电力推进船舶电网提高电能质量方法研究

许晓彦 石晴晴

（上海海事大学物流工程学院，上海 200135）

1 船舶电力推进系统简介

船舶电力推进已有较长的历史，起先主要为直流系统，且主要用于潜艇，而对于运输船舶，特别是大型船舶，电力推进系统由于初投资费用高以及运行效率低等问题而长期得不到发展。近年来，随着交流电机与控制技术的发展，特别是电力电子变流技术的发展和吊舱式推进器的出现，使得电力推进不仅在军用舰艇上而且在民用船舶上也得以开拓应用[1]。目前，在民用船舶方面，电力推进不仅在特种船舶（破冰船、敷缆船等），而且在运输船舶上（客轮、化学品船和轮渡上）得到了广泛应用。国际上仅 ABB一家制造的电力推进船舶已超过三百艘[2]。例如，由法国Alston公司建造的“玛丽皇后二号”，其电力推进的总装机功率达到4×21.8MW。国内在连烟线火车轮渡和海事局的海监船上也采用了电力推进系统。相比传统的船舶推进系统，采用电力推进系统的优势在于：推进效率高，机动性能好，机舱小、布置灵活，噪声低、污染少，并且适合于特种船舶的应用。

目前一营运船舶的吊舱式电力推进系统如图 1所示。

图1 船舶电力推进系统结构图

2 船舶电力推进系统电能质量的现状

尽管船舶电力推进系统有多种优点，但船舶电网是一个独立的小容量电网，故受其非线性负载的影响较大，在电能质量方面的现状不尽人意。

如图1所示，系统使用了大量的电力电子器件。例如，PWMIGBT变换器，适用于中低压推进系统。它即适用于异步电机，也适用于同步电机，被用于从大型船舶的电力推进系统到风机，水泵，空压机，侧推器的调速控制。IGCT功率半导体开关技术因其在结构上的简便性和紧凑性，以及在有效性和可靠性方面的良好性能，包括它在冷却方面的要求较低，使其得到越来越广泛的应用。其它还包括GTO，SIT，MCT 等[3]。

变流器是采用电力电子器件的主要设备之一。由于电力推进船舶其推进装置电功率占电站总功率的大部分（普通运输船舶 50%～60%，特种船舶80%～90%），所以变流器功率很大。变流器一般分为两种：交-交变频器和交-直-交变频器。交-直-交变频器在用于拖动同步电机时被证实是个有效而稳定的变流装置。而交-交变频器主要用于低速高转矩场合，即大型船舶的主推进装置。它即无储能元件（电容或电感），也无直流环节，但它的控制较复杂，体积较大。由此可见，电力系统的谐波较为严重。为了消弱脉动电流，从而减少谐波电流，常常在电力推进系统的交流电力线或直流汇流排上安装电感器，或两者都安装电感器。

除了电流变换器，还有多种因素造成了电力推进系统电能质量的降低。船舶电网若有大负载的合闸，将使多台发电机并联运行，而发电机在投入并联运行时的次瞬态电抗（Xd″）对谐波的影响较大。例如，当Xd″为10%时，总谐波畸变为11%；当Xd″为15%时，总谐波畸变达到15%[4]。

图2和图3均为对上海海事大学的一个推进电机容量为1.1kW的船舶电力推进物理仿真系统中推进电机变压器在空载时的电压的测量结果。图2所示为在 12Hz供电频率下推进电机变压器原副边的线电压波形。表 1列出了在 12Hz供电频率下双绕组六相推进电机中所测得的线电压直流分量，基波分量和2至50次谐波电压。在该仿真系统供电电压的频率范围从1.5Hz到15Hz。根据所测得的数据，其THDF值（总谐波畸变占基波的百分比）和THDR值（总谐波畸变占电压有效值的百分比）均较大，如式（1）和式（2）所示，根据我国船级社5%的限值规定和英国劳氏船级社 8%的限值规定，均已超标。另外，即使在高次谐波，如 28次，30次，31次，33次，45次和47次谐波，其电压幅值仍相对较大。

图2 推进电机变压器原副边的线电压波形

图3 推进电机线电压的直流分量，

基波分量和2至50次谐波电压的测量值

3 船舶电力推进系统常用电能质量改善方案

电力系统是船舶系统中一个极为重要的组成部分，因为它对船舶的各个系统均有牵连，直接影响着船舶运行的安全性与经济性，故船舶环境下电磁兼容问题是较受重视的。对于使用电力推进系统的船舶，电能质量问题显得尤为重要。我国船级社业对此作了相应的规范规定[5]。而在电力推进系统中为减少谐波所使用的方法中最常规的是采用 12波头静止变流器，有时也采用有源电力滤波器。

增加变流器的波头数被认为是减少电流谐波含量的最有效的方法之一，而12波头静止变流器的设计来源于在直流供电中广泛应用的 12波头可控整流电源。它包含两套三相全控电桥，其副边分别接成星型和三角形。12波头可控整流电源的优点在于效率高，并能进行兆瓦级供电。由于变压器的裂相作用，两个电桥的输出具有30度的相位移，从而使这种整流装置的供电相比当时的其它类型的供电，谐波含量大为减少。对于一个中压船舶电网，例如6600V电网，12波头静止变流器的实际的谐波畸变值一般为8%到9%。图4为一个西门子公司设计的船用12波头静止变流器的结构图[6]。

图4 12波头静止变流器的结构图

传统的柴油机船舶电网一般装置无源滤波器，而电力推进船也有采用有源滤波器。因为有源滤波器能产生与谐波电流相位相反幅值相同的电流，故即使在电网频率发生变化时，它也能进行有效滤波。

4 船舶电力推进系统无功补偿与谐波抑制新方案

对于电力推进系统采用有源滤波器，虽然起到了滤波的效果，但其功率因数仍然偏低。为了提高电网供电的效率，也为了使发电机的体积更为精简，需要同时提高电网的功率因数。因此，本文设计了一种用于船舶电网抑制谐波和提高功率因数的新型电路，即混合有源功率因数校正与滤波电路，如图5所示。

图5 混合有源功率因数校正与滤波电路

因有源功率因数校正电路能在不同频率下有效地进行功率因数校正，而电力推进系统的供电频率又是一个较大范围内变化的频率，故在本文所设计的混合电路中采用有源功率因数校正电路。

相比常规船舶，船舶电力推进系统的电网容量要大得多，故采用与并联无源滤波器相结合的串联有源滤波器，而不是并联有源滤波器。即由并联无源滤波器承担主要的滤波功能，而串联有源滤波器本质上相当于一个谐波隔离器，而不是谐波抑制器，这样，有源滤波器的功率就可以设置得较小。也就是说，用于船舶电力推进系统的有源滤波器的容量可以比较小。与并联有源滤波器相比，串联有源滤波器相当于电网和负载之间的一个高效的受控电阻[7]。基于上述理由，与并联无源滤波器相结合的串联有源滤波器比并联有源滤波器更适合于船舶电力推进系统的谐波抑制。

5 仿真实验结果

本文针对无源滤波器，串联有源滤波器，有源功率因数校正电路建立了仿真模型，即对所设计的混合有源功率因数校正与滤波电路进行了仿真实验。实验系统在设计谐波抑制系统的过程中，对于无源滤波器主要研究其参数计算法；而对于串联有源滤波器和有源功率因数校正电路，则主要研究其控制系统的设计。为提高系统的运行效率，对于串联有源滤波器的控制系统，采用基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法；而对于有源功率因数校正电路的控制系统，则采用基于瞬时值比较方式的电流跟踪控制法。其运行特性如图6和图7所示，其中，图6是负载侧电网电压和负载电流波形，图7为串联混合型APF与APFCC系统的运行结果图。

图6 负载侧电网电压和负载电流波形

图7 串联混合型APF与APFCC系统运行结果

6 结论

该电路的设计将主动式解决问题的方法和被动式解决问题的方法结合在一起，互相补充，能够共同担负起抑制谐波和提高功率因数的任务，从而在快速性和准确性方面满足船舶电网的要求。仿真研究结果证明该电路在改善电网电能质量方面的效果较理想，技术路线可行。预计本文所设计的这种有源与无源相结合，主动与被动相结合的混合有源功率因数校正与滤波电路，应用于船舶电力推进系统，可以有效地抑制谐波，提高功率因数，因而可以获得可观的节能效益。

目前，船舶正朝着大型、节能、高效和环保的方向发展，而我国正处在从造船大国向造船强国的发展过程之中，上述的成果也符合我国关于实现“绿色船舶工程”的方针政策。可见，在该研究过程中所获得的成果对船舶电力系统的设计具有现实参考意义。另外，这个方面的研究也为其它具有复杂运行工况的有限独立电气系统（如医院，采矿厂等）设计改善谐波污染，提高功率因数的方案提供一条新的技术路线，具有应用前景。

[1]李杰仁.2003年度船舶电工技术进展[J].船电通讯,2003(99)∶ 7-12.

[2]“Electric Propulsion Offers the New Way Forward,”Marine Propulsion International – ABB Technical Report, 2002.9-10.

[3]孙诗南. 舰船电力推进的新进展[J]. 船电通讯,2004(103)∶4-6.

[4]Xu Xiaoyan, Li Jieren. Simulation research of marine electric propulsion system. Proc. 2003 International Marine Electrotechnology Conf. and Exhibition,Shanghai, China, 2003, 130-136.

[5]中国船级社. 钢质海船入级与建造规范(第 4分册).北京∶人民交通出版社, 2001.9.

[6]“Simar Drive–Advanced Diesel-electric Propulsion Systems,” Technical Report of Marine Solutions of Industrial Solutions and Services, Siemens AG,Hamburg, Germany, 2003.

[7]王军华, 李建贵, 汪友华. 混合有源电力滤波器研究现状与发展趋势[J]. 电气传动, 2007,37(12)∶3-6.