“雪龍2”號(hào)極地考察船電力系統(tǒng)諧波計(jì)算分析*

黃 嶸 姜國榮 袁東方 魏海峰 張 懿

（1.中國極地研究中心 上海 200136）（2.江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院 鎮(zhèn)江 212003）

1 引言

在電力系統(tǒng)中，非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波對(duì)系統(tǒng)本身造成極大危害，具體表現(xiàn)為以下五個(gè)方面：1）降低電能生產(chǎn)、傳輸?shù)睦寐省?）引起振動(dòng)和噪聲，導(dǎo)致設(shè)備過熱。3）使設(shè)備絕緣老化，壽命縮短。4）引起系統(tǒng)局部并聯(lián)或串聯(lián)諧振，導(dǎo)致電容設(shè)備燒毀。5）引起繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)作，導(dǎo)致電能計(jì)量出現(xiàn)混亂［1］。

“雪龍2”號(hào)極地考察船電力推進(jìn)系統(tǒng)采用ABB公司Azipod?系列設(shè)備組成，是船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中的典型系統(tǒng)。本文以其為研究對(duì)象，通過模擬計(jì)算系統(tǒng)在各種工況條件下所產(chǎn)生的諧波，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行匯總與分析，成功驗(yàn)證了”雪龍2”號(hào)總電壓諧波不超過5%，單次諧波不超過3%，可有效改善諧波畸變，提升電能質(zhì)量。

2 “雪龍2”號(hào)極地考察船

“雪龍2”號(hào)極地考察船是多功能科考破冰船，設(shè)計(jì)船長122.5m，船寬22.3m，船深11.8m，吃水深度7.85m，排水量為13990噸級(jí)，具有國際領(lǐng)先的雙向破冰能力，能夠在混有陳冰和海冰的兩極水域中航行作業(yè)。其艏向和艉向在航行過程中破冰厚度均不低于1.5m，連續(xù)破冰速度可達(dá)2節(jié)～3節(jié)。船上裝有先進(jìn)的考察裝備和全球定位系統(tǒng)，具備兩萬海里續(xù)航力，持續(xù)作業(yè)可以繞地球航行一圈。

3 ABB Azipod?電力推進(jìn)系統(tǒng)

ABB提供的Azipod?是一種無齒輪型電力推進(jìn)系統(tǒng)，能全面提升“雪龍2”號(hào)極地考察船操作的靈活性、節(jié)能性和運(yùn)營效率。“雪龍2”號(hào)配有兩套獨(dú)立的24脈沖型電力推進(jìn)系統(tǒng)。每套系統(tǒng)由兩臺(tái)6600V中壓推進(jìn)變壓器、1臺(tái)勵(lì)磁變壓器、1套推進(jìn)輔助配電板400V、1套ABB ACS6000中壓推進(jìn)變頻器、1臺(tái)7.5MW主推進(jìn)吊艙電機(jī)和1套制動(dòng)電阻組成。

4 模擬諧波計(jì)算

SIMSEN模擬工具是專門用來分析電力系統(tǒng)和變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的模擬計(jì)算軟件。將相應(yīng)的元件拖入模擬界面中，通過連接線連接各個(gè)元件，設(shè)定元件中的參數(shù)值，從而完成對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的仿真模型搭建［2］。本文研究基于SIMSEN模擬工具建立“雪龍2”號(hào)電力系統(tǒng)仿真模型，通過對(duì)不同參數(shù)的設(shè)置，計(jì)算出各系統(tǒng)中的諧波。

基于電壓源連接超瞬態(tài)阻抗發(fā)電機(jī)模型如圖2所示。模型采用d軸和q軸的平均阻抗值。7500kVA發(fā)電機(jī)組設(shè)定額定電壓為6600V，額定頻率為50Hz，直軸超瞬態(tài)阻抗x''d為17.7%，q軸超瞬態(tài)阻抗x''q為20.1%；5000kVA發(fā)電機(jī)組設(shè)定額定電壓為6600V，額定頻率為50Hz，直軸超瞬態(tài)阻抗x''d為20.3%，q軸超瞬態(tài)阻抗x''q為22.6%［3～5］。

圖2 發(fā)電機(jī)模型圖

變壓器可分為三繞組變壓器、兩繞組變壓器和ACS6000變壓器。三繞組變壓器等效電路如圖3所示，其中，3000kVA變壓器的額定初級(jí)電壓和額定次級(jí)電壓分別為6600V和400V，額定頻率為50Hz，空載勵(lì)磁電流為0.004倍的基準(zhǔn)值，短路阻抗1-2為0.009倍的基準(zhǔn)值，短路感抗1-2為0.0598倍的基準(zhǔn)值［6～8］。兩繞組變壓器等效電路如圖4所示，其中，4350kVA的主推進(jìn)變壓器的額定初級(jí)電壓、第二組空載電壓和第三組空載電壓分別為6600V、1680V和1680V，額定頻率為50Hz，空載勵(lì)磁電流為0.0045倍的基準(zhǔn)值，短路阻抗1-2、1-3、2-3分別為0.008倍、0.008倍、0.009倍的基準(zhǔn)值，短路感抗1-2、1-3、2-3分別為0.07倍、0.07倍、0.1倍的基準(zhǔn)值，移相角可達(dá)+7.5°或-7.5°。本文對(duì)系統(tǒng)模型作了進(jìn)一步簡(jiǎn)化，雖與實(shí)際系統(tǒng)有所區(qū)別，但完全滿足移相角條件，且不會(huì)影響電力系統(tǒng)諧波計(jì)算的結(jié)果［9～11］。

圖3 三繞組變壓器等效電路

圖4 兩繞組變壓器等效電路

ACS6000變壓器等效電路模型如圖5所示。其主要電解電容參數(shù)C1、C2、C3、C4分別為10uF、10uF、9.6mF、9.6mF，電阻參數(shù)R1、R2、R3分別為2.50hm、2.50hm、10K 0hm，電感參數(shù)L1、L2分別為0.005mH、0.005Mh［12］。

圖5 ACS6000變壓器等效電路模型

艏側(cè)三相鼠籠式推電機(jī)等效模型如圖6所示。1411kVA的推進(jìn)電機(jī)工作的額定電壓為6600V，額定頻率為50Hz，極對(duì)數(shù)為3，定子按Y型接法，電樞繞組阻抗和漏抗分別為0.0144倍和0.0195倍的基準(zhǔn)值，轉(zhuǎn)子阻抗和漏抗分別為0.012倍和0.12倍的基準(zhǔn)值，磁阻為2.79倍的基準(zhǔn)值［13］。

圖6 艏側(cè)三相鼠籠式推電機(jī)等效模型

1486kVA的低壓電機(jī)工作的額定電壓為400V，額定頻率為50Hz，極對(duì)數(shù)為2，定子按Y型接法，電樞繞組阻抗和漏抗分別為0.00375倍和0.0929倍的基準(zhǔn)值，轉(zhuǎn)子阻抗和漏抗分別為0.00417倍和0.085倍的基準(zhǔn)值，磁阻為4.17倍的基準(zhǔn)值。

5 模擬計(jì)算結(jié)果

航行工況下，兩臺(tái)7500kVA發(fā)電機(jī)和一臺(tái)5000kVA發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，兩臺(tái)7500kW推進(jìn)器滿功率運(yùn)行，1臺(tái)左舷主配電變壓器工作，400V低壓配電板滿負(fù)載，1200kW電機(jī)滿負(fù)載。此時(shí)，6600V配電板產(chǎn)生的總諧波畸變?yōu)?.220%，單次諧波畸變?yōu)?.130%。400V配電板產(chǎn)生的總諧波畸變?yōu)?.208%，單次諧波畸變?yōu)?.123%［14］。航行工況模擬計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖7 航行工況模擬計(jì)算結(jié)果

破冰工況下，4臺(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，兩臺(tái)7500kW推進(jìn)器滿功率運(yùn)行，兩臺(tái)1200kW艏側(cè)推滿功率，1臺(tái)左舷主配電變壓器工作，400V低壓配電板滿負(fù)載，1200kW電機(jī)滿負(fù)載。此時(shí)，6600V配電板產(chǎn)生的總諧波畸變?yōu)?.670%，單次諧波畸變?yōu)?.757%［15］。400V配電板產(chǎn)生的總諧波畸變?yōu)?.662%，單次諧波畸變?yōu)?.752%。

DP工況下，6600V高壓母排斷開，每邊各兩臺(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，兩臺(tái)主推進(jìn)器滿功率運(yùn)行，兩臺(tái)艏側(cè)推滿功率運(yùn)行，兩臺(tái)主配電變壓器運(yùn)行，400V低壓配電板滿負(fù)載，兩邊各1200kW電機(jī)滿負(fù)載。此時(shí)，6600V配電板產(chǎn)生的總諧波畸變?yōu)?.610%，單次諧波畸變?yōu)?.716%。400V配電板產(chǎn)生的總諧波畸變?yōu)?.602%，單次諧波畸變?yōu)?.711%。

進(jìn)出港工況下，4臺(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，兩臺(tái)推進(jìn)器滿功率運(yùn)行，1臺(tái)左舷主配電板變壓器工作，兩臺(tái)艏側(cè)推滿功率運(yùn)行，400V低壓配電板滿負(fù)載，1200kW電機(jī)滿負(fù)載。此時(shí)，6600V配電板產(chǎn)生的總諧波畸變?yōu)?.670%，單次諧波畸變?yōu)?.757%。400V配電板產(chǎn)生的總諧波畸變?yōu)?.662%，單次諧波畸變?yōu)?.752%。

科考工況下，兩臺(tái)5000kVA發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，兩臺(tái)推進(jìn)器2500kW功率運(yùn)行，兩臺(tái)主配電變壓器工作，400V低壓配電板滿負(fù)載，兩邊各1200kW電機(jī)滿負(fù)載。此時(shí)，6600V配電板產(chǎn)生的總諧波畸變?yōu)?.407%，單次諧波畸變?yōu)?.351%。400V配電板產(chǎn)生的總諧波畸變?yōu)?.397%，單次諧波畸變?yōu)?.344%。

停泊工況下，諧波畸變不做考慮。

6 結(jié)語

本文以”雪龍2”號(hào)極地科考船的電力推進(jìn)系統(tǒng)作為研究對(duì)象，利用SIMSEN模擬工具搭建系統(tǒng)模型，通過改變各元件中的參數(shù)，模擬不同工況，經(jīng)多種工況分析計(jì)算得出：6600V主配電板的總電壓諧波為2.6%～3.4%；400V配電板總電壓諧波為2.6%～3.4%；最高單次諧波為23次諧波，6600V主配電板最高單次諧波為1.7%～2.4%，400V配電板最高單次諧波為1.7%～2.3%。可有效證明在”雪龍2”號(hào)極地科考船電力系統(tǒng)中總諧波不超過5%，單次諧波不超過3%。