综合电力推进系统谐波分析的仿真计算

孟得东，王力

(武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064)

0 引言

随着变频调速技术的迅速发展，变频器、推进电机等电力设备也在船舶行业被广泛使用。作为舰船综合电力推进系统核心设备的变频器，就是供电电网的主要谐波源之一[1]。它在输入回路会产生大量高次谐波，使输入电流波形发生严重畸变，严重污染电网的供电质量。为了减小谐波对电网的影响，有必要对变频器输入端谐波进行分析和计算，以满足船舶电网的供电要求和保证其它船电设备的可靠运行。

1 变频器输入端谐波分析

电压型变频器产生的谐波主要是由其整流部分和中间的滤波电容造成的。把逆变部分及负载等效为电阻时，电阻不会向系统反馈谐波。稳定运行时，电容进行的是稳定的充放电过程，如果电容足够大，充放电对交流侧产生的谐波就只与整流输出波形的纹波大小成正比关系。如果考虑电容，从理论上分析变频器入端谐波过程将会非常复杂。为了简化理论分析，假设直流侧滤波电容为无穷大，也就是说不考虑电容的影响，只考虑整流器产生的谐波，也可以得到输入端谐波的特性和趋势。

图1为三相不控整流器电路，由于三相整流桥整流输出为每个周期6脉动的直流波形，所以三相整流也叫做6脉动整流[2]。直流输出的每个纹波各占1/6个周期，即相邻两个纹波相角相差π/3。所以6脉整流在交流侧的电流含有6k±1（k为正整数）次谐波。如果将一个三绕组变压器（比如Dd0y11型）的两个输出端分别作为三相整流桥的输入端，整流桥的输出端进行串并联，则输出的直流波形变成具有12脉波的波形，每个纹波占1/12个周期，相邻两个纹波相角相差π/6。这种整流方式就叫做12脉动整流，它只含有12k±1（k为正整数）次谐波。同理，如果将两台原边相角相差π/12的三绕组变压器并联运行，可以组成24脉动整流电路，这时其电网侧将只含有24±1次谐波，其谐波含量比12脉动整流电路会有更大的改善。

由此可以看出，作为一般规律，以m个相位相差π/3m的变压器分别供电的m个三相桥式整流电路可以构成6m脉动的整流电路，其网侧电流仅含有6mk±1次谐波，其有效值与谐波次数成反比，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。随着整流脉动数的提高，谐波含量会越来越小[3]。以上只是从理论上分析了多相整流对谐波的影响，实际情况中，变频器对电网的谐波还会受到其他很多方面的影响，比如滤波电容、负载特性、变压器阻抗、线路阻抗等，谐波情况也要复杂一些。这些情况都将在下面的仿真分析中加以考虑。

图1 变频器带电机负载时的等值电路

2 电力推进系统谐波仿真模型分析

进行综合电力推进系统谐波仿真研究的关键就是正确建立系统的仿真模型[4]。变频器网侧的谐波主要影响的对象是整个船舶电网，变频器输出端的谐波影响的主要是推进电机。在2000方绞吸式挖泥船综合电力推进系统中主要考核的是谐波对电网电压的影响。本文主要考虑变频器交流输入侧对电网的谐波影响。

实际计算中，为使分析结果更接近于实际情况，首先建立变压器、输电线路和变频器－电动机的谐波分析等值电路模型库，然后利用Matlab按照图2构造其等值电路模型，进行分析与计算，得到推进变压器原边电压的总谐波畸变率(THD)和各次谐波的大小及其在总电压中的含量。

图2 系统单线图

图3 系统仿真模型

图4 各工况仿真结果

3 仿真计算及结果分析

通过以上分析，本文以Matlab6.5为仿真软件平台，构建了一个用于电力推进系统中变频器输入侧谐波分析的用户模型库。根据本船实际运行中的工况，分别构建系统仿真模型后进行仿真计算，并对仿真结果加以分析。工况的仿真结果，如图4所示：

航行工况：两台2200 kW 发电机，两台主推电机100%功率（虚拟24 脉动整流），日用负载473 kW。

疏浚作业工况：两台2200 kW 发电机，两台挖泥电机100%功率（虚拟24 脉动整流），液压泵站电机504 kW,日用负载601 kW。

进出港工况：两台2200 kW 发电机，两台主推电机80%功率（虚拟24 脉动整流）， 日用负载490 kW；

单机工况：单台2200 kW 发电机，单台主推100%功率（12 脉动整流），日用负载217 kW。

母联断开工况：母联两侧均为单台2200 kW发电机，其中一侧单台主推100%功率（12 脉动整流），日用负载217 kW；另一侧只有单台主推100%功率（12 脉动整流）。

从仿真结果可以看出，单机工况电网谐波含量较大，为4.98%，已接近5%，但此工况使用较少，且不会影响日用电网，同时也满足CCS规范对电网谐波不大于5%的要求。

在当前发电机参数下，690 V、390 V电网电压谐波含量能够满足系统及船级社规范的小于5%的要求。

对比前四种工况，可以看出12脉动整流和虚拟24脉动整流时的谐波次数的差别，12脉动整流时电网的电压主要含有11、13、23、25次谐波，而12脉动整流时，11、13次谐波已基本消除，电压只含有23、25次谐波。而各次谐波大小与基波的比值都基本不变，系统的电压谐波总畸变率大大减小，这个结论也证明了前面的理论分析。

对比第一种工况的690 V和390 V不同电制，可以得出，距离电源侧越近的电网，电压谐波含量越大，这是由于电网等值电感的谐波抑制作用随谐波电流的降低而增大的缘故。

对比第一和第二种工况可以得出，在电网参数不变的情况下，电网电压谐波情况与负载功率有关（在谐波分析等值电路中表现为等值电阻值R，R随变频器输出功率增大而减小），负载功率较大时（额定运行），电网电流的各次谐波较负载功率较小时大大增加，电网的电压波形随基波电流的降低而更接近于正弦波，总谐波电压畸变率THD则降低了。这是因为负载减小后，电网侧各次谐波电流幅值均减小，使得由其在电网等效阻抗上产生的各次谐波电压幅值减小，而电压基波幅值基本不变，这样电压谐波畸变率就随之减小。

对比第三、四种工况，在负载相差不多时，投入的发电机数目减少，也就是说电网容量减小，电网的电压畸变会增加。这是因为负载一定时，负载电流基波保持不变，而并联的发电机数目减少，使得电网等值电路的阻抗增大，电感对电流的谐波抑制作用也随之增大，使得电流的畸变减小，而电流谐波减小的倍数比电网的等值阻抗增加的倍数要小，电网阻抗产生的电压降会增大，由此带来的电压畸变也会增大。

4 结论

通过仿真计算结果说明通过改变整流方式，采用多脉动整流，同时，选择合适的负载/电网容量比例，可有效的降低变频器输入侧的谐波含量。

[1] 王兆安等. 谐波抑制与无功功率补偿. 北京: 机械工业出版社, 1998.9.

[2] 林海雪, 孙树勤. 电力网中的谐波. 北京: 中国电力出版社,1998.

[3] George J.Wakileh著.徐政译. 电力系统谐波——基本原理、分析方法和滤波器设计. 北京: 机械工业出版社, 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.