許曉彥 石晴晴

（上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院，上海 200135）

1 船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)簡介

船舶電力推進(jìn)已有較長的歷史，起先主要為直流系統(tǒng)，且主要用于潛艇，而對(duì)于運(yùn)輸船舶，特別是大型船舶，電力推進(jìn)系統(tǒng)由于初投資費(fèi)用高以及運(yùn)行效率低等問題而長期得不到發(fā)展。近年來，隨著交流電機(jī)與控制技術(shù)的發(fā)展，特別是電力電子變流技術(shù)的發(fā)展和吊艙式推進(jìn)器的出現(xiàn)，使得電力推進(jìn)不僅在軍用艦艇上而且在民用船舶上也得以開拓應(yīng)用[1]。目前，在民用船舶方面，電力推進(jìn)不僅在特種船舶（破冰船、敷纜船等），而且在運(yùn)輸船舶上（客輪、化學(xué)品船和輪渡上）得到了廣泛應(yīng)用。國際上僅 ABB一家制造的電力推進(jìn)船舶已超過三百艘[2]。例如，由法國Alston公司建造的“瑪麗皇后二號(hào)”，其電力推進(jìn)的總裝機(jī)功率達(dá)到4×21.8MW。國內(nèi)在連煙線火車輪渡和海事局的海監(jiān)船上也采用了電力推進(jìn)系統(tǒng)。相比傳統(tǒng)的船舶推進(jìn)系統(tǒng)，采用電力推進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)勢在于：推進(jìn)效率高，機(jī)動(dòng)性能好，機(jī)艙小、布置靈活，噪聲低、污染少，并且適合于特種船舶的應(yīng)用。

目前一營運(yùn)船舶的吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)如圖 1所示。

圖1 船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)電能質(zhì)量的現(xiàn)狀

盡管船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)有多種優(yōu)點(diǎn)，但船舶電網(wǎng)是一個(gè)獨(dú)立的小容量電網(wǎng)，故受其非線性負(fù)載的影響較大，在電能質(zhì)量方面的現(xiàn)狀不盡人意。

如圖1所示，系統(tǒng)使用了大量的電力電子器件。例如，PWMIGBT變換器，適用于中低壓推進(jìn)系統(tǒng)。它即適用于異步電機(jī)，也適用于同步電機(jī)，被用于從大型船舶的電力推進(jìn)系統(tǒng)到風(fēng)機(jī)，水泵，空壓機(jī)，側(cè)推器的調(diào)速控制。IGCT功率半導(dǎo)體開關(guān)技術(shù)因其在結(jié)構(gòu)上的簡便性和緊湊性，以及在有效性和可靠性方面的良好性能，包括它在冷卻方面的要求較低，使其得到越來越廣泛的應(yīng)用。其它還包括GTO，SIT，MCT 等[3]。

變流器是采用電力電子器件的主要設(shè)備之一。由于電力推進(jìn)船舶其推進(jìn)裝置電功率占電站總功率的大部分（普通運(yùn)輸船舶 50%～60%，特種船舶80%～90%），所以變流器功率很大。變流器一般分為兩種：交-交變頻器和交-直-交變頻器。交-直-交變頻器在用于拖動(dòng)同步電機(jī)時(shí)被證實(shí)是個(gè)有效而穩(wěn)定的變流裝置。而交-交變頻器主要用于低速高轉(zhuǎn)矩場合，即大型船舶的主推進(jìn)裝置。它即無儲(chǔ)能元件（電容或電感），也無直流環(huán)節(jié)，但它的控制較復(fù)雜，體積較大。由此可見，電力系統(tǒng)的諧波較為嚴(yán)重。為了消弱脈動(dòng)電流，從而減少諧波電流，常常在電力推進(jìn)系統(tǒng)的交流電力線或直流匯流排上安裝電感器，或兩者都安裝電感器。

除了電流變換器，還有多種因素造成了電力推進(jìn)系統(tǒng)電能質(zhì)量的降低。船舶電網(wǎng)若有大負(fù)載的合閘，將使多臺(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，而發(fā)電機(jī)在投入并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的次瞬態(tài)電抗（Xd″）對(duì)諧波的影響較大。例如，當(dāng)Xd″為10%時(shí)，總諧波畸變?yōu)?1%；當(dāng)Xd″為15%時(shí)，總諧波畸變達(dá)到15%[4]。

圖2和圖3均為對(duì)上海海事大學(xué)的一個(gè)推進(jìn)電機(jī)容量為1.1kW的船舶電力推進(jìn)物理仿真系統(tǒng)中推進(jìn)電機(jī)變壓器在空載時(shí)的電壓的測量結(jié)果。圖2所示為在 12Hz供電頻率下推進(jìn)電機(jī)變壓器原副邊的線電壓波形。表 1列出了在 12Hz供電頻率下雙繞組六相推進(jìn)電機(jī)中所測得的線電壓直流分量，基波分量和2至50次諧波電壓。在該仿真系統(tǒng)供電電壓的頻率范圍從1.5Hz到15Hz。根據(jù)所測得的數(shù)據(jù)，其THDF值（總諧波畸變占基波的百分比）和THDR值（總諧波畸變占電壓有效值的百分比）均較大，如式（1）和式（2）所示，根據(jù)我國船級(jí)社5%的限值規(guī)定和英國勞氏船級(jí)社 8%的限值規(guī)定，均已超標(biāo)。另外，即使在高次諧波，如 28次，30次，31次，33次，45次和47次諧波，其電壓幅值仍相對(duì)較大。

圖2 推進(jìn)電機(jī)變壓器原副邊的線電壓波形

圖3 推進(jìn)電機(jī)線電壓的直流分量，

基波分量和2至50次諧波電壓的測量值

3 船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)常用電能質(zhì)量改善方案

電力系統(tǒng)是船舶系統(tǒng)中一個(gè)極為重要的組成部分，因?yàn)樗鼘?duì)船舶的各個(gè)系統(tǒng)均有牽連，直接影響著船舶運(yùn)行的安全性與經(jīng)濟(jì)性，故船舶環(huán)境下電磁兼容問題是較受重視的。對(duì)于使用電力推進(jìn)系統(tǒng)的船舶，電能質(zhì)量問題顯得尤為重要。我國船級(jí)社業(yè)對(duì)此作了相應(yīng)的規(guī)范規(guī)定[5]。而在電力推進(jìn)系統(tǒng)中為減少諧波所使用的方法中最常規(guī)的是采用 12波頭靜止變流器，有時(shí)也采用有源電力濾波器。

增加變流器的波頭數(shù)被認(rèn)為是減少電流諧波含量的最有效的方法之一，而12波頭靜止變流器的設(shè)計(jì)來源于在直流供電中廣泛應(yīng)用的 12波頭可控整流電源。它包含兩套三相全控電橋，其副邊分別接成星型和三角形。12波頭可控整流電源的優(yōu)點(diǎn)在于效率高，并能進(jìn)行兆瓦級(jí)供電。由于變壓器的裂相作用，兩個(gè)電橋的輸出具有30度的相位移，從而使這種整流裝置的供電相比當(dāng)時(shí)的其它類型的供電，諧波含量大為減少。對(duì)于一個(gè)中壓船舶電網(wǎng)，例如6600V電網(wǎng)，12波頭靜止變流器的實(shí)際的諧波畸變值一般為8%到9%。圖4為一個(gè)西門子公司設(shè)計(jì)的船用12波頭靜止變流器的結(jié)構(gòu)圖[6]。

圖4 12波頭靜止變流器的結(jié)構(gòu)圖

傳統(tǒng)的柴油機(jī)船舶電網(wǎng)一般裝置無源濾波器，而電力推進(jìn)船也有采用有源濾波器。因?yàn)橛性礊V波器能產(chǎn)生與諧波電流相位相反幅值相同的電流，故即使在電網(wǎng)頻率發(fā)生變化時(shí)，它也能進(jìn)行有效濾波。

4 船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)無功補(bǔ)償與諧波抑制新方案

對(duì)于電力推進(jìn)系統(tǒng)采用有源濾波器，雖然起到了濾波的效果，但其功率因數(shù)仍然偏低。為了提高電網(wǎng)供電的效率，也為了使發(fā)電機(jī)的體積更為精簡，需要同時(shí)提高電網(wǎng)的功率因數(shù)。因此，本文設(shè)計(jì)了一種用于船舶電網(wǎng)抑制諧波和提高功率因數(shù)的新型電路，即混合有源功率因數(shù)校正與濾波電路，如圖5所示。

圖5 混合有源功率因數(shù)校正與濾波電路

因有源功率因數(shù)校正電路能在不同頻率下有效地進(jìn)行功率因數(shù)校正，而電力推進(jìn)系統(tǒng)的供電頻率又是一個(gè)較大范圍內(nèi)變化的頻率，故在本文所設(shè)計(jì)的混合電路中采用有源功率因數(shù)校正電路。

相比常規(guī)船舶，船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的電網(wǎng)容量要大得多，故采用與并聯(lián)無源濾波器相結(jié)合的串聯(lián)有源濾波器，而不是并聯(lián)有源濾波器。即由并聯(lián)無源濾波器承擔(dān)主要的濾波功能，而串聯(lián)有源濾波器本質(zhì)上相當(dāng)于一個(gè)諧波隔離器，而不是諧波抑制器，這樣，有源濾波器的功率就可以設(shè)置得較小。也就是說，用于船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的有源濾波器的容量可以比較小。與并聯(lián)有源濾波器相比，串聯(lián)有源濾波器相當(dāng)于電網(wǎng)和負(fù)載之間的一個(gè)高效的受控電阻[7]?；谏鲜隼碛?，與并聯(lián)無源濾波器相結(jié)合的串聯(lián)有源濾波器比并聯(lián)有源濾波器更適合于船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的諧波抑制。

5 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文針對(duì)無源濾波器，串聯(lián)有源濾波器，有源功率因數(shù)校正電路建立了仿真模型，即對(duì)所設(shè)計(jì)的混合有源功率因數(shù)校正與濾波電路進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)諧波抑制系統(tǒng)的過程中，對(duì)于無源濾波器主要研究其參數(shù)計(jì)算法；而對(duì)于串聯(lián)有源濾波器和有源功率因數(shù)校正電路，則主要研究其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。為提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率，對(duì)于串聯(lián)有源濾波器的控制系統(tǒng)，采用基于瞬時(shí)無功功率理論的諧波檢測方法；而對(duì)于有源功率因數(shù)校正電路的控制系統(tǒng)，則采用基于瞬時(shí)值比較方式的電流跟蹤控制法。其運(yùn)行特性如圖6和圖7所示，其中，圖6是負(fù)載側(cè)電網(wǎng)電壓和負(fù)載電流波形，圖7為串聯(lián)混合型APF與APFCC系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果圖。

圖6 負(fù)載側(cè)電網(wǎng)電壓和負(fù)載電流波形

圖7 串聯(lián)混合型APF與APFCC系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

6 結(jié)論

該電路的設(shè)計(jì)將主動(dòng)式解決問題的方法和被動(dòng)式解決問題的方法結(jié)合在一起，互相補(bǔ)充，能夠共同擔(dān)負(fù)起抑制諧波和提高功率因數(shù)的任務(wù)，從而在快速性和準(zhǔn)確性方面滿足船舶電網(wǎng)的要求。仿真研究結(jié)果證明該電路在改善電網(wǎng)電能質(zhì)量方面的效果較理想，技術(shù)路線可行。預(yù)計(jì)本文所設(shè)計(jì)的這種有源與無源相結(jié)合，主動(dòng)與被動(dòng)相結(jié)合的混合有源功率因數(shù)校正與濾波電路，應(yīng)用于船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)，可以有效地抑制諧波，提高功率因數(shù)，因而可以獲得可觀的節(jié)能效益。

目前，船舶正朝著大型、節(jié)能、高效和環(huán)保的方向發(fā)展，而我國正處在從造船大國向造船強(qiáng)國的發(fā)展過程之中，上述的成果也符合我國關(guān)于實(shí)現(xiàn)“綠色船舶工程”的方針政策?？梢?，在該研究過程中所獲得的成果對(duì)船舶電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有現(xiàn)實(shí)參考意義。另外，這個(gè)方面的研究也為其它具有復(fù)雜運(yùn)行工況的有限獨(dú)立電氣系統(tǒng)（如醫(yī)院，采礦廠等）設(shè)計(jì)改善諧波污染，提高功率因數(shù)的方案提供一條新的技術(shù)路線，具有應(yīng)用前景。

[1]李杰仁.2003年度船舶電工技術(shù)進(jìn)展[J].船電通訊,2003(99)∶ 7-12.

[2]“Electric Propulsion Offers the New Way Forward,”Marine Propulsion International – ABB Technical Report, 2002.9-10.

[3]孫詩南. 艦船電力推進(jìn)的新進(jìn)展[J]. 船電通訊,2004(103)∶4-6.

[4]Xu Xiaoyan, Li Jieren. Simulation research of marine electric propulsion system. Proc. 2003 International Marine Electrotechnology Conf. and Exhibition,Shanghai, China, 2003, 130-136.

[5]中國船級(jí)社. 鋼質(zhì)海船入級(jí)與建造規(guī)范(第 4分冊).北京∶人民交通出版社, 2001.9.

[6]“Simar Drive–Advanced Diesel-electric Propulsion Systems,” Technical Report of Marine Solutions of Industrial Solutions and Services, Siemens AG,Hamburg, Germany, 2003.

[7]王軍華, 李建貴, 汪友華. 混合有源電力濾波器研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 電氣傳動(dòng), 2007,37(12)∶3-6.