電力推進(jìn)系統(tǒng)的諧波仿真研究

陳 穎 陳鵬宇

（海軍裝備部駐上海地區(qū)第八軍事代表室 上海200011）

0 引 言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，采用電力推進(jìn)的船舶越來(lái)越多，尤其是一些配備了大功率用電設(shè)備的特種船舶。這些大功率用電設(shè)備通常為作業(yè)設(shè)備，功率遠(yuǎn)大于日用負(fù)載，甚至與推進(jìn)功率相當(dāng)。大功率用電設(shè)備在船舶全速航行時(shí)不使用，僅在作業(yè)工況下使用，而此時(shí)船舶往往以較低的航速運(yùn)行。此類船舶采用電力推進(jìn)的優(yōu)勢(shì)就比較明顯，可以設(shè)置1 個(gè)公共電站，為推進(jìn)、作業(yè)設(shè)備及日常用電設(shè)備提供電源，與采用“柴油機(jī)推進(jìn)+柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)電”的動(dòng)力電力形式相比，可有效減少總裝機(jī)容量、提高機(jī)組的使用效率。

對(duì)于電力推進(jìn)船舶而言，一個(gè)需要重點(diǎn)關(guān)注的問題就是電網(wǎng)諧波問題。由于采用公共電站，發(fā)電機(jī)組、電力推進(jìn)設(shè)備、大功率作業(yè)設(shè)備和日用設(shè)備均接在同一電網(wǎng)上，電力推進(jìn)設(shè)備采用大功率變頻驅(qū)動(dòng)，大功率作業(yè)設(shè)備往往也采用變頻或整流驅(qū)動(dòng)方式，這些大功率電力電子設(shè)備是電網(wǎng)的主要諧波源，向電網(wǎng)注入大量諧波電流，造成電網(wǎng)電壓波形畸變。電網(wǎng)諧波超標(biāo)會(huì)造成發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)和變壓器損耗增加，影響儀表的測(cè)量精度和通信設(shè)備的使用，甚至?xí)斐衫^電保護(hù)、自動(dòng)控制裝置誤動(dòng)作，從而危害船舶的安全航行。因此，對(duì)于電力推進(jìn)公共電網(wǎng)中的主要諧波源提出相應(yīng)技術(shù)要求，控制電網(wǎng)總諧波含量并開展相應(yīng)的仿真計(jì)算，是電力推進(jìn)船舶電氣總體設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要任務(wù)。本文以某測(cè)量船為例，分析電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和主要諧波源，并用電力系統(tǒng)仿真分析計(jì)算軟件（Electrical Transient Analysis Program，ETAP）對(duì)電網(wǎng)諧波進(jìn)行仿真計(jì)算，驗(yàn)證系統(tǒng)配置的合理性。

1 電力推進(jìn)船舶公共電網(wǎng)諧波指標(biāo)要求

目前，各大船級(jí)社對(duì)電力推進(jìn)船舶公共電網(wǎng)諧波指標(biāo)主要是指諧波電壓，即電壓總諧波失真（Total Harmonic Distortion，THD），其定義為電壓波形中所含各次諧波電壓的均方根值與基波電壓均方根之比，以百分?jǐn)?shù)表示，公式如下：

式中：是總的諧波電壓失真，V；V 是階諧波電壓的均方根值，V；是基波電壓的均方根值，V。

中國(guó)船級(jí)社規(guī)范規(guī)定對(duì)于有半導(dǎo)體變換器裝置運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)，單次諧波至第15次的諧波應(yīng)不超過標(biāo)稱電壓的5%，其后逐漸減少，在第100次諧波時(shí)應(yīng)減少到1%。

2 基于ETAP 軟件的電網(wǎng)諧波分析

對(duì)于電網(wǎng)的諧波分析，目前主要有人工計(jì)算和仿真分析兩種方法。人工計(jì)算方法一般可依據(jù)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的方法進(jìn)行計(jì)算，對(duì)電網(wǎng)中不同諧波源的同次諧波進(jìn)行迭加計(jì)算。但是此方法的人工計(jì)算量較大，特別是在面對(duì)多諧波源，多工況變時(shí)態(tài)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)時(shí)，人工計(jì)算是難以完成的。目前各類諧波分析軟件都比較成熟，計(jì)算機(jī)仿真分析方法也是當(dāng)前業(yè)界進(jìn)行電網(wǎng)諧波分析的主流方法。

本文選用ETAP軟件進(jìn)行諧波仿真。ETAP是美國(guó)OTI公司研發(fā)的全圖形化的電力系統(tǒng)仿真分析計(jì)算高級(jí)應(yīng)用軟件。ETAP軟件的計(jì)算分析模塊功能齊全、性能成熟，包含潮流計(jì)算模塊、短路計(jì)算模塊、弧閃計(jì)算模塊、電機(jī)起動(dòng)分析計(jì)算模塊、諧波分析模塊、暫態(tài)穩(wěn)定分析模塊、繼電保護(hù)分析模塊、潮流優(yōu)化分析模塊、儲(chǔ)能容量估算模塊和接地網(wǎng)分析模塊等。 利用ETAP中的諧波分析模塊，可對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行電壓源和諧波源模擬、諧波問題識(shí)別、輸出諧波電壓和電流失真的仿真分析。由ETAP諧波分析程序?qū)﹄娋W(wǎng)諧波進(jìn)行模擬和分析，可計(jì)算不同的諧波源的諧波輸出量，對(duì)照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，就可發(fā)現(xiàn)目前和潛在的電力質(zhì)量問題以及與諧波相關(guān)的安全性問題，找到問題的原因并設(shè)計(jì)相應(yīng)的減緩及校正方案。

本文針對(duì)實(shí)際案例，諧波分析過程包括：在EATP集成圖形仿真環(huán)境中建立系統(tǒng)圖、設(shè)置元器件參數(shù)、設(shè)置諧波源及其工作模式、啟動(dòng)諧波潮流運(yùn)行以及獲得單個(gè)設(shè)備和系統(tǒng)中（母排）上的各次諧波電壓、畸變率等。

3 案例船舶電力系統(tǒng)概述

本文以某測(cè)量船為例，進(jìn)行電網(wǎng)諧波仿真分析。該船主電站配置4臺(tái)AC690V 50 Hz 1 250 kW柴油發(fā)電機(jī)組和1臺(tái)AC690V 50 Hz 600 kW柴油發(fā)電機(jī)組。推進(jìn)采用雙軸推進(jìn)形式，單軸電力推進(jìn)設(shè)備包括1臺(tái)1 800 kW推進(jìn)電機(jī)、1臺(tái)推進(jìn)變頻器、1臺(tái)推進(jìn)變壓器，單側(cè)推進(jìn)變頻器為12脈波整流，兩舷2臺(tái)推進(jìn)變壓器移相組成虛擬24脈波整流（原邊分別移相±7.5°）。配置2臺(tái)艏側(cè)推，每臺(tái)側(cè)推電機(jī)功率530 kW ，采用有源前端 （Active Front End，AFE）變頻驅(qū)動(dòng)方式。大功率作業(yè)設(shè)備為非線性負(fù)載，采用的是有源全控整流（含功率因數(shù)校正），電網(wǎng)輸入端功率因數(shù)0.99，電網(wǎng)輸入端諧波電流占基波電流比例≤10%，主要是第7次諧波，其他次數(shù)較低，最大功率需求為1 MW。設(shè)置2臺(tái)互為備用的AC690 V/AC390 V 1 600 kVA日用變壓器，為船上AC380 V負(fù)載提供電源。該船電力系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 電力推進(jìn)系統(tǒng)的單線圖

4 設(shè)備模型的數(shù)據(jù)導(dǎo)入

本測(cè)量船電力系統(tǒng)的諧波源較多，電站運(yùn)行情況比較復(fù)雜。選取主要的電氣設(shè)備，建立其仿真模型，在建立ETAP仿真模型過程中，輸入以下各主要電氣設(shè)備的參數(shù)。

4臺(tái)主發(fā)電機(jī)（G1/G2/G3/G4）參數(shù)如表1所示。

表1 主發(fā)電機(jī)(G1/G2/G3/G4)參數(shù)表

1 臺(tái)主發(fā)電機(jī)（G5）參數(shù)如表2 所示。

表2 主發(fā)電機(jī)(G5)參數(shù)表

推進(jìn)變壓器參數(shù)如表3所示。

表3 推進(jìn)變壓器參數(shù)表

日用變壓器參數(shù)如表4所示。

表4 日用變壓器參數(shù)表

主推進(jìn)參數(shù)如表5所示。

表5 主推進(jìn)參數(shù)表

側(cè)推參數(shù)如表6所示。

表6 側(cè)推參數(shù)表

大功率作業(yè)設(shè)備參數(shù)如表7所示。

表7 作業(yè)設(shè)備的參數(shù)表

值得一提的是，本船5 臺(tái)主發(fā)電機(jī)直軸超瞬態(tài)電抗X "標(biāo)幺值為0.11，比常規(guī)要小，這也是出于諧波控制的考慮，可使諧波電流在發(fā)電機(jī)阻抗處生成的諧波電壓也較小，但帶來(lái)的不利影響是系統(tǒng)短路電流會(huì)相應(yīng)增大，如果不需要因此而選用高一檔分?jǐn)嗄芰Φ谋Ｗo(hù)斷路器，則此方法不失為一種諧波控制的有效方法。

諧波仿真分析工況及各工況下的設(shè)備使用情況如表8 所示。

表8 諧波仿真分析工況及設(shè)備使用情況

5 仿真計(jì)算及結(jié)果分析

以ETAP軟件建立的電力系統(tǒng)諧波仿真分析模型如圖2所示。

圖2 電力系統(tǒng)諧波仿真分析模型

各工況下的諧波分析計(jì)算結(jié)果如下。

5.1 全速航行

全速航行工況主要的諧波源為兩舷電力推進(jìn)設(shè)備,為滿功率運(yùn)行，此時(shí)使用4 臺(tái)1 250 kW發(fā)電機(jī)組和1 臺(tái)600 kW 發(fā)電機(jī)組。AC690 V 母排、AC390 V 母排的各次諧波畸變仿真數(shù)據(jù)如表9 和表10 所示。由表中數(shù)據(jù)可知：在全速工況下，AC690 V 母排的第25 次諧波和第23 次諧波的含量最高，畸變率分別達(dá)到了0.55%和0.53%。AC390 V 母排的第25 次諧波和第23 次諧波的畸變量也是最高，都是0.37%。

表9 全速工況下AC690 V 母排諧波畸變數(shù)據(jù)

表10 全速工況下AC390 V 母排諧波畸變數(shù)據(jù)

續(xù)表10

5.2 進(jìn)出港工況

進(jìn)出港工況下，主要諧波源為兩舷電力推進(jìn)設(shè)備、2 臺(tái)艏側(cè)推，其中電力推進(jìn)設(shè)備功率單舷按460 kW 運(yùn)行，2 臺(tái)艏側(cè)推為滿功率運(yùn)行，此時(shí)使用3 臺(tái)1 250 kW 發(fā)電機(jī)組。AC690 V 母排、AC390 V母排的各次諧波畸變仿真數(shù)據(jù)如表11 和下頁(yè)表12所示。由表中數(shù)據(jù)可知：在進(jìn)出港工況下，AC690 V母排的第25 次諧波和第23 次諧波的含量最高，畸變率分別達(dá)到了0.27%和0.24%。AC390 V 母排的第25 次諧波和第23 次諧波的畸變量也是最高，畸變率分別達(dá)到了0.18%和0.17%。

表11 進(jìn)出港工況下AC690 V 母排諧波畸變數(shù)據(jù)

表12 進(jìn)出港工況下AC390 V 母排諧波畸變數(shù)據(jù)

5.3 作業(yè)工況1

作業(yè)工況1 下，主要諧波源為兩舷電力推進(jìn)設(shè)備、大功率作業(yè)設(shè)備，其中電力推進(jìn)設(shè)備功率單舷按230 kW 運(yùn)行，大功率作業(yè)設(shè)備為滿功率運(yùn)行，此時(shí)使用2 臺(tái)1 250 kW 發(fā)電機(jī)組。AC690 V 母排、AC390 V 母排的各次諧波畸變仿真數(shù)據(jù)如表13 和下頁(yè)表14 所示。由表中數(shù)據(jù)可知：在作業(yè)工況1 下，AC690 V 和AC390 V 母排的最大諧波次數(shù)都是第7 次諧波，最大單次諧波的畸變率分別為2.08%和2%。

表13 作業(yè)工況1 下AC690 V 母排諧波畸變數(shù)據(jù)

表14 作業(yè)工況1 下AC390 V 母排諧波畸變數(shù)據(jù)

續(xù)表13

5.4 作業(yè)工況2

作業(yè)工況2 下，主要諧波源為兩舷電力推進(jìn)設(shè)備、艏側(cè)推、大功率作業(yè)設(shè)備，其中電力推進(jìn)設(shè)備功率單舷按460 kW 運(yùn)行，艏側(cè)推、大功率作業(yè)設(shè)備為滿功率運(yùn)行，此時(shí)使用4 臺(tái)1 250 kW發(fā)電機(jī)組。AC690 V 母排、AC39 0V 母排的各次諧波畸變仿真數(shù)據(jù)如下頁(yè)表15 和下頁(yè)表16 所示。由表中數(shù)據(jù)可知：在作業(yè)工況2 下，AC690 V 和AC390 V 母排的最大諧波次數(shù)都是第7 次諧波，最大單次諧波的畸變率分別為1.11%和1.07%。

表15 作業(yè)工況2 下AC690 V 母排諧波畸變數(shù)據(jù)

表16 作業(yè)工況2 下AC390 V 母排諧波畸變數(shù)據(jù)

5.5 總諧波含量分析

由ETAP 軟件對(duì)以上各個(gè)典型工況下的電網(wǎng)電壓總諧波失真（THD）進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果匯總?cè)绫?7 所示。由分析結(jié)果可知，電網(wǎng)諧波指標(biāo)符合規(guī)范要求。

表17 各工況諧波分析匯總

6 結(jié) 語(yǔ)

采用公共電站的電力推進(jìn)船舶，在設(shè)計(jì)之初需要根據(jù)船舶運(yùn)行工況和諧波源情況，提出初步的諧波控制方案，主要包括推進(jìn)變頻器多脈動(dòng)整流方式、負(fù)載諧波電流控制以及對(duì)發(fā)電機(jī)超瞬態(tài)電抗值提出要求等，然后采用諧波計(jì)算軟件對(duì)電網(wǎng)總諧波含量進(jìn)行分析，確保諧波指標(biāo)符合規(guī)范要求。本文所述實(shí)船案例未在系統(tǒng)上再配置濾波器等其他諧波控制措施，經(jīng)ETAP 軟件仿真，諧波指標(biāo)以及實(shí)船測(cè)量結(jié)果均符合要求，證明系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，在滿足性能指標(biāo)的同時(shí)，很好地兼顧了經(jīng)濟(jì)性， 為同類型電力推進(jìn)船舶的設(shè)計(jì)提供了參考。