漁船電力推進系統(tǒng)概述與諧波分析

孟得東，郝春學(xué)

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漁船電力推進系統(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，為遠洋漁業(yè)船舶采用電力推進帶來了新的契機。漁船采用電力推進系統(tǒng)具有故障冗余，運行可靠性高等特點，實現(xiàn)了船體布置結(jié)構(gòu)靈活、全船電力系統(tǒng)統(tǒng)一分配，為漁船動力裝置變革起到了指導(dǎo)意義。對燈光圍網(wǎng)漁船諧波進行仿真計算，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 仿真計算

0 引言

近年來，燈光圍網(wǎng)漁船和球刀漁船等新型漁船對電站需求的增加，電站共用為漁船采用電力推進方式提供了自然優(yōu)勢。伴隨海洋資源的縮減，對船舶的噪音和振動性能、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)展電力推進從效益角度和長遠利益來看，勢在必行。作為電力推進系統(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。為了減小諧波對電網(wǎng)的影響，我們有必要對變頻器輸入端諧波進行分析和計算，以滿足船舶電網(wǎng)的供電要求和保證其它船電設(shè)備的可靠運行。

1 電力推進系統(tǒng)方案的比較

以下為漁船采用電力推進方式的幾種方案，通過幾種方案進行比較，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，從控制策略也相對比較簡單，易于實現(xiàn)，但系統(tǒng)因為核心設(shè)備變頻器和電機沒有冗余設(shè)計，所以抗故障能力較差，諧波較大。

圖2兩臺電機并聯(lián)運行，同時電機寬度方向有較大增加，對機艙布置影響較大，2臺變頻器之間的協(xié)調(diào)控制測量比較復(fù)雜。

圖3兩臺電機串軸，軸系較為復(fù)雜，同時電機長度方向有較大增加，對機艙布置影響較大，2臺變頻器之間的協(xié)調(diào)控制測量比較復(fù)雜。

圖4使用6相電機作為船舶主推進電機，優(yōu)化了系統(tǒng)的組成，推進支路實現(xiàn)備份，動力系統(tǒng)冗余，兩條推進支路形成虛擬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 電力推進系統(tǒng)概況

漁船綜合電力推進系統(tǒng)(見圖5)實現(xiàn)全船的供電、推進及操控功能，根據(jù)功能劃分為3個分系統(tǒng)：供電系統(tǒng)、推進系統(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。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機組2套、50 kW機組1套、主配電板1套、功率管理系統(tǒng)（PMS）1套[1]。

推進系統(tǒng)為船舶航行提供推進動力，可完成船舶的圍網(wǎng)作業(yè)、進出港、航行等工況。推進系統(tǒng)的組成主要包括：2臺推進變壓器、2套12脈水冷型推變頻器、1臺雙繞組推進電動機和1套減速齒輪箱。

操控系統(tǒng)主要實現(xiàn)推進操控功能、電力推進系統(tǒng)監(jiān)測報警功能，由駕控臺控制組件、推進控制單元、采集箱組成。

3 諧波仿真模型的建立與分析

在燈光圍網(wǎng)漁船電力推進系統(tǒng)中主要考核的是變頻器交流輸入側(cè)對電網(wǎng)的諧波影響。首先建立發(fā)電機組、整流變壓器、電纜以、變頻器、電動機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，以個相位相差的變壓器分別供電的個三相橋式整流電路可以構(gòu)成6脈動的整流電路，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)。隨著整流脈動數(shù)的提高，諧波含量會越來越小[2]。

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

工況的仿真結(jié)果，如圖8所示。

航行工況：兩臺800 kW 發(fā)電機，兩臺主推電機100%功率（虛擬24 脈動整流），日用負載400 kW。

捕魚作業(yè)工況：兩臺800 kW 發(fā)電機，兩臺主推電機20%功率（虛擬24 脈動整流），日用負載900 kW。

進出港工況：兩臺800 kW 發(fā)電機，兩臺主推電機80%功率（虛擬24 脈動整流），日用負載150 kW。

單機工況：單臺800 kW 發(fā)電機，單臺主推100%功率（12 脈動整流），日用負載130 kW。

從仿真結(jié)果可以看出，在當(dāng)前發(fā)電機參數(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脈動整流時網(wǎng)側(cè)主要含有11、13、23、25次諧波。采用虛擬24脈動整流時，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，這個結(jié)論也證明了前面的理論分析。

對于前兩種工況的可以看出，在發(fā)電機組數(shù)量不變的情況下，網(wǎng)側(cè)電壓諧波情況與負載功率有關(guān)，負載功率較大時，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]。

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

4 結(jié)論

漁船多數(shù)采用單舵漿推進，從圖5可以看出，本系統(tǒng)采用兩臺變頻器同時驅(qū)動單臺雙繞組電機，機組的電制采用三相四線制，誘魚燈光系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)無需采用單獨的輔助發(fā)電機組進行供電，而與主推進系統(tǒng)統(tǒng)一供電，實現(xiàn)了主推進、誘魚燈光系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)電能的統(tǒng)一調(diào)配，使得漁船的裝機功率減少，造價降低。采用多臺機組組成發(fā)電系統(tǒng)，當(dāng)某一臺發(fā)電機組故障時，其它發(fā)電機組能夠正常供電；采用兩臺變頻器及雙繞組電機，單臺變頻器故障或推進電機的單電樞故障時，仍可以維持單機正常運行，因此，電力推進系統(tǒng)漁船具有故障冗余，運行可靠性高等特點。通過仿真計算結(jié)果說明通過改變整流方式，采用多脈動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償. 北京：機械工業(yè)出版社, 1998.

[3] 管小銘. 船舶電力系統(tǒng)及自動化[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、船舶電力推進系統(tǒng)集成技術(shù)。