小型船舶电力推进系统谐波分布研究

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1、小型船舶电力推进系统谐波分布研究郑为民俞万能集美大学轮机工程学院，福建厦门，361021[摘要]针对小型船舶电力推进系统产生的谐波对船舶电网电能质量的影响，建立了谐波分析模型，研究变频驱动产生的输入侧电流谐波在不同工作状态下谐波分布情况，并较全面地分析电力推进系统的动、静态特性对系统产生谐波分布的影响，为电力推进系统的谐波抑制奠定了基础。[关键词]电力推进；船舶；谐波；分析[中图分类号]：TM712[文献标识码]A0前言小型船舶电力推进系统采用异步电动机直接驱动螺旋桨，电动机的转速控制由电压源变

2、频器（VoltagesourceinverterVSI）实现。变频器产生的谐波电流污染电网导致供电质量下降，由此引发船舶电动机发热加剧、控制系统的控制信号波形畸变、控制角出现偏差，造成控制不准确甚至误动作。因此，电力推进船舶应尽可能减小或消除变频器谐波影响。围绕着船舶电力推进系统的谐波分析及抑制，国内外的一批专家学者都只针对电力推进系统中某一局部问题进行研究，尚未对整个船舶电力系统进行全面的研究[1-5]。陆金铭针对柴油机船舶电力推进系统，分别建立了发电和负荷系统的数学模型，并对发电机频率和电压

3、进行了仿真，然而其负荷模型只考虑了静态特性，没有涉及对推进系统的动态性能对谐波分布影响进行研究[6]。以上论文的研究对象大多是中高压电力推进系统的谐波情况，对小型船舶电力推进系统的谐波分析及抑制论述不多。本文建立既足够精确又比较简单的变频调速系统的谐波分析模型，较全面分析小型电力推进系统的谐波分布情况，为谐波抑制装置的开发奠定了基础。1电力推进系统的谐波模型建立常规的PWM-VSI电压源交流变频调速系统如图1所示。三相交流输入电压经过不可控三相桥式整流后，经过电容滤波的直流环节得到基本恒定的直流

4、母线电压，再经过PWM逆变器把直流母线电压逆变成三相交流PWM脉冲电压，接至交流电动机的接线端，驱动电动机运行。变频器中的整流电路将向供电电网注入谐波电流，严重恶化电网电能质量，而PWM控制方式的变频器输出电压是一系列宽度按周期规律变化的近似方波的脉冲序列，产生很大的谐波电压，对负载端有很多的负面影响。在小型电力推进系统中，一般采用变频电机作为驱动，而不设专门的变频器输出侧谐波电压的抑制装置。变频器产生的谐波主要是由于整流电路中的电力开关器件向供电电网注入的谐波电流，再者逆变器向中间直流环节注入

5、的纹波电流也可以流入到电网中。由逆变器产生的谐波电流的幅值和频率是关于逆变器和电机设计和运行参数的极其复杂的函数，很多研究人员的试验和仿真研究结果也说明对逆变器驱动电机系统等效为一个谐波源是没有必要的[7-10]。由于电压型PWM变频器中间直流回路的滤波电容容量较大，中间直流电压波动很小，可以认为是一个恒定的电压源[11]。直流电流取决于逆变器的输出功率，即取决于变频器拖动电机的实际运行情况。所以，逆变器驱动电机运行的等值电阻仅与逆变器的输出功率有关，也是影响电力系统谐波情况的主要因素。电力推进

6、系统谐波分析的仿真模型如图1和图2所示。图1VSI变频调速系统等效图图2变频调速系统谐波分析仿真电路Fig.1TheequivalentcircuitofVSIspeedFig.2Theharmonicanalysissimulationcircuitregulationbyfrequencyvariationofspeedregulationbyfrequencyvariation2稳态运行谐波分析根据以上三相仿真电路，建立小型船舶变频驱动系统变频器输入侧电流谐波分析仿真模型。仿真结果如图3、

7、图4所示。图3轻载网侧电流及其谐波频谱波形图4满载网侧电流及其谐波波形Fig3TheinputcurrentandcurrentharmonicFig4Theinputcurrentandcurrentharmonicfrequencyspectrumwithlightloadfrequencyspectrumwithratedload在实际小型电力推进船舶中采用了施耐德ATV61-132电压源型变频器，其测量变频器输入侧的电流波形如图5、图6所示，电压波形如图7所示，电流频谱如图8所示。图5轻

8、载网侧电流波形图6满载网侧电流波形Fig5TheinputcurrentwithlightloadFig6Theinputcurrentwithratedload图7满载网侧电压波形图8网侧电流谐波频Fig7.TheinputvoltagewithratedloadFig8Theharmonicspectrumofinputcurrent由变频调速系统谐波仿真结果以及实测波形可以得出，采用电压型的变频驱动的小型电力推进船舶电网主要的电流谐波是5、7、11等特征谐波。所以，中小型电力推进船舶电力系