多相整流技术在大型船舶谐波抑制中的应用研究

刘昌亮

(广西工业职业技术学院，广西 南宁 530001)

多相整流技术在大型船舶谐波抑制中的应用研究

刘昌亮

(广西工业职业技术学院，广西 南宁 530001)

摘要：大型船舶动力系统中，使用电力推进优势明显，但其工作时产生的大量谐波危害巨大。对于谐波问题，解决方法根据不同方向，可分为在电网中加入谐波滤波器和使用多相整流技术两类办法。其中，试图从谐波产生源头直接抑制谐波的多相整流技术已证明是最根本最有效的解决途径。本文重点介绍12相与24相整流技术原理，说明脉波数对抑制效果的影响。之后为了进一步验证，本文利用Simulink平台对搭载变频器的电动机进行仿真，分析12脉波变频器与24脉波变频器对谐波产生源的影响。最后获得使用脉波值越高的整流器谐波畸变率越低的结论。

关键词：电力推进；谐波；变频器；抑制

0引言

相较于大型船舶的常规动力系统，电力推进系统因为具有占据空间小、重量轻、运行成本低、灵活机动且利于维修等优点，受到国内外日益广泛的关注。然而，在电力推进系统推广应用的同时，其谐波易引发系统危险的问题亟待解决。首先，谐波增加了整体系统的运行负担、增大了电压峰值，使得电路面临提前老化，容易引起短路的风险[1]。其次，谐波使装置产生大量热能、噪声，使装置过热，还可能引发电机共振，增加了系统的事故隐患。此外谐波还会严重干扰船上导航、通信系统，改变继电器工作性能，影响系统保护装置工作。与使用滤波器部分消除电网谐波的方法相比，无疑在源头直接进行抵消效果更佳[2]。变频器是交流电网中谐波的主要来源，可以通过多相整流技术直接控制谐波产生[3]。本文首先介绍了运用多相整流技术抑制谐波的原理，接着搭建一个大型电力推进船舶电网系统的工作模型，使用多相整流技术对其仿真研究，最后对比分析仿真结果，证明高脉冲值多相整流技术的有效性。

1多相整流技术简介

变频器主要负担起稳定系统电压电流的功能，且消耗大量电网功率。交流电压通过间接变频器时，先转换为直流电压，再转换为交流电压，转换过程依靠大量非线性元件，从而电路中难免会有大量谐波产生。由于谐波电压的幅度大小与谐波次数高低负相关，在电子元件不变的情况下，降低谐波危害主要在于低次谐波的抵消。6脉波变频器通过三相整流技术，使得次序5之前的谐波皆被抵消[4]；12脉波变频器使用12相整流技术，由2个三相整流器组成，且电压初始相位相差30°，其谐波次数从11开始；24脉波变频器通过24相整流技术，使得最低谐波次数减少到23。6脉波变频器效果已经难以满足大型船舶的运行要求，本文将主要研究对比12脉波和24脉波变频器的多相整流效果。

1.1　12相整流

1.1.1基本结构

12相变频器的电路结构如图1所示[5]。图中整流器分为2个三相整流器的联结，主要通过二极管使得流入的交流电压转变为直流电压。使电网中的交流电压相位相差30°分别流入2组收纳箱镇流器后，变为脉动频率较高的12脉波直流电压。此时，输入电压的波动宽为30°，令Up为交流电压值，则可得到整流后的电压值：

Uw=Up(1-sin30°)=0.034Up。

图1　12脉波变频器电路Fig.1　12—pulse inverter circuit

电路图中间的直流部分组装有大容量的电容器，可以吸收高次谐波，抑制电压波动，提升电路抵抗电压瞬间波动的能力。最右的逆变部分将直流电压转换成电网所需的交流电压，可看成是整流的逆变换，其功能主要通过开关装置实现。

1.1.2谐波分析

图2为整流电路中的三相整流桥，其设计可看成1个Y联接与三角形联接的组合，功能是将电压相位向后顺延30°。

图2　三相整流电路Fig.2　Rectified three-phase circuit

假设整流后输出的直流值为Id，通过傅里叶变换可算出通过三相桥后的整流电流：

经过整流后，电路中原有的6k±1次谐波中，5,7,17,19等次的谐波消失，只剩下12k±1次谐波。

1.2　24相整流

因为脉波数的限制，大型推进系统在使用12相变频器时，其谐波仍无法达到标准。理论上使用24相整流可以更好的解决船舶推进变频器的谐波抑制问题。

1.2.1基本结构

24脉变频器如图3所示[6]。其中由4个三相整流器联结2组变压器构成整流部分；逆变器由五电平逆变电路构成。电压经过整流器后，相位相差15°，脉动幅度为：

Uw=Up(1-sin15°)=0.008 57Up。

当整流器脉冲数值增大时，电压相移逐渐减小，随之电压幅度变大，更贴近原来的交流电压数值。

图3　24脉波变频器电路Fig.3　24-pulse inverter circuit

1.2.2谐波分析

通过24脉波电路，电压相移角：

其中m=-2，-1，0,1。整流电流为

由上述公式可看出，整流后相位为6α的倍数，并且已知两相同幅度的电流相位相差π时会被抵消。可以计算出当K=4N时，只有谐波中相应的24N±1次谐波不会被抵消即24脉波整流后，谐波从第23次开始。

2变频器仿真与分析

上述理论计算说明24脉波整流方案的谐波抑制效果较好，更能达到大型电力推进船舶的谐波标准。本文接着将根据某大型LNG船全速航行时的工作情况，以Matlab中Simulink构造变频器的电力推进的模型，将12脉波变频器与24脉波变频器的对比仿真，证明上述方案结果。在本次仿真中，配电电压额定230 V。并因为实际情况下电缆对整体负载影响较小，在此不计其损耗。根据大型船舶电网正常工作的标准，整流后需达到所有电子装置谐波含量低于3%，且总畸变率(THD)低于5%的要求。引入LNG最大功率运行时的部分相关参数,如表1所示。

表1　最大功率参数

2.1　12脉波变频器仿真

经过Simulink处理后，仿真谐波如图4和图5所示。

图4　6.6 kV配电板BUS-HAFig.4　6.6kV switch panel BUS-HA

图5　6.6kV配电板BUS-HBFig.5　6.6kV switch panel BUS-HB

同时得到波形畸变情况如表2所示。由仿真数据可以看出，通过12脉波多相整流后，变频器的谐波大小在第11和13次达到峰值，之后渐渐下降。谐波含量最大值接近4%超过规定的3%，谐波总和已经超过国家设定规范的5%达到近7%。所以，使用12脉波多相整流技术不能符合大型船舶运行要求，在实际情况下需要配合滤波器才能达到标准。

表2　12脉波变频器谐波畸变情况

2.2　24脉波变频器仿真

经过Simulink处理后，可得到谐波波形如图6和图7所示。

图6　6.6kV配电板BUS-HAFig.6　6.6kV switch panel BUS-HA

图7　6.6kV配电板BUS-HBFig.7　6.6kV switch panel BUS-HB

得到波形畸变情况如表3所示。

表3　24脉波变频器谐波畸变情况

由仿真所得畸变率数据可看出，通过24相整流器处理后，6.6 kV配电板谐波含量峰值出现在第23和25次谐波，且峰值含量低于2%；THD约为3%，远没有达到标准的5%。所以使用24脉波的多相整

流能够符合上文规定的大型船舶运行要求。

3结语

本文将通过对不同脉波数的变频器的对比，研究了大型船舶推进系统中谐波控制的问题。从理论计算和仿真分析2个方面说明，24脉波的变频器12脉波的变频器抑制效果更好，处理后的谐波最大含量较低且总含量较小。随着电子技术的发展，变频器的制造成本降低，更高层次的脉波变频器将能投入使用，使用高脉波的变频器将成为趋势。

参考文献：

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Multiphase rectification technology research in large vessel harmonic suppression

LIU Chang-liang

(Guangxi Industrial Vocational Technical College,Nanning 530001,China)

Abstract：In a large ship power system, the use of electric propulsion has obvious advantages, but the harmonic waveit produced dose great harm.For harmonic problem,solutions according to the different directions can be divided into two kinds of methods which are including the frequency harmonic filter and multiphase rectification technology. Among them, tried to suppress harmonic harmonic source from directly multiphase rectification technology has been proved to be the most fundamental and effective solution. This paper mainly introduces the principle of 12 and 24 facies rectification technology, the inhibition effect of the influence of pulse number. To further after verification, by using Simulink simulation platform for carrying inverter motor, respectively analysis a 12-pulse frequency converter and a 24-pulse wave transducer for the influence of harmonic source. Finally,it got the conclusion that the more pulse value of frequency converter is more effectivet in harmonic suppression.

Key words：electric propulsion; harmonic wave; transducer; control

作者简介：刘昌亮(1981-)，男，讲师， 研究方向为工业自动控制。

收稿日期：2014-10-12； 修回日期： 2014-11-23

文章编号：1672-7649(2015)01-0148-04

doi：10.3404/j.issn.1672-7649.2015.01.031

中图分类号：TP393

文献标识码：A