孟得東，郝春學(xué)

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漁船電力推進(jìn)系統(tǒng)概述與諧波分析

孟得東，郝春學(xué)

(武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064)

隨著變頻調(diào)速技術(shù)的迅速發(fā)展，為遠(yuǎn)洋漁業(yè)船舶采用電力推進(jìn)帶來了新的契機(jī)。漁船采用電力推進(jìn)系統(tǒng)具有故障冗余，運(yùn)行可靠性高等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了船體布置結(jié)構(gòu)靈活、全船電力系統(tǒng)統(tǒng)一分配，為漁船動(dòng)力裝置變革起到了指導(dǎo)意義。對(duì)燈光圍網(wǎng)漁船諧波進(jìn)行仿真計(jì)算，最后仿真結(jié)果符合理論分析且均滿足船舶電網(wǎng)諧波要求。

諧波 電力推進(jìn) 仿真計(jì)算

0 引言

近年來，燈光圍網(wǎng)漁船和球刀漁船等新型漁船對(duì)電站需求的增加，電站共用為漁船采用電力推進(jìn)方式提供了自然優(yōu)勢。伴隨海洋資源的縮減，對(duì)船舶的噪音和振動(dòng)性能、高可靠性及環(huán)保節(jié)能船舶的要求也增加,漁船領(lǐng)域發(fā)展電力推進(jìn)從效益角度和長遠(yuǎn)利益來看，勢在必行。作為電力推進(jìn)系統(tǒng)漁船的核心設(shè)備變頻器和誘魚燈，就是供電電網(wǎng)的主要諧波源之一。為了減小諧波對(duì)電網(wǎng)的影響，我們有必要對(duì)變頻器輸入端諧波進(jìn)行分析和計(jì)算，以滿足船舶電網(wǎng)的供電要求和保證其它船電設(shè)備的可靠運(yùn)行。

1 電力推進(jìn)系統(tǒng)方案的比較

以下為漁船采用電力推進(jìn)方式的幾種方案，通過幾種方案進(jìn)行比較，選取較為優(yōu)化的方案。

圖1所需要的設(shè)備數(shù)量較少，設(shè)備空間需求較小，從控制策略也相對(duì)比較簡單，易于實(shí)現(xiàn)，但系統(tǒng)因?yàn)楹诵脑O(shè)備變頻器和電機(jī)沒有冗余設(shè)計(jì)，所以抗故障能力較差，諧波較大。

圖2兩臺(tái)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，同時(shí)電機(jī)寬度方向有較大增加，對(duì)機(jī)艙布置影響較大，2臺(tái)變頻器之間的協(xié)調(diào)控制測量比較復(fù)雜。

圖3兩臺(tái)電機(jī)串軸，軸系較為復(fù)雜，同時(shí)電機(jī)長度方向有較大增加，對(duì)機(jī)艙布置影響較大，2臺(tái)變頻器之間的協(xié)調(diào)控制測量比較復(fù)雜。

圖4使用6相電機(jī)作為船舶主推進(jìn)電機(jī)，優(yōu)化了系統(tǒng)的組成，推進(jìn)支路實(shí)現(xiàn)備份，動(dòng)力系統(tǒng)冗余，兩條推進(jìn)支路形成虛擬24脈，諧波控制較為簡單，控制測量比較復(fù)雜。

從表1可以看出，方案4是我們綜合考慮后更為可行的技術(shù)方案，66米燈光圍網(wǎng)漁船正是基于以上分析做出的。

2 電力推進(jìn)系統(tǒng)概況

漁船綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)(見圖5)實(shí)現(xiàn)全船的供電、推進(jìn)及操控功能，根據(jù)功能劃分為3個(gè)分系統(tǒng)：供電系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、操控系統(tǒng)。

供電系統(tǒng)主要為全船提供電源，并提供必要的保護(hù)。供電系統(tǒng)的額定電壓為400 V、額定頻率為50 Hz，其組成主要包括：800 kW機(jī)組2套、50 kW機(jī)組1套、主配電板1套、功率管理系統(tǒng)（PMS）1套[1]。

推進(jìn)系統(tǒng)為船舶航行提供推進(jìn)動(dòng)力，可完成船舶的圍網(wǎng)作業(yè)、進(jìn)出港、航行等工況。推進(jìn)系統(tǒng)的組成主要包括：2臺(tái)推進(jìn)變壓器、2套12脈水冷型推變頻器、1臺(tái)雙繞組推進(jìn)電動(dòng)機(jī)和1套減速齒輪箱。

操控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)推進(jìn)操控功能、電力推進(jìn)系統(tǒng)監(jiān)測報(bào)警功能，由駕控臺(tái)控制組件、推進(jìn)控制單元、采集箱組成。

3 諧波仿真模型的建立與分析

在燈光圍網(wǎng)漁船電力推進(jìn)系統(tǒng)中主要考核的是變頻器交流輸入側(cè)對(duì)電網(wǎng)的諧波影響。首先建立發(fā)電機(jī)組、整流變壓器、電纜以、變頻器、電動(dòng)機(jī)的諧波分析等值電路模型庫，然后按圖5構(gòu)造其等值電路模型并得到網(wǎng)側(cè)的諧波畸變率(THD)和各次諧波的含量情況。

由理論分析可知，以個(gè)相位相差的變壓器分別供電的個(gè)三相橋式整流電路可以構(gòu)成6脈動(dòng)的整流電路，其網(wǎng)側(cè)電流僅含有6±1次諧波，且其有效值與諧波次數(shù)成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)。隨著整流脈動(dòng)數(shù)的提高，諧波含量會(huì)越來越小[2]。

燈光圍網(wǎng)漁船電力推進(jìn)系統(tǒng)以Matlab6.5為軟件平臺(tái)構(gòu)建了電力推進(jìn)系統(tǒng)諧波分析的模型庫。根據(jù)本船實(shí)際運(yùn)行中的工況構(gòu)建系統(tǒng)仿真模型后進(jìn)行仿真計(jì)算并加以分析。

工況的仿真結(jié)果，如圖8所示。

航行工況：兩臺(tái)800 kW 發(fā)電機(jī)，兩臺(tái)主推電機(jī)100%功率（虛擬24 脈動(dòng)整流），日用負(fù)載400 kW。

捕魚作業(yè)工況：兩臺(tái)800 kW 發(fā)電機(jī)，兩臺(tái)主推電機(jī)20%功率（虛擬24 脈動(dòng)整流），日用負(fù)載900 kW。

進(jìn)出港工況：兩臺(tái)800 kW 發(fā)電機(jī)，兩臺(tái)主推電機(jī)80%功率（虛擬24 脈動(dòng)整流），日用負(fù)載150 kW。

單機(jī)工況：單臺(tái)800 kW 發(fā)電機(jī)，單臺(tái)主推100%功率（12 脈動(dòng)整流），日用負(fù)載130 kW。

從仿真結(jié)果可以看出，在當(dāng)前發(fā)電機(jī)參數(shù)下，400 V電網(wǎng)電壓諧波含量能夠滿足系統(tǒng)及船級(jí)社規(guī)范的小于5%的要求。

從幾種工況的仿真結(jié)果可以看出， 12脈動(dòng)整流時(shí)網(wǎng)側(cè)主要含有11、13、23、25次諧波。采用虛擬24脈動(dòng)整流時(shí)，網(wǎng)側(cè)電壓23、25次諧波較高。其它各次諧波大小與基波的比值都基本不變，這樣系統(tǒng)的電壓諧波總畸變率大大減小，這個(gè)結(jié)論也證明了前面的理論分析。

對(duì)于前兩種工況的可以看出，在發(fā)電機(jī)組數(shù)量不變的情況下，網(wǎng)側(cè)電壓諧波情況與負(fù)載功率有關(guān)，負(fù)載功率較大時(shí)，網(wǎng)側(cè)電壓波形更接近于正弦波，總諧波電壓畸變率THD則減小。分析可知，由于負(fù)載減小后，網(wǎng)側(cè)諧波電流幅值變小，使其在電網(wǎng)等效阻抗上產(chǎn)生的各次諧波電壓減小，電壓基波幅值基本不變，電壓諧波畸變率就相應(yīng)變小[3]。

對(duì)于后兩種工況的可以看出，在負(fù)載相當(dāng)時(shí)，投入的發(fā)電機(jī)組數(shù)目減少，電網(wǎng)容量減小，電網(wǎng)的電壓畸變會(huì)增加。分析可知，負(fù)載一定時(shí)，負(fù)載電流基波保持不變，網(wǎng)側(cè)機(jī)組數(shù)目減少，網(wǎng)側(cè)等值電路阻抗增大，電感對(duì)電流的諧波抑制作用使電流的畸變變小，電網(wǎng)阻抗產(chǎn)生的電壓降會(huì)增大，電壓畸變也會(huì)增大。

4 結(jié)論

漁船多數(shù)采用單舵漿推進(jìn)，從圖5可以看出，本系統(tǒng)采用兩臺(tái)變頻器同時(shí)驅(qū)動(dòng)單臺(tái)雙繞組電機(jī)，機(jī)組的電制采用三相四線制，誘魚燈光系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)無需采用單獨(dú)的輔助發(fā)電機(jī)組進(jìn)行供電，而與主推進(jìn)系統(tǒng)統(tǒng)一供電，實(shí)現(xiàn)了主推進(jìn)、誘魚燈光系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)電能的統(tǒng)一調(diào)配，使得漁船的裝機(jī)功率減少，造價(jià)降低。采用多臺(tái)機(jī)組組成發(fā)電系統(tǒng)，當(dāng)某一臺(tái)發(fā)電機(jī)組故障時(shí)，其它發(fā)電機(jī)組能夠正常供電；采用兩臺(tái)變頻器及雙繞組電機(jī)，單臺(tái)變頻器故障或推進(jìn)電機(jī)的單電樞故障時(shí)，仍可以維持單機(jī)正常運(yùn)行，因此，電力推進(jìn)系統(tǒng)漁船具有故障冗余，運(yùn)行可靠性高等特點(diǎn)。通過仿真計(jì)算結(jié)果說明通過改變整流方式，采用多脈動(dòng)整流可以有效的降低變頻器輸入側(cè)的諧波含量[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. 諧波抑制與無功功率補(bǔ)償. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 1998.

[3] 管小銘. 船舶電力系統(tǒng)及自動(dòng)化[M]. 大連：大連海事大學(xué)出版社, 1999.

[4] 林海雪，孫樹勤. 電力網(wǎng)中的諧波. 北京：中國電力出版社，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

孟得東（1982-），男，工程師。研究方向：系統(tǒng)仿真、船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)集成技術(shù)。