基于新型推进变压器的船舶电力系统研究*

薛 佳

(江苏熔盛重工有限公司 南通 226532)

基于新型推进变压器的船舶电力系统研究*

薛 佳

(江苏熔盛重工有限公司 南通 226532)

文章对新型推进变压器的理论进行了分析,分析了新型推进变压器的原理和接线方案,研究了新型推进变压器的技术特点,将该方案和传统的推进变压器进行仿真对比,介绍了新型推进变压器的所独有的技术性能。

船舶电力系统;推进变压器;谐波

Class NumberTM402

1 原有推进变压器存在的问题

目前,对船舶电力系统所产生的谐波进行抑制的唯一实用方法是采用滤波装置,如图1。在变流器的交流侧,滤波装置大都并联在推进变压器交流侧的母线上。滤波装置由若干个无源滤波器并联而成或是采用有源滤波器进行滤波。其中,每个无源滤波器在一个或两个谐波频率附近或者在某一个频带内呈现低阻抗,从而吸收相应的谐波电流,使流入交流系统的谐波电流减少,从而达到抑制谐波的目的。

在船舶电力回路中安装的交流滤波器(RLC)通常由调谐滤波器和高次滤波器组合而成,调谐滤波器用于单一高次谐波的吸收;高次滤波器用于多个高次谐波的吸收。目前广泛采用的方案是将变频器的高次谐波分量与电流系统的阻抗分流,如图1所示,但这种方案存在以下固有问题:

图1 船舶电网滤波示意图

1)推进变压器阀侧变流装置对变压器形成谐波源,而滤波器接在网侧的交流系统母线上,这样,谐波功率和无功功率都要通过变压器的原副边绕组传送到船舶电网和网侧的电力滤波装置,不仅要占用变压器的绕组容量,还要增加绕组的额外铜损和铁损,增加电磁干扰和绝缘困难,并导致机械振动和噪声。

2)对滤波器容量和调谐频率的选取,现有设计方法一般通过经验预先选定,再通过仿真分析来调整确定,导致滤波效果不够稳定和滤波器容量偏大,易与系统阻抗发生串、并联谐振,从而造成滤波器失谐或损坏。

3)有源滤波效果好,但滤波容量较小,设备复杂且投资高。基于以上考虑,所以有必要寻求一种能有效抑制船舶独立电网谐波污染的方法。

2 新型推进变压器的原理和接线方案

本文针对船舶电网传统滤波方式存在的问题,将新型推进变压器的阀侧绕组由现行的Y/△联结变为延边△联结,将滤波装置移到阀侧的公共绕组处,通过对公共绕组的零阻抗设计,使阀侧的特定次谐波电流流入滤波支路,实现与网侧绕组的隔离,从而保护船舶电网,又实现了对变流过程中产生的无功功率的补偿。由于其绕组的自祸作用,避免了阀侧绕组对变压器和电网的冲击。

由图1,图2知,新型推进变压器及其滤波系统代替原有推进变压器及在交流网侧实施谐波治理的方案。本文之所以称新型推进变压器,是由新型推进变压器及其滤波系统的技术特点及技术优点决定,与在船舶电力推进系统中的传统谐波治理方式以示区别。

图2 新型推进变压器的绕组接线与电压相量图

本文以Synchro电力推进系统为对象,提出一种新型推进变压器的接线方案,如图2所示。从推进变压器沿边三角形公共端点引出6相,A1,B1,C1,A2,B2,C2分别与变流器连接,共同构成12脉波的换流输出。

设推进变压器一次侧绕组的三相电压对称,即

式中:U1为一次母线相电压有效值;ϑ为A相电压初始相位。对新型推进变压器而言,设一次侧、二次侧线电压比为1∶1。可求得阀侧绕组线电压数学表达式为:

式中B为相对于传统推进变压器的相位偏移角。

设公共绕组和沿边绕组电压有效值为Un和Um,由图2(b)电压相量,根据正弦定理可得到

为保证新型推进变压器满足12脉波换相的要求,2个二次侧的电压相位差应为π/6电角度,即

式中:w1、w2和w3分别为网侧绕组、公共绕组和延边绕组的匝数,即公共绕组、网侧绕组与延边绕组的匝数比为1.7322和1.9318。

通过调整变压器二次侧延边绕组与公共绕组的匝比关系,使新型推进变压器二次侧上、下2组绕组的相位与一次侧绕组相比分别前移15°,后移15°,2者的相位差为30°,由图 2电压向量图可知,新型推进变压器二次侧线电压﹒UA1B1与﹒UA2B2,﹒UC1A1与﹒UC2A2,﹒UB1C1与﹒UB2C2之间的相位差均为30°,与线电压﹒UB1A1,﹒UB2A2,﹒UA1C1,﹒UA2C2,﹒UC1B1,﹒UC2B2共同组成12脉动线电压。由此表明新型推进变压器可达到原有Y与△接线组成12脉动同样的效果,与12脉动传统推进变压器提供的脉动线电压没有本质区别,只是初始相位存在15°的差别。

该新型推进变压器阀侧绕组采用延边三角形接线形式,与传统推进变压器相比,每相多一套绕组,虽增加了绕组的制造难度,但对于12脉动推进变压器而言,所有阀侧延边绕组与网侧绕组及阀侧公共绕组与网侧绕组之间的匝比相同,两组桥换相电抗易保持相同,有利于谐波消除。该新型推进变压器可采用三相三绕组或单相三绕组型式,当采用单相三绕组型式,构成12脉动推进变压器时,只要设计一种推进变压器结构方案,通过阀侧绕组不同接线方案来达到12脉动变流器的要求;而传统推进变压器因阀侧两套绕组匝数不同,将不得不设计两种推进变压器结构方案,必然增加了设计和制造的难度。

3 新型推进变压器模型仿真

为保证供电安全和满足大容量负载的要求,电力推进船舶电力系统的电源一般为多台发电机供电,发电机的原动机多为柴油机和燃汽轮机,电网直接或经过推进变压器向推进电机及其配套变频器供电。为了对比分析新型推进变压器理论与传统经典模型在稳态运行特性上的差异,本文利用Matlab中的PSB模块分别建立船舶电力系统经典模型和新型模型的仿真模型。交流推进系统采用6相交一直一交变频。从理论上讲,基于晶闸管的整流和逆变是一对可逆的过程,主电路完全相同,区别只在于触发角范围不同,整流时的触发角从0°～ 90°,逆变时的触发角从 90°～ 180°(这里暂不考虑换向重叠角和安全裕度角对触发角范围的影响)。所以在这里只建模了交直流变换整流部分,其在未建模逆变部分下的仿真结果并不影响整体设计效果。

船舶电力系统仿真模型包括船舶三相电源,线路阻抗,推进变压器,双调谐滤波器,同步参考电压,同步12脉冲发生器,12脉波变流器,直流侧平波电抗器等。

本文在触发角分别为 8°、11°、13°、15°、18°的情况下,对新型推进变压器的阀侧和网侧谐波进行了FFT分析,得到的谐波电流含有率和总谐波电流含有率如表1所示。通过对比分析可知,传统船舶电力系统中,在交流网侧接高通滤波和无功补偿装置,电流波形能有所改善,但推进变压器一次侧电流波形畸变仍较大,由于在滤波器设计中要考虑系统阻抗等因素,其滤波作用不能得到充分发挥,滤波效果并不明显。

表1 两种推进变压器网侧与阀侧的谐波含量

表1可知,采用新型滤波方式后,一次侧电流波形在稳态时的畸变率已经很低,新型推进变压器二次侧已经有效抑制了谐波的流通路径,其交流网侧的电流波形十分接近正弦波,滤波效果显著。这种新型滤波方式仅通过改变变压器绕组的安匝匹配就达到了有源滤波的效果,没有增加复杂的谐波检测和调控装置。

从谐波分析结果可知,随着α角的增加,推进变压器网侧和阀侧的谐波电流含有率和总电流畸变率呈减大的趋势,在所分析的情况中,α=8°时达到最大,但对基波的影响也较大,因此在满足要求的情况下,触发角应尽量小,使基波幅值不会减小太多。对于要抑制的主要谐波,如以 5、7、11、13次为目标,在同时要使其它次谐波含有率也有所衰减的情况下,建议设计的触发角在11°左右,这样可以达到比较好的谐波抑制效果。

4 结语

本文对电力推进船舶电网谐波问题以及已有的谐波抑制方法及相关技术进行分析和总结,在此基础上,结合电力推进船舶电网的实际需求,针对传统滤波方法存在的问题,提出一种利用新型推进变压器结构实施谐波抑制的新型感应滤波技术,对提高当前船舶电力系统面临的电能质量及满足现代舰船电磁干扰和隐蔽性的更高要求有一定帮助,有着较高的实用价值和广阔的市场前景。

[1]聂延生.Synchro电力推进系统的特点及谐波分析[J].大连海事大学学报,2005,5(2):38～41

[2]李战鹰,任震,曾坚勇.馈入直流输电系统交流侧滤波方案的设计[J].电网技术,2005,29(7):27～30

[3]时建锋,罗隆福,邓淑娟.新型推进变压器在船舶电网谐波抑制中的应用[J].电网技术,2008,32(21):91～96

[4]周丽霞,尹忠东,肖湘宁.基于移相电抗器的电力推进船舶电网谐波抑制[J].电工技术学报,2007,22(8):90～94

[5]罗隆福,李勇,刘福生.基于新型换流变压器的直流输电系统滤波装置[J].电工技术学报,2006,21(12):108～115

[6]李勇,罗隆福,许加柱.采用新型换流变压器的直流输电稳态模型[J].电力系统自动化,2006,30(21):28～32

[7]罗隆福,李勇,许加柱.新型换流变压器配套滤波装置的优化设计[J].电网技术,2007,31(9):22～26

Study of ShipElectric Power T ransformer Based on New Propulsion System

Xue Jia
(Jiangsu Rongzhong Heavy Industries Co.,Ltd,Nantong 226532)

This paper analyzed the new propulsion transformer theory and the principles of the new transformers and wiring to promote the program,and then studied the technical characteristics of new propulsion transformers.Finally the program and the traditional transformer simulation comparison was proposed,and the new propulsion unique technical performance of transformer were introduced.

ship power system,promote the transformer,harmonic

TM402

2010年8月25日,

2010年9月30日

薛佳,男,助理工程师,研究方向:船舶电气。