle of multipulse transformation rectifier in detail, three simulation models of multi-pulse transformation rectifiers are built in matlab/simulink. And the differences of 12-pulse, 18-pulse, 24-pulse transformation rectifiers and the performance of reducing the harmonics distortion of the input currents are compared from the simulation waveforms.

ship electric propulsion power network；multi-pulse transformation rectifier；phase-shifting transformer；total harmonics distortion (THD)

U665.11；TM 921

A

1672 – 7649(2017)07 – 0085 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.02.017

2016 – 07 – 19；

2016 – 08 – 09

廣西中青年教師基礎(chǔ)能力提升資助項目（KY2016LX419）；國家級大學生創(chuàng)新資助項目（201611607011）；自治區(qū)級大學生創(chuàng)新資助項目（201611607045）；教育部本科專業(yè)綜合改革試點資助項目（ZG0434）

秦俊峰(1983 – )，男，講師，大管輪，從事船舶電力推進系統(tǒng)研究。。