船舶交直交變頻器的特征諧波和間諧波參數(shù)計算

史振宇，王建勛，楊文鐵，徐 林

應用研究

船舶交直交變頻器的特征諧波和間諧波參數(shù)計算

史振宇1，王建勛2，楊文鐵2，徐 林2

（1.海裝武漢局駐武漢地區(qū)第三軍事代表室，武漢 430000；2. 武漢第二船舶設計研究所，武漢 430064）

基于調制理論建立了交直交變頻器的開關函數(shù)模型，針對采用不可控整流和逆變器PWM控制的交直交變頻器模型提出了電網(wǎng)輸入端的諧波和間諧波參數(shù)計算方法。針對典型算例對電網(wǎng)輸入端主要次諧波和間諧波的幅值和頻率參數(shù)進行了計算，并通過時域仿真驗證了計算方法的有效性。

交直交變頻器 調制理論 開關函數(shù) 諧波 間諧波

0 引言

交直交變頻器在船舶交流傳動裝置中得到了廣泛應用，成為了船舶電力系統(tǒng)主要的諧波和間諧波源之一。對典型的交直交變頻裝置進行建模分析，摸清船舶電力系統(tǒng)的諧波和間諧波分布情況，可有效改善船舶電力系統(tǒng)的運行狀況。在電力電子設備的各種分析方法中，基于開關函數(shù)定義的調制理論具有概念清晰和計算量小等優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛用于各種類型電力電子設備的電氣特征參數(shù)計算[1-8]。文獻[1-2]是對交直交變換器所產(chǎn)生諧波和間諧波的特征頻率進行了討論，文獻[3-4]分析了基于交直交變頻電路結構的HVDC高壓直流輸電系統(tǒng)諧波和間諧波的計算方法，文獻[5-7]討論了在供電電壓理想和三相不平衡等情況下，采用PWM控制方式時交直交變頻器產(chǎn)生的諧波和間諧波整體特性如何計算。為評估交直交變頻器對船舶電力系統(tǒng)的影響，本文將在以上研究的基礎上，對電網(wǎng)輸入端主要次諧波和間諧波的幅值和頻率參數(shù)進行分析，提出適用于電網(wǎng)輸入端主要次諧波和間諧波的幅值和頻率參數(shù)計算的方法，以為船舶電力系統(tǒng)電能質量評估提供基礎。

1 基于調制理論的船舶交直交變頻器拓撲電路建模

船舶交直交變頻器拓撲電路結構如圖1所示。一般整流器采用不可控整流方式，直流側配備大容量電容起穩(wěn)壓濾波作用，逆變器采用PWM控制方式。在電網(wǎng)輸入端，諧波來自于對直流側直流分量的調制，間諧波來自于對直流側非特征諧波(相對于整流側)的調制。

圖1 船舶交直交變頻器拓撲電路

考慮電力電子設備的工作具有離散采樣和調制的開關特性，基于調制理論可以用開關函數(shù)表示交直交變頻器中電力電子器件的開關狀態(tài)，以進一步分析交直交變頻器的諧波和間諧波特性。

對于圖1所示電路左側的整流器部分，根據(jù)調制理論[8]，直流側電壓可和交流側電壓的關系以及交流側電流和直流側電流的關系，通過開關函數(shù)可表示為

同理，針對電路右側的逆變器部分，滿足：

考慮可能存在的“換相”情況，可推導得到開關函數(shù)。

對于不可控整流部分，其開關函數(shù)為

對于采用PWM控制方式的逆變電路部分，其開關函數(shù)為

2 交直交變頻器的特征諧波和間諧波參數(shù)分析步驟

在計算交直交變頻器的特征諧波和間諧波參數(shù)時，需首先計算換相角，換相角可下式進行計算

基于上述分析，總結可得計算電網(wǎng)輸入端即整流器交流側諧波和間諧波參數(shù)的步驟：

1）估計換相角，并根據(jù)逆變器開關函數(shù)和逆變器交流側負載參數(shù)計算逆變器在直流側的等效直流阻抗；

2）根據(jù)整流器的電壓開關函數(shù)計算直流側的電壓；

3）根據(jù)逆變器的電壓開關函數(shù)計算逆變器交流側的相電壓，并計算逆變器交流負載的相電流；

4）根據(jù)逆變器的電流開關函數(shù)計算逆變器直流側的電流，然后計算整流器直流側的電流；

5）根據(jù)整流器的電流開關函數(shù)計算整流器交流側的電流；

6）利用FFT計算整流器交流側各次諧波或間諧波的幅值和頻率等參數(shù)。

3 仿真算例

為了驗證本文所提電網(wǎng)輸入端主要次諧波和間諧波的幅值和頻率參數(shù)計算方法的正確性，在Matlab/Simulink環(huán)境下構建了船舶交直交變頻器仿真模型。仿真參數(shù)設置為：系統(tǒng)電壓為100 V，系統(tǒng)基頻為50 Hz，等效系統(tǒng)電抗為0.1 mH。逆變器的載波頻率為1080 Hz，驅動頻率為60 Hz，調制比為0.8。逆變器交流側為阻感負載，電阻為10 Ω，電抗為10 mH。仿真得到電網(wǎng)輸入端的主要次諧波間諧波結果如表1所示。

表1 電網(wǎng)輸入端主要次諧波和間諧波仿真結果

4 結論

本文利用調制理論和開關函數(shù)建立了交直交變頻器模型，針對采用不可控整流和逆變器PWM控制的交直交變頻器模型提出了電網(wǎng)輸入端的諧波和間諧波參數(shù)計算方法。仿真實例證實了本文所提方法計算得到的電網(wǎng)輸入端的諧波和間諧波頻率分布特征是正確的，且能對幅值較大的主要次諧波和間諧波參數(shù)進行計算。

[1] Francesco D, Roberto L, Adolfo S, et al．On the interharmonic components generated by adjustable speed drives[J]．IEEE Transactions on Power Delivery, 2005, 20(4): 2535-2543．

[2] 李瓊林, 劉會金, 張振環(huán), 等．基于互調原理的交直交變流系統(tǒng)中的間諧波分析[J]．中國電機工程學報, 2007, 27(34): 107-114．

[3] 余濤, 史軍, 任震．交直流并聯(lián)輸電系統(tǒng)的間諧波研究[J]．中國電機工程學報, 2008, 28(22) : 118-123．

[4] Hume D J, Wood A R, Osauskas C M．Frequency-domain modeling of interharmonics in HVDC systems[J]．IEE Proceedings-generation Transmission and Distribution, 2003, 150(1): 41-48．

[5] Rosario C, Francesco D, Roberto L, et al．A new approach for the computation of harmonics and interharmonics produced by line-commutated AC/DC/AC Converters[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2005, 20(3): 2227- 2234.

[6] Gary W．Shin-Kuan Chen．An analytical approach for characterizing harmonic and interharmonic currents generated by VSI-Fed adjustable Speed drives[J]．IEEE Transactions on Power Delivery, 2005 20(4): 2585-2593．

[7] Gary W, Shin-Kuan Chen, Huai-Jhe Su, et al．Accurate Assessment of Harmonic and Interharmonic Currents Generated by VSI-Fed Drives Under Unbalanced Supply Voltages[J] ．IEEE Transaction on Power Delivery, 2011, 26(2): 1083-1091．

[8] 張大海, 畢艷冰, 畢研秋, 等．電力逆變器調制理論的擴展研究[J]．電網(wǎng)技術, 2010, 34(12): 63-67．

Calculation of characteristic harmonic and interharmonic parameters on ship AC/DC/AC frequency converter

Shi Zhenyu, Wang Jianxun, Yang Wentie, Xu Lin

（1. Navy Equipment Department; 2. Wuhan Second Ship Design & Research Institute, Wuhan 430064, China）

TM711

A

1003-4862（2022）07-0043-3

2022-03-03

史振宇（1986-），男，工程師。研究方向為船舶電氣工程。E-mail: 784860777@qq.com