渔船电力推进系统概述与谐波分析

孟得东，郝春学



渔船电力推进系统概述与谐波分析

孟得东，郝春学

(武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064)

随着变频调速技术的迅速发展，为远洋渔业船舶采用电力推进带来了新的契机。渔船采用电力推进系统具有故障冗余，运行可靠性高等特点，实现了船体布置结构灵活、全船电力系统统一分配，为渔船动力装置变革起到了指导意义。对灯光围网渔船谐波进行仿真计算，最后仿真结果符合理论分析且均满足船舶电网谐波要求。

谐波 电力推进 仿真计算

0 引言

近年来，灯光围网渔船和球刀渔船等新型渔船对电站需求的增加，电站共用为渔船采用电力推进方式提供了自然优势。伴随海洋资源的缩减，对船舶的噪音和振动性能、高可靠性及环保节能船舶的要求也增加,渔船领域发展电力推进从效益角度和长远利益来看，势在必行。作为电力推进系统渔船的核心设备变频器和诱鱼灯，就是供电电网的主要谐波源之一。为了减小谐波对电网的影响，我们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 电力推进系统方案的比较

以下为渔船采用电力推进方式的几种方案，通过几种方案进行比较，选取较为优化的方案。

图1所需要的设备数量较少，设备空间需求较小，从控制策略也相对比较简单，易于实现，但系统因为核心设备变频器和电机没有冗余设计，所以抗故障能力较差，谐波较大。

图2两台电机并联运行，同时电机宽度方向有较大增加，对机舱布置影响较大，2台变频器之间的协调控制测量比较复杂。

图3两台电机串轴，轴系较为复杂，同时电机长度方向有较大增加，对机舱布置影响较大，2台变频器之间的协调控制测量比较复杂。

图4使用6相电机作为船舶主推进电机，优化了系统的组成，推进支路实现备份，动力系统冗余，两条推进支路形成虚拟24脉，谐波控制较为简单，控制测量比较复杂。

从表1可以看出，方案4是我们综合考虑后更为可行的技术方案，66米灯光围网渔船正是基于以上分析做出的。

2 电力推进系统概况

渔船综合电力推进系统(见图5)实现全船的供电、推进及操控功能，根据功能划分为3个分系统：供电系统、推进系统、操控系统。

供电系统主要为全船提供电源，并提供必要的保护。供电系统的额定电压为400 V、额定频率为50 Hz，其组成主要包括：800 kW机组2套、50 kW机组1套、主配电板1套、功率管理系统（PMS）1套[1]。

推进系统为船舶航行提供推进动力，可完成船舶的围网作业、进出港、航行等工况。推进系统的组成主要包括：2台推进变压器、2套12脉水冷型推变频器、1台双绕组推进电动机和1套减速齿轮箱。

操控系统主要实现推进操控功能、电力推进系统监测报警功能，由驾控台控制组件、推进控制单元、采集箱组成。

3 谐波仿真模型的建立与分析

在灯光围网渔船电力推进系统中主要考核的是变频器交流输入侧对电网的谐波影响。首先建立发电机组、整流变压器、电缆以、变频器、电动机的谐波分析等值电路模型库，然后按图5构造其等值电路模型并得到网侧的谐波畸变率(THD)和各次谐波的含量情况。

由理论分析可知，以个相位相差的变压器分别供电的个三相桥式整流电路可以构成6脉动的整流电路，其网侧电流仅含有6±1次谐波，且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[2]。

灯光围网渔船电力推进系统以Matlab6.5为软件平台构建了电力推进系统谐波分析的模型库。根据本船实际运行中的工况构建系统仿真模型后进行仿真计算并加以分析。

工况的仿真结果，如图8所示。

航行工况：两台800 kW 发电机，两台主推电机100%功率（虚拟24 脉动整流），日用负载400 kW。

捕鱼作业工况：两台800 kW 发电机，两台主推电机20%功率（虚拟24 脉动整流），日用负载900 kW。

进出港工况：两台800 kW 发电机，两台主推电机80%功率（虚拟24 脉动整流），日用负载150 kW。

单机工况：单台800 kW 发电机，单台主推100%功率（12 脉动整流），日用负载130 kW。

从仿真结果可以看出，在当前发电机参数下，400 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。

从几种工况的仿真结果可以看出， 12脉动整流时网侧主要含有11、13、23、25次谐波。采用虚拟24脉动整流时，网侧电压23、25次谐波较高。其它各次谐波大小与基波的比值都基本不变，这样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。

对于前两种工况的可以看出，在发电机组数量不变的情况下，网侧电压谐波情况与负载功率有关，负载功率较大时，网侧电压波形更接近于正弦波，总谐波电压畸变率THD则减小。分析可知，由于负载减小后，网侧谐波电流幅值变小，使其在电网等效阻抗上产生的各次谐波电压减小，电压基波幅值基本不变，电压谐波畸变率就相应变小[3]。

对于后两种工况的可以看出，在负载相当时，投入的发电机组数目减少，电网容量减小，电网的电压畸变会增加。分析可知，负载一定时，负载电流基波保持不变，网侧机组数目减少，网侧等值电路阻抗增大，电感对电流的谐波抑制作用使电流的畸变变小，电网阻抗产生的电压降会增大，电压畸变也会增大。

4 结论

渔船多数采用单舵浆推进，从图5可以看出，本系统采用两台变频器同时驱动单台双绕组电机，机组的电制采用三相四线制，诱鱼灯光系统和辅助系统无需采用单独的辅助发电机组进行供电，而与主推进系统统一供电，实现了主推进、诱鱼灯光系统和辅助系统电能的统一调配，使得渔船的装机功率减少，造价降低。采用多台机组组成发电系统，当某一台发电机组故障时，其它发电机组能够正常供电；采用两台变频器及双绕组电机，单台变频器故障或推进电机的单电枢故障时，仍可以维持单机正常运行，因此，电力推进系统渔船具有故障冗余，运行可靠性高等特点。通过仿真计算结果说明通过改变整流方式，采用多脉动整流可以有效的降低变频器输入侧的谐波含量[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. 谐波抑制与无功功率补偿. 北京：机械工业出版社, 1998.

[3] 管小铭. 船舶电力系统及自动化[M]. 大连：大连海事大学出版社, 1999.

[4] 林海雪，孙树勤. 电力网中的谐波. 北京：中国电力出版社，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

孟得东（1982-），男，工程师。研究方向：系统仿真、船舶电力推进系统集成技术。