船舶交直交变频器的特征谐波和间谐波参数计算

史振宇，王建勋，杨文铁，徐 林

应用研究

船舶交直交变频器的特征谐波和间谐波参数计算

史振宇1，王建勋2，杨文铁2，徐 林2

（1.海装武汉局驻武汉地区第三军事代表室，武汉 430000；2. 武汉第二船舶设计研究所，武汉 430064）

基于调制理论建立了交直交变频器的开关函数模型，针对采用不可控整流和逆变器PWM控制的交直交变频器模型提出了电网输入端的谐波和间谐波参数计算方法。针对典型算例对电网输入端主要次谐波和间谐波的幅值和频率参数进行了计算，并通过时域仿真验证了计算方法的有效性。

交直交变频器 调制理论 开关函数 谐波 间谐波

0 引言

交直交变频器在船舶交流传动装置中得到了广泛应用，成为了船舶电力系统主要的谐波和间谐波源之一。对典型的交直交变频装置进行建模分析，摸清船舶电力系统的谐波和间谐波分布情况，可有效改善船舶电力系统的运行状况。在电力电子设备的各种分析方法中，基于开关函数定义的调制理论具有概念清晰和计算量小等优点，已经被广泛用于各种类型电力电子设备的电气特征参数计算[1-8]。文献[1-2]是对交直交变换器所产生谐波和间谐波的特征频率进行了讨论，文献[3-4]分析了基于交直交变频电路结构的HVDC高压直流输电系统谐波和间谐波的计算方法，文献[5-7]讨论了在供电电压理想和三相不平衡等情况下，采用PWM控制方式时交直交变频器产生的谐波和间谐波整体特性如何计算。为评估交直交变频器对船舶电力系统的影响，本文将在以上研究的基础上，对电网输入端主要次谐波和间谐波的幅值和频率参数进行分析，提出适用于电网输入端主要次谐波和间谐波的幅值和频率参数计算的方法，以为船舶电力系统电能质量评估提供基础。

1 基于调制理论的船舶交直交变频器拓扑电路建模

船舶交直交变频器拓扑电路结构如图1所示。一般整流器采用不可控整流方式，直流侧配备大容量电容起稳压滤波作用，逆变器采用PWM控制方式。在电网输入端，谐波来自于对直流侧直流分量的调制，间谐波来自于对直流侧非特征谐波(相对于整流侧)的调制。

图1 船舶交直交变频器拓扑电路

考虑电力电子设备的工作具有离散采样和调制的开关特性，基于调制理论可以用开关函数表示交直交变频器中电力电子器件的开关状态，以进一步分析交直交变频器的谐波和间谐波特性。

对于图1所示电路左侧的整流器部分，根据调制理论[8]，直流侧电压可和交流侧电压的关系以及交流侧电流和直流侧电流的关系，通过开关函数可表示为

同理，针对电路右侧的逆变器部分，满足：

考虑可能存在的“换相”情况，可推导得到开关函数。

对于不可控整流部分，其开关函数为

对于采用PWM控制方式的逆变电路部分，其开关函数为

2 交直交变频器的特征谐波和间谐波参数分析步骤

在计算交直交变频器的特征谐波和间谐波参数时，需首先计算换相角，换相角可下式进行计算

基于上述分析，总结可得计算电网输入端即整流器交流侧谐波和间谐波参数的步骤：

1）估计换相角，并根据逆变器开关函数和逆变器交流侧负载参数计算逆变器在直流侧的等效直流阻抗；

2）根据整流器的电压开关函数计算直流侧的电压；

3）根据逆变器的电压开关函数计算逆变器交流侧的相电压，并计算逆变器交流负载的相电流；

4）根据逆变器的电流开关函数计算逆变器直流侧的电流，然后计算整流器直流侧的电流；

5）根据整流器的电流开关函数计算整流器交流侧的电流；

6）利用FFT计算整流器交流侧各次谐波或间谐波的幅值和频率等参数。

3 仿真算例

为了验证本文所提电网输入端主要次谐波和间谐波的幅值和频率参数计算方法的正确性，在Matlab/Simulink环境下构建了船舶交直交变频器仿真模型。仿真参数设置为：系统电压为100 V，系统基频为50 Hz，等效系统电抗为0.1 mH。逆变器的载波频率为1080 Hz，驱动频率为60 Hz，调制比为0.8。逆变器交流侧为阻感负载，电阻为10 Ω，电抗为10 mH。仿真得到电网输入端的主要次谐波间谐波结果如表1所示。

表1 电网输入端主要次谐波和间谐波仿真结果

4 结论

本文利用调制理论和开关函数建立了交直交变频器模型，针对采用不可控整流和逆变器PWM控制的交直交变频器模型提出了电网输入端的谐波和间谐波参数计算方法。仿真实例证实了本文所提方法计算得到的电网输入端的谐波和间谐波频率分布特征是正确的，且能对幅值较大的主要次谐波和间谐波参数进行计算。

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Calculation of characteristic harmonic and interharmonic parameters on ship AC/DC/AC frequency converter

Shi Zhenyu, Wang Jianxun, Yang Wentie, Xu Lin

（1. Navy Equipment Department; 2. Wuhan Second Ship Design & Research Institute, Wuhan 430064, China）

TM711

A

1003-4862（2022）07-0043-3

2022-03-03

史振宇（1986-），男，工程师。研究方向为船舶电气工程。E-mail: 784860777@qq.com