易瑞庭

（中國船級社溫州辦事處，浙江 溫州 325000）

船舶電力推進系統(tǒng)諧波特性仿真與研究

易瑞庭

（中國船級社溫州辦事處，浙江 溫州 325000）

在Matlab的Simulink仿真環(huán)境下，針對電力推進系統(tǒng)四種不同運行工況，建立了基于Zigzag移相變壓器的四種仿真模型。通過對仿真試驗結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的比較，驗證了仿真模型的正確性。通過運行仿真試驗得到的結(jié)論，研究了發(fā)電機內(nèi)阻、系統(tǒng)不同工況及電力推進系統(tǒng)運行模式等因素對系統(tǒng)諧波特性的影響，這些研究結(jié)果為今后制定電力推進系統(tǒng)的運行管理方案提供了科學(xué)依據(jù)。還對改變移相變壓器的移相角度對系統(tǒng)諧波特性的影響進行了定量分析，其結(jié)果對整定移相變壓器的移相角度及匝數(shù)比具有指導(dǎo)作用。

電力推進；變頻調(diào)速；系統(tǒng)仿真

0 引言

在船舶電力推進系統(tǒng)中，由于推進變頻器的應(yīng)用，變頻器整流及逆變單元采用的電力電子元件給船舶電力系統(tǒng)注入了越來越多的非線性負載。整流元件的單向?qū)щ娦院屯〝噙^程會造成電力系統(tǒng)中的電流及電壓脈動，使得推進變流器在運行時會產(chǎn)生大量諧波注入電網(wǎng)。諧波會使發(fā)電機產(chǎn)生附加諧波損耗、產(chǎn)生電磁干擾，從而降低電網(wǎng)中的電能品質(zhì)，進而嚴重影響船舶電力推進系統(tǒng)中各種日用負載的用電質(zhì)量，這種影響已經(jīng)引起了人們的重視。

然而，直接對整個電力系統(tǒng)的諧波含量進行計算是一件極其復(fù)雜的工作。隨著計算機軟件仿真技術(shù)的發(fā)展，給船舶的工程設(shè)計帶來了一種新的設(shè)計方法，設(shè)計人員只需要根據(jù)設(shè)計對象搭建仿真模型，然后利用仿真軟件本身提供的多種分析工具，就可以對仿真對象進行全面的測試，這一技術(shù)大大提高了設(shè)計效率。

1 研究對象簡介

為了較全面的研究電力推進系統(tǒng)的諧波特性，針對電力推進系統(tǒng)運行的四種不同工況，建立仿真模型，其中工況一及工況二為兩臺變頻器并聯(lián)運行在虛擬24脈沖，工況三和工況四為僅有一臺變頻器在運行，運行在12脈沖模式。這四種不同工況數(shù)據(jù)詳見表1。

表1 研究對象四種工況數(shù)據(jù)

同時，為了說明系統(tǒng)采取推進變壓器作為移相電抗器后具有的諧波抑制作用，選取了工況一作為研究對象，通過改仿真模型中的移相角，來觀察系統(tǒng)中諧波的含量及波形的變化。

2 仿真模型構(gòu)建方法概述

本文的仿真模型均采取了Simulink的子系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)，利用子系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)，將仿真模型分為三個部份，即主電路、控制子系統(tǒng)（Control）、測量與顯示子系統(tǒng)（Scope）三個部份。各個部份之間通過Simulink的“Goto”及“From”標簽進行數(shù)據(jù)傳遞及實現(xiàn)線路連接功能。這種分層設(shè)計的思路，使得主電路簡潔清晰、層次分明，主界面上僅顯示了三個主要的仿真電路，并且子系統(tǒng)僅且一個模塊就可表示；利用標簽功能，也大大減小了主電路模塊與其他模塊之間的連線。仿真模型中主要設(shè)備的處理方法如下：

1）發(fā)電機組的仿真

在仿真模型的搭建過程中，為便于仿真模型的建立與應(yīng)用，需要對并聯(lián)運行發(fā)電機組進行等效處理，即將并聯(lián)運行的發(fā)電機通過換算，轉(zhuǎn)換為一臺發(fā)電機，并使用 SimPowerSystems工具箱中的三相電源模塊來代替實際的發(fā)電機組，等效后的三相電源的內(nèi)阻及電感參數(shù)即是各發(fā)電機組內(nèi)阻及電感并聯(lián)后的總內(nèi)阻及總電感。

2）推進變壓器仿真

在仿真模型中，利用了SimPowerSystems的Zigzag移相變壓器來實現(xiàn)推進變壓器的功能，采用Yd1聯(lián)結(jié)方式，通過對參數(shù)進行修改，可任意改變移相角度。一次側(cè)接入發(fā)電機，二個副邊繞組分別與三相全控整流裝置相連，以構(gòu)成12脈沖整流電流。二次側(cè)各繞組間還采用延邊三角形的辦法來實現(xiàn)移相，從而實現(xiàn)多重化整流。關(guān)于移相變壓器的諧波抑制原理在參考文獻［7］中有較詳細的闡述。

3）推進變頻器仿真

推進變頻器在仿真模型中由整流和逆變二部份組成，整流電路為12脈沖三相橋式全控整流，整流器件選用大功率二極管，整流控制電路選用了SimPowerSystems工具箱中的同步12脈沖發(fā)生器。逆變部份為采用三相 SPWM（正弦脈沖寬度調(diào)制）逆變電路，逆變器件選用IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）功率模塊，相應(yīng)的逆變控制模塊選用了SimPowerSystems工具箱中的離散12脈沖PWM發(fā)生器模塊。

4）變頻器負載

本文的研究目的是通過仿真，研究690V電網(wǎng)的諧波特性及預(yù)估發(fā)電機側(cè)的諧波含量。因此，為了方便對研究對象的主要問題進行分析，將變頻器后的推進電機及其他負載（如制動電阻等）簡化為恒功率的三相阻感負載。

5）仿真參數(shù)的設(shè)定

根據(jù)制造廠的給定值，本文仿真模型的總體輸入?yún)?shù)如表2所示。

表2 仿真模型總體輸入?yún)?shù)

2.1 工況一仿真模型的構(gòu)建

根據(jù)上述模型構(gòu)建思路，建立了工況一的主電路、控制子系統(tǒng)以及測量與顯示子系統(tǒng)仿真模型，分別如圖1、圖2及圖3所示。

由于采用了子系統(tǒng)封裝技術(shù)，主電路顯得相當簡潔與直觀，與仿真對象的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本相同。在主電路仿真模型中，設(shè)置有Control及Scope二個子系統(tǒng)的模塊符號，子系統(tǒng)的仿真模型是在另外一層進行控制與顯示的，體現(xiàn)了分層設(shè)計的思想。為了得到仿真模型中的電壓、電流波形及數(shù)據(jù)，在發(fā)電機及每臺移相變壓器的輸出端各設(shè)置了一個三相電壓電流測量模塊，即圖1中的B1至B5，所有的監(jiān)測信號傳遞至Scope子系統(tǒng)，可在該子系統(tǒng)的示波器中顯示監(jiān)測對象的波形。在整流電路的輸出端，設(shè)置了一個小電阻r1，用于測量電路中的電流。整流與逆變電路之間并聯(lián)連接了一個平滑電容及電阻模塊，實現(xiàn)平滑整流輸出的功能。

圖2的控制子系統(tǒng)中，整流部份采用同步12脈沖發(fā)生器，頻率為50Hz，脈寬為20度，二個輸出端分別通過“Goto”標簽將控制信號傳遞至主電路。逆變部份采用12脈沖PWM發(fā)生器，SPWM的三角載波頻率為1080Hz，調(diào)制度設(shè)為0.85，調(diào)制波基波頻率為50Hz。

測量與顯示子系統(tǒng)的設(shè)計，考慮了需要測量的全部信息，但實際的波形顯示，只有發(fā)電機端電壓（相電壓）、發(fā)電機端電流、發(fā)電機線電壓及整流器輸出端電流，如要觀察其他的測量數(shù)據(jù)，只需對顯示子系統(tǒng)稍做修改即可。

在設(shè)計測量與顯示子系統(tǒng)時，使用了多測量模塊（Multimeter），該模塊最大的特點是示波器與被測信號之間不需要連接線，而且可以同時測量多個信號源。解決了當系統(tǒng)比較復(fù)雜時，觀測的信號源較多，單獨使用電壓、電流測量模塊進行觀測，產(chǎn)生大量的連接線，影響模型的可讀性及可維護性問題。

圖1 工況一主電路仿真模型（24脈沖）

圖2 控制子系統(tǒng)仿真模型

圖3 測量與顯示子系統(tǒng)仿真模型

2.2 工況三仿真模型的構(gòu)建

工況三仿真模型是工況一模型的簡化版本，二者之間的區(qū)別主要是：工況三運行在12脈沖模式；有關(guān)模塊如三相電源等的參數(shù)設(shè)置與工況一不同。

工況二的仿真模型與工況一完全一致，二者均運行在24脈沖模式，工況二為兩臺發(fā)電機組并聯(lián)運行，不同的是二者模塊參數(shù)的設(shè)置。同理，工況四與工況三的仿真模型完全一致，都是運行在12脈沖模式，只不過工況四是一臺發(fā)電機組在網(wǎng)運行。

3 仿真試驗與結(jié)果分析

一個成功的仿真模型是設(shè)計者理論知識與實踐經(jīng)驗的完美結(jié)合，而這又通過仿真參數(shù)的設(shè)置體現(xiàn)出來。本文仿真模型中求解器算法選用了適合于電力系統(tǒng)的ode23tb算法，該算法運行在變步長模式，ode23tb采用 TR-BDF2算法［1］，即在龍格-庫塔法的第一階段用梯形法，第二階段用二階的 Backward Differentiaton Formulas算法，其他詳細設(shè)置參見圖4。

圖4 仿真求解器參數(shù)設(shè)置

本文的仿真試驗在參數(shù)設(shè)置時考慮了以下因素：

1）在建立了仿真模型后，添加了電力系統(tǒng)電路分析的圖形用戶接口“Powergui”模塊，這是電力系統(tǒng)仿真必須添加的模塊，當然，在Simulink2008版及以后，運行仿真時也會自動添加該模塊；2）求解器算法的選擇，由于電力系統(tǒng)屬于剛性系統(tǒng)，一般應(yīng)選擇適合于剛性系統(tǒng)的求解器算法，如 ode15s、ode23s、ode23tb等；3）在電力系統(tǒng)仿真建模時，至少應(yīng)設(shè)置一個測量模塊，否則無法運行。

3.1 仿真試驗及其結(jié)果

各仿真模型構(gòu)建完成，并設(shè)置好求解器的各項參數(shù)時，需要仿真模型進行調(diào)試，運行過程中，可能會出現(xiàn)一些提示信息，或是出錯，這時需要根據(jù)出錯的提示信息來調(diào)整仿真模型或是參數(shù)設(shè)置。

運行圖1的仿真模型，系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)后，通過測量與控制子系統(tǒng)，得到各測量信號的波形信息，為了得到線電壓的波形及諧波估算數(shù)據(jù)，單獨設(shè)置了一個測量線電壓的示波器Scope19。圖5為運行仿真試驗后發(fā)電機輸出電流與電壓（相電壓）。

圖5 發(fā)電機輸出電流及相電壓波形

運行圖1中圖形用戶界面“Powergui”后，通過快速傅里葉分析工具 FFT，可得到該工況的發(fā)電機輸出電流、發(fā)電機線電壓的諧波分析數(shù)據(jù)，詳見圖6，各次諧波的分布見圖7。

由此得到該電力推進系統(tǒng)不同工況的仿真試驗數(shù)據(jù)，這一數(shù)據(jù)較全面的反映了電力推進系統(tǒng)的諧波特性。在該船的航行試驗過種中，也實測了除工況四以外的其他三個工況的總電壓諧波含量，與仿真試驗數(shù)據(jù)基本相符，進一步驗證了仿真模型正確性。實測數(shù)據(jù)參見圖8，仿真試驗結(jié)果與實測結(jié)果的對比詳見表3。

圖6 發(fā)電機輸出線電壓諧波分析數(shù)據(jù)

圖7 工況一發(fā)電機輸出線電壓各次諧波分布圖

圖8 工況一、工況二、工況三實測數(shù)據(jù)

表3 仿真試驗數(shù)據(jù)和實測THD數(shù)據(jù)對比（Uab）

3.2 移相變壓器仿真試驗及其結(jié)果

采用移相變壓器來消除電力電子裝置等非線性負載產(chǎn)生的高次諧波電流和電壓，是一種經(jīng)濟性很好的諧波抑制方法。電力推進系統(tǒng)中5、7、11、13等次諧波含量較大，因此電力推進系統(tǒng)中的通常都設(shè)計有推進變壓器作為移相變壓器，這種設(shè)計主要是為了綜合消除這些特征次諧波［7］。實際應(yīng)用時，通過選取合適的繞組匝數(shù)和采用合理的相間繞組的連接方式后，可獲得所需要的相位移，使某些高次諧波電流互相抵消，同時三相輸入端電壓經(jīng)移相變壓器后，輸出為六相端電壓，從而可削減向電網(wǎng)注入的某些高次諧波。圖9為移相變壓器的連接方式及其矢量圖。

圖9 三相變壓器Yd1逆延聯(lián)結(jié)

從圖中可知，各組二次側(cè)的基本繞組（al,b1,c1）采用三角形聯(lián)結(jié)，與一次側(cè)Y部分的聯(lián)結(jié)方式為Yd l，其移相繞組（a2,b2,c2）在各三角形的頂點延伸出來，故稱為延邊三角形方式，本方法中的移相繞組是在各組基本繞組的反向端延伸出的，將其稱為逆延聯(lián)結(jié)。設(shè)變壓器一次、二次繞組匝數(shù)分別為N1和N2，則二次側(cè)的基本繞組和移相繞組的匝數(shù)分別為(1-k)N2和kN2，其中k為繞組系數(shù)0＜k＜1，則：

式中，n為變壓器的匝數(shù)比；UA為輸入的A相相電壓，V；UAB為輸入線電壓，V。由向量圖及上面兩式可得到變壓器二次側(cè)電壓為：

由圖9所示的二次線電壓合成的小三角形中，可以得到如下數(shù)量關(guān)系：

式中，θ為二次線電壓超前于一次相電壓的相位角；α為二次線電壓超前于一次線電壓的相位角。由于0

利用工況一的仿真模型，通過改變移相變壓器的二次側(cè)移相度角θ，可得到相關(guān)的仿真試驗數(shù)據(jù)，詳見表4所示。

表4 改變移相角度后仿真試驗結(jié)果

4 仿真結(jié)果討論與分析

通過比較表1.3的仿真試驗數(shù)據(jù)及實測結(jié)果，兩者數(shù)據(jù)基本相符，存在誤差的原因，其一是因為在Simulink的仿真分析工具FFT是采用快速傅里葉分析方法，該方法存在柵欄效應(yīng)和泄漏現(xiàn)象，使得計算得出的信號參數(shù)存在誤差；其二是因為仿真模型中對推進變頻器的負載是采用阻感負載，與實際電路中推進電機運行的情況不一樣。

通過分析仿真試驗數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)，可以得到以下一些值得討論的信息與結(jié)論：

1）發(fā)電機內(nèi)阻對諧波含量的影響

在電力推進系統(tǒng)同樣是工作在24脈沖或12脈沖的情況下，電網(wǎng)中并聯(lián)運行發(fā)電機的臺數(shù)對電力系統(tǒng)中諧波含量的影響較大，在仿真模型參數(shù)的設(shè)置中，并聯(lián)運行的發(fā)電機相當于降低了發(fā)電機的內(nèi)阻，例如工況一的發(fā)電機內(nèi)阻較工況二減小了 33.6%，而其總電壓諧波含量較工況二減小了 11.3%，因此可以得到這樣的結(jié)論，降低發(fā)電機的內(nèi)阻可改善電網(wǎng)的諧波含量。同時也應(yīng)注意，過低的發(fā)電機內(nèi)阻，將會導(dǎo)致電網(wǎng)短路電流的上升，這二者之間協(xié)調(diào)關(guān)系在工程設(shè)計上是值得考慮的。事實上，也不可能將發(fā)電機的內(nèi)阻做到很少，那樣將大大提高制造成本及增加發(fā)電機設(shè)計與制造的難度，但從仿真試驗的結(jié)果可以看出，通過增加并聯(lián)運行的發(fā)電機臺數(shù)是一種實際可行的辦法。

2）運行模式對諧波含量的影響

仿真的試驗結(jié)果表明，當電力推進系統(tǒng)運行在24脈沖整流模式的工況下，較12脈沖在總電壓諧波含量有很大的改善。較好的解決了發(fā)電機端的諧波抑制問題，這一結(jié)論與參考文獻［5］、［6］中相關(guān)結(jié)論是一致的，這一技術(shù)不僅在理論上，而且在實踐上已被證明是改善電網(wǎng)諧波的重要措施。

3）不同工況對諧波含量的影響

對一個電力系統(tǒng)進行諧波預(yù)估與分析應(yīng)是一個綜合分析，因為影響系統(tǒng)的諧波畸變因素來自多個方面，但從已有的研究及實踐結(jié)果可知，電力推進系統(tǒng)中的變頻器是主要諧波源。這些主要諧波源運行在不同工況下也會產(chǎn)生不同的影響。比較仿真試驗數(shù)據(jù)與實測結(jié)果可以看出，不同工況下，發(fā)電機端總電壓諧波含量變化較大。

這四種工況的仿真結(jié)果，比較全面的反映了該電力推進系統(tǒng)的諧波特性。這一結(jié)果是在各種諧波抑制措施與諧波源共同作用的結(jié)果。雖然各種工況的仿真試驗結(jié)果中，總諧波電壓含量均未超過5%，但進一步仿真試驗及其結(jié)果表明，工況 4在變頻器負載超過一定數(shù)值時（約1220kW），總諧波電壓含量將超過5%。這一現(xiàn)象及結(jié)果，告訴船舶營運方，在該電力推進系統(tǒng)的實際運行過程，應(yīng)盡量避免出現(xiàn)這一工況，這對于該電力推進系統(tǒng)的運行與管理有一定指導(dǎo)意義。

仿真試驗及實測的結(jié)果也表明，該電力推進系統(tǒng)在諧波抑制方面采取的針對性措施是有效的，正是由于在建造過程中采取了以下一些措施，才使得該電力推進所帶來的諧波含量未超出規(guī)定值：

1）在推進系統(tǒng)中配備了推進變壓器，其作用是將推進配電板輸出的電源，經(jīng)變壓器移相，改造諧波源。

2）推進變頻器采用了24脈沖的二極管整流電路，也可運行在12脈沖工況下，可極大改善電網(wǎng)諧波。

3）推進變頻器采用了PWM技術(shù)，減少低次諧波的產(chǎn)生，可使諧波對電網(wǎng)用電設(shè)備的影響降低。

4）采用了高功率因數(shù)的變頻器，本船配備的變頻器功率因數(shù)可達 0.98，最大限度的降低了無功功率，同時也改善了電網(wǎng)諧波。

5）在變頻器與推進電機之間的連接電纜，采用了SIEMENS推薦的適用于變頻電路的具有良好電磁兼容性的進口電纜，進一步減少變頻電路對其他負荷的影響。

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Simulation and Research on Harmonic Characteristics of Vessel’s Electric Propulsion System

YI Rui-ting
(Wenzhou Bureau of CCS,Wenzhou 325000,China)

This paper establishes on the basis of zigzag phase transformer four new simulation models respectively according to four different operation conditions of the electric propulsion system under MATLAB Simulink simulation environment.Through comparison of simulation results and measured data,the accuracy of the simulation model is verified.This paper conducts a research on the influence the internal resistance of the generator,different operating system and electric propulsion system run mode and other factors impose on harmonic characteristics by using the conclusion of running simulation test.These findings provide a scientific basis for the future development of electric propulsion system operation and management.This paper also conducts quantitative analysis of the impact of changing phase transformer of phase angle on harmonic characteristics,the results of which play as a guide on setting phase shift angle of phase shifting transformer and turns.

electric propulsion; variable frequency speed regulating; system simulation

U664

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.03.006

易瑞庭（1975-），男，工程碩士，主要從事船舶電氣自動化及船舶電力推進系統(tǒng)的研究。