船舶电力推进系统谐波特性仿真与研究

易瑞庭

（中国船级社温州办事处，浙江 温州 325000）

船舶电力推进系统谐波特性仿真与研究

易瑞庭

（中国船级社温州办事处，浙江 温州 325000）

在Matlab的Simulink仿真环境下，针对电力推进系统四种不同运行工况，建立了基于Zigzag移相变压器的四种仿真模型。通过对仿真试验结果与实测数据的比较，验证了仿真模型的正确性。通过运行仿真试验得到的结论，研究了发电机内阻、系统不同工况及电力推进系统运行模式等因素对系统谐波特性的影响，这些研究结果为今后制定电力推进系统的运行管理方案提供了科学依据。还对改变移相变压器的移相角度对系统谐波特性的影响进行了定量分析，其结果对整定移相变压器的移相角度及匝数比具有指导作用。

电力推进；变频调速；系统仿真

0 引言

在船舶电力推进系统中，由于推进变频器的应用，变频器整流及逆变单元采用的电力电子元件给船舶电力系统注入了越来越多的非线性负载。整流元件的单向导电性和通断过程会造成电力系统中的电流及电压脉动，使得推进变流器在运行时会产生大量谐波注入电网。谐波会使发电机产生附加谐波损耗、产生电磁干扰，从而降低电网中的电能品质，进而严重影响船舶电力推进系统中各种日用负载的用电质量，这种影响已经引起了人们的重视。

然而，直接对整个电力系统的谐波含量进行计算是一件极其复杂的工作。随着计算机软件仿真技术的发展，给船舶的工程设计带来了一种新的设计方法，设计人员只需要根据设计对象搭建仿真模型，然后利用仿真软件本身提供的多种分析工具，就可以对仿真对象进行全面的测试，这一技术大大提高了设计效率。

1 研究对象简介

为了较全面的研究电力推进系统的谐波特性，针对电力推进系统运行的四种不同工况，建立仿真模型，其中工况一及工况二为两台变频器并联运行在虚拟24脉冲，工况三和工况四为仅有一台变频器在运行，运行在12脉冲模式。这四种不同工况数据详见表1。

表1 研究对象四种工况数据

同时，为了说明系统采取推进变压器作为移相电抗器后具有的谐波抑制作用，选取了工况一作为研究对象，通过改仿真模型中的移相角，来观察系统中谐波的含量及波形的变化。

2 仿真模型构建方法概述

本文的仿真模型均采取了Simulink的子系统设计技术，利用子系统设计技术，将仿真模型分为三个部份，即主电路、控制子系统（Control）、测量与显示子系统（Scope）三个部份。各个部份之间通过Simulink的“Goto”及“From”标签进行数据传递及实现线路连接功能。这种分层设计的思路，使得主电路简洁清晰、层次分明，主界面上仅显示了三个主要的仿真电路，并且子系统仅且一个模块就可表示；利用标签功能，也大大减小了主电路模块与其他模块之间的连线。仿真模型中主要设备的处理方法如下：

1）发电机组的仿真

在仿真模型的搭建过程中，为便于仿真模型的建立与应用，需要对并联运行发电机组进行等效处理，即将并联运行的发电机通过换算，转换为一台发电机，并使用 SimPowerSystems工具箱中的三相电源模块来代替实际的发电机组，等效后的三相电源的内阻及电感参数即是各发电机组内阻及电感并联后的总内阻及总电感。

2）推进变压器仿真

在仿真模型中，利用了SimPowerSystems的Zigzag移相变压器来实现推进变压器的功能，采用Yd1联结方式，通过对参数进行修改，可任意改变移相角度。一次侧接入发电机，二个副边绕组分别与三相全控整流装置相连，以构成12脉冲整流电流。二次侧各绕组间还采用延边三角形的办法来实现移相，从而实现多重化整流。关于移相变压器的谐波抑制原理在参考文献［7］中有较详细的阐述。

3）推进变频器仿真

推进变频器在仿真模型中由整流和逆变二部份组成，整流电路为12脉冲三相桥式全控整流，整流器件选用大功率二极管，整流控制电路选用了SimPowerSystems工具箱中的同步12脉冲发生器。逆变部份为采用三相 SPWM（正弦脉冲宽度调制）逆变电路，逆变器件选用IGBT（绝缘栅双极型晶体管）功率模块，相应的逆变控制模块选用了SimPowerSystems工具箱中的离散12脉冲PWM发生器模块。

4）变频器负载

本文的研究目的是通过仿真，研究690V电网的谐波特性及预估发电机侧的谐波含量。因此，为了方便对研究对象的主要问题进行分析，将变频器后的推进电机及其他负载（如制动电阻等）简化为恒功率的三相阻感负载。

5）仿真参数的设定

根据制造厂的给定值，本文仿真模型的总体输入参数如表2所示。

表2 仿真模型总体输入参数

2.1 工况一仿真模型的构建

根据上述模型构建思路，建立了工况一的主电路、控制子系统以及测量与显示子系统仿真模型，分别如图1、图2及图3所示。

由于采用了子系统封装技术，主电路显得相当简洁与直观，与仿真对象的系统结构基本相同。在主电路仿真模型中，设置有Control及Scope二个子系统的模块符号，子系统的仿真模型是在另外一层进行控制与显示的，体现了分层设计的思想。为了得到仿真模型中的电压、电流波形及数据，在发电机及每台移相变压器的输出端各设置了一个三相电压电流测量模块，即图1中的B1至B5，所有的监测信号传递至Scope子系统，可在该子系统的示波器中显示监测对象的波形。在整流电路的输出端，设置了一个小电阻r1，用于测量电路中的电流。整流与逆变电路之间并联连接了一个平滑电容及电阻模块，实现平滑整流输出的功能。

图2的控制子系统中，整流部份采用同步12脉冲发生器，频率为50Hz，脉宽为20度，二个输出端分别通过“Goto”标签将控制信号传递至主电路。逆变部份采用12脉冲PWM发生器，SPWM的三角载波频率为1080Hz，调制度设为0.85，调制波基波频率为50Hz。

测量与显示子系统的设计，考虑了需要测量的全部信息，但实际的波形显示，只有发电机端电压（相电压）、发电机端电流、发电机线电压及整流器输出端电流，如要观察其他的测量数据，只需对显示子系统稍做修改即可。

在设计测量与显示子系统时，使用了多测量模块（Multimeter），该模块最大的特点是示波器与被测信号之间不需要连接线，而且可以同时测量多个信号源。解决了当系统比较复杂时，观测的信号源较多，单独使用电压、电流测量模块进行观测，产生大量的连接线，影响模型的可读性及可维护性问题。

图1 工况一主电路仿真模型（24脉冲）

图2 控制子系统仿真模型

图3 测量与显示子系统仿真模型

2.2 工况三仿真模型的构建

工况三仿真模型是工况一模型的简化版本，二者之间的区别主要是：工况三运行在12脉冲模式；有关模块如三相电源等的参数设置与工况一不同。

工况二的仿真模型与工况一完全一致，二者均运行在24脉冲模式，工况二为两台发电机组并联运行，不同的是二者模块参数的设置。同理，工况四与工况三的仿真模型完全一致，都是运行在12脉冲模式，只不过工况四是一台发电机组在网运行。

3 仿真试验与结果分析

一个成功的仿真模型是设计者理论知识与实践经验的完美结合，而这又通过仿真参数的设置体现出来。本文仿真模型中求解器算法选用了适合于电力系统的ode23tb算法，该算法运行在变步长模式，ode23tb采用 TR-BDF2算法［1］，即在龙格-库塔法的第一阶段用梯形法，第二阶段用二阶的 Backward Differentiaton Formulas算法，其他详细设置参见图4。

图4 仿真求解器参数设置

本文的仿真试验在参数设置时考虑了以下因素：

1）在建立了仿真模型后，添加了电力系统电路分析的图形用户接口“Powergui”模块，这是电力系统仿真必须添加的模块，当然，在Simulink2008版及以后，运行仿真时也会自动添加该模块；2）求解器算法的选择，由于电力系统属于刚性系统，一般应选择适合于刚性系统的求解器算法，如 ode15s、ode23s、ode23tb等；3）在电力系统仿真建模时，至少应设置一个测量模块，否则无法运行。

3.1 仿真试验及其结果

各仿真模型构建完成，并设置好求解器的各项参数时，需要仿真模型进行调试，运行过程中，可能会出现一些提示信息，或是出错，这时需要根据出错的提示信息来调整仿真模型或是参数设置。

运行图1的仿真模型，系统进入稳态后，通过测量与控制子系统，得到各测量信号的波形信息，为了得到线电压的波形及谐波估算数据，单独设置了一个测量线电压的示波器Scope19。图5为运行仿真试验后发电机输出电流与电压（相电压）。

图5 发电机输出电流及相电压波形

运行图1中图形用户界面“Powergui”后，通过快速傅里叶分析工具 FFT，可得到该工况的发电机输出电流、发电机线电压的谐波分析数据，详见图6，各次谐波的分布见图7。

由此得到该电力推进系统不同工况的仿真试验数据，这一数据较全面的反映了电力推进系统的谐波特性。在该船的航行试验过种中，也实测了除工况四以外的其他三个工况的总电压谐波含量，与仿真试验数据基本相符，进一步验证了仿真模型正确性。实测数据参见图8，仿真试验结果与实测结果的对比详见表3。

图6 发电机输出线电压谐波分析数据

图7 工况一发电机输出线电压各次谐波分布图

图8 工况一、工况二、工况三实测数据

表3 仿真试验数据和实测THD数据对比（Uab）

3.2 移相变压器仿真试验及其结果

采用移相变压器来消除电力电子装置等非线性负载产生的高次谐波电流和电压，是一种经济性很好的谐波抑制方法。电力推进系统中5、7、11、13等次谐波含量较大，因此电力推进系统中的通常都设计有推进变压器作为移相变压器，这种设计主要是为了综合消除这些特征次谐波［7］。实际应用时，通过选取合适的绕组匝数和采用合理的相间绕组的连接方式后，可获得所需要的相位移，使某些高次谐波电流互相抵消，同时三相输入端电压经移相变压器后，输出为六相端电压，从而可削减向电网注入的某些高次谐波。图9为移相变压器的连接方式及其矢量图。

图9 三相变压器Yd1逆延联结

从图中可知，各组二次侧的基本绕组（al,b1,c1）采用三角形联结，与一次侧Y部分的联结方式为Yd l，其移相绕组（a2,b2,c2）在各三角形的顶点延伸出来，故称为延边三角形方式，本方法中的移相绕组是在各组基本绕组的反向端延伸出的，将其称为逆延联结。设变压器一次、二次绕组匝数分别为N1和N2，则二次侧的基本绕组和移相绕组的匝数分别为(1-k)N2和kN2，其中k为绕组系数0＜k＜1，则：

式中，n为变压器的匝数比；UA为输入的A相相电压，V；UAB为输入线电压，V。由向量图及上面两式可得到变压器二次侧电压为：

由图9所示的二次线电压合成的小三角形中，可以得到如下数量关系：

式中，θ为二次线电压超前于一次相电压的相位角；α为二次线电压超前于一次线电压的相位角。由于0

利用工况一的仿真模型，通过改变移相变压器的二次侧移相度角θ，可得到相关的仿真试验数据，详见表4所示。

表4 改变移相角度后仿真试验结果

4 仿真结果讨论与分析

通过比较表1.3的仿真试验数据及实测结果，两者数据基本相符，存在误差的原因，其一是因为在Simulink的仿真分析工具FFT是采用快速傅里叶分析方法，该方法存在栅栏效应和泄漏现象，使得计算得出的信号参数存在误差；其二是因为仿真模型中对推进变频器的负载是采用阻感负载，与实际电路中推进电机运行的情况不一样。

通过分析仿真试验数据与实测数据，可以得到以下一些值得讨论的信息与结论：

1）发电机内阻对谐波含量的影响

在电力推进系统同样是工作在24脉冲或12脉冲的情况下，电网中并联运行发电机的台数对电力系统中谐波含量的影响较大，在仿真模型参数的设置中，并联运行的发电机相当于降低了发电机的内阻，例如工况一的发电机内阻较工况二减小了 33.6%，而其总电压谐波含量较工况二减小了 11.3%，因此可以得到这样的结论，降低发电机的内阻可改善电网的谐波含量。同时也应注意，过低的发电机内阻，将会导致电网短路电流的上升，这二者之间协调关系在工程设计上是值得考虑的。事实上，也不可能将发电机的内阻做到很少，那样将大大提高制造成本及增加发电机设计与制造的难度，但从仿真试验的结果可以看出，通过增加并联运行的发电机台数是一种实际可行的办法。

2）运行模式对谐波含量的影响

仿真的试验结果表明，当电力推进系统运行在24脉冲整流模式的工况下，较12脉冲在总电压谐波含量有很大的改善。较好的解决了发电机端的谐波抑制问题，这一结论与参考文献［5］、［6］中相关结论是一致的，这一技术不仅在理论上，而且在实践上已被证明是改善电网谐波的重要措施。

3）不同工况对谐波含量的影响

对一个电力系统进行谐波预估与分析应是一个综合分析，因为影响系统的谐波畸变因素来自多个方面，但从已有的研究及实践结果可知，电力推进系统中的变频器是主要谐波源。这些主要谐波源运行在不同工况下也会产生不同的影响。比较仿真试验数据与实测结果可以看出，不同工况下，发电机端总电压谐波含量变化较大。

这四种工况的仿真结果，比较全面的反映了该电力推进系统的谐波特性。这一结果是在各种谐波抑制措施与谐波源共同作用的结果。虽然各种工况的仿真试验结果中，总谐波电压含量均未超过5%，但进一步仿真试验及其结果表明，工况 4在变频器负载超过一定数值时（约1220kW），总谐波电压含量将超过5%。这一现象及结果，告诉船舶营运方，在该电力推进系统的实际运行过程，应尽量避免出现这一工况，这对于该电力推进系统的运行与管理有一定指导意义。

仿真试验及实测的结果也表明，该电力推进系统在谐波抑制方面采取的针对性措施是有效的，正是由于在建造过程中采取了以下一些措施，才使得该电力推进所带来的谐波含量未超出规定值：

1）在推进系统中配备了推进变压器，其作用是将推进配电板输出的电源，经变压器移相，改造谐波源。

2）推进变频器采用了24脉冲的二极管整流电路，也可运行在12脉冲工况下，可极大改善电网谐波。

3）推进变频器采用了PWM技术，减少低次谐波的产生，可使谐波对电网用电设备的影响降低。

4）采用了高功率因数的变频器，本船配备的变频器功率因数可达 0.98，最大限度的降低了无功功率，同时也改善了电网谐波。

5）在变频器与推进电机之间的连接电缆，采用了SIEMENS推荐的适用于变频电路的具有良好电磁兼容性的进口电缆，进一步减少变频电路对其他负荷的影响。

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Simulation and Research on Harmonic Characteristics of Vessel’s Electric Propulsion System

YI Rui-ting
(Wenzhou Bureau of CCS,Wenzhou 325000,China)

This paper establishes on the basis of zigzag phase transformer four new simulation models respectively according to four different operation conditions of the electric propulsion system under MATLAB Simulink simulation environment.Through comparison of simulation results and measured data,the accuracy of the simulation model is verified.This paper conducts a research on the influence the internal resistance of the generator,different operating system and electric propulsion system run mode and other factors impose on harmonic characteristics by using the conclusion of running simulation test.These findings provide a scientific basis for the future development of electric propulsion system operation and management.This paper also conducts quantitative analysis of the impact of changing phase transformer of phase angle on harmonic characteristics,the results of which play as a guide on setting phase shift angle of phase shifting transformer and turns.

electric propulsion; variable frequency speed regulating; system simulation

U664

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.03.006

易瑞庭（1975-），男，工程硕士，主要从事船舶电气自动化及船舶电力推进系统的研究。