船舶轴带发电机中无功补偿技术分析

缪昶昌

（江苏新扬子造船有限公司，江苏 靖江 214521）

0 引用

在船舶运行过程中，轴带发电机的主要作用是实现主机综合效率的进一步提升，以此来实现航运燃料用量及其费用的有效降低，使其达到良好的节能效果。在这样的情况下，作为其应用过程中的一种关键技术形式，轴带发电机中的无功补偿技术也开始备受关注。因此，相关研究者与技术人员一定要加强此项技术的应用研究，以此来促进轴带发电机在船舶中的良好应用与发展。

1 船舶轴带发电机系统及其工作原理概述

1.1 轴带发电机系统

所谓船舶轴带发电机，就是通过船舶主机进行驱动，从而为船舶电网供电的发电机装置，该装置可将主机中储备的一部分功率加以充分利用，不仅可达到良好的增效作用，也可以实现能源的进一步节约。

在船舶轴带发电机的具体应用中，其主要的环节有：1）发电环节；2）整流以及逆变环节；3）无功补偿环节；4）调节励磁电流环节；5）调节逆变角环节；6）电网以及负载环节。

1.2 主要工作原理

在轴带发电机系统的运行过程中，其6个环节的主要工作原理如下：

1）在发电环节中，每相发电机定子绕组电压以及励磁电流都与转子的转动速度成正比关系，其公式为：

式中：E为发电机的每相电压输出值；K为比例系数；n为转子转动速度；If为发电机中的励磁电流；Iq为定子各相绕组中的有效电流值；Xd为定子各相绕组同步电机。

2）在整流逆变环节中，序号2是控硅整流器，其主要组成是二极管，可以将来自于发电机的三相交流电转变成直流电；序号3是可控硅形式的有源逆变器，其主要组成为可控硅桥形式的变流器，可以实现直流电到恒压交流电的转换。其中的有效电流值计算公式为：

式中：E为发电机中输出的电压；α为整流角，主要通过二极管整流，其取值是0°；U为电网中整流逆变之后的电压；β为逆变角，其作用是对晶闸开关进行导通控制；Z为整流逆变中的总阻抗。

3）在无功补偿环节中，轴带发电机在通过整流逆变之后仅仅实现有功功率的发出，因此一定要将无功补偿装置设置到此类电机中（一般为步进电机），以此来对电网进行无功补偿，让电网中的功率因数得以有效提升，使其电压保持稳定[1]。

4）在励磁电流调节环节中，序号6是可控硅形式的触发控制装置，其主要功能是按照发电机的输出功率以及电压水平等实现相应的脉冲指令信号生成；序号7是可控硅形式的整流装置，其主要功能是按照指令信号进行励磁电流的输出。

5）在逆变角调节环节中，如果主机转速处于额定值的75%～100%，发电机的发电便保持正常，其逆变角也会处在最小值，且保持不变，这时的发电机既可以实现额定功率输出，也可以在额定功率120%的超负荷状态下维持30 s的供电。如果主机转速处于额定值的40%～75%，发电机中的励磁电流将会达到最大值，以此来实现其输出功率的最大化，如果主机转速在这一范围内逐渐降低，其逆变角则会逐渐变大，进而有效防止其输出功率突变，以此来确保船舶电网运行的稳定性。如果主机转速处于额定值的40%，发电机的工作便会停止。

6）在电网以及负载这一环节中，电能需要在电网中保持恒压状态，但是发电机却并不具备无限大的容量，每一个负载所占比例都将会比陆地电网大很多，在这样的情况下，船舶上的电网电压、频率都易发生变化，要想使其得到良好的调节，就需要对自动化控制系统加以合理应用，通过对励磁电流的调节和对逆变角的调节，发电机中所输出的有功功率和输出的频率都会得到良好的控制，而将无功补偿技术加以合理应用，则可以使其无功功率保持平衡，并使其电压保持稳定。

2 船舶轴带发电机系统的无功补偿技术

2.1 SVG概述

SVG属于一种无功补偿装置，在实际运行中，这一装置将以自换向形式的桥式电力半导体变压器对电网实施有效的无功补偿。在SVG中，自换向形式的变流器类似于一个交流电压路，其中既可以产生基波电压，也可以产生谐波电压。而通过变流器中的基波电压相位及其大小控制，或者是直接控制SVG中形成的电流相位及其大小，便可实现动态化无功功率的发出或者是吸收，以此来达到良好的无功补偿效果[2]。

2.2 SVG系统构成

作为一种电气系统，SVG具有十分复杂的结构形式，其整体可按照主系统以及二次系统来进行划分。其中，主系统的主要组成部分有高压变压器、断路器、电抗器与普通变压器组成的曲折变压器、变流器。二次系统的主要组成部分有检测器、保护电路、驱动电路、控制器、检测电路、电压互感器以及电流互感器等。图2为SVG系统的整体结构示意图。

图2 SVG系统的整体结构示意图

2.3 SVG主电路基本形式

在SVG系统中，其主电路的构成部分主要有变流器以及储能元件，按照直流侧中应用到的储能元件，我们可以将其电路划分成2种，一种是电压型，另一种是电流型。

在主电路为电压型的SVG系统中，将电容器作为储能元件用在直流侧，通过电抗器或耦合变压器将交流侧并入电网，这样便可防止电网中进入高次谐波。在主电路为电流型的SVG系统中，将电感器作为储能单元应用在直流侧，将小电容串联在交流侧之后再将其并入电网，这样便可对变流器换向过程中形成的冲击电压吸收。在主电路为电流型的SVG系统应用中，一直会有电流存在，且这些电流会通过直流电感，使其内阻上出现有功损耗，这样的情况便会使得电容中的能量在储存效率方面超出电感[3]。除此之外，由于电压形式的变流器交流增益比较大，所以就目前来看，对于SVG的使用，通常都会采用电压形式的主电路。

但是经进一步的应用研究发现，如果电路中的开关器件在故障情况下直通，主电路是电流型的SVG并不会在其影响下出现短路。同时，伴随着当今超导体储能元件及其技术的发展，主电路为电流形式的SVG也有更好的发展前景。

2.4 基于SVG的无功补偿

1）不考虑电抗器与变流器损耗

在不对电抗器以及变频器中的损耗进行考虑时，SVG的单相等值电路图如图3所示：

图3 不考虑电抗器与变流器损耗的SVG单相等值电路图

图4 不考虑电抗器与变流器损耗的SVG

在吸收了滞后形式的无功功率之后，其无功电流符号便为正；在吸收了超前形式的无功功率之后，其无功电流符号便为负。如果比大，将会较超前90°，此时的SVG便会将电网中的无功功率吸收；如果比小。将会较滞后90°，此时的SVG便会将电网中的感性无功功率吸收，从而实现动态无功功率补偿[4]。

2）考虑电抗器与变流器损耗

在对电抗器以及变流器所产生的损耗加以考虑时，SVG的单相等值电路图如图5所示。

图5 考虑电抗器与变流器损耗的SVG单相等值电路图

其容性无功与感性无功吸收向量图如图6所示：

图6 考虑电抗器与变流器损耗的SVG吸收向量图

3 结语

在船舶轴带发电机中，SVG是一种非常有效的无功补偿装置。通过该装置的应用，可达到良好的无功补偿效果，进而发挥出该发电机的充分作用与优势。因此，在此类发电机的应用和研究中，研究者和技术人员应加大力度对SVG进行研究，使其在轴带发电机无功补偿中得以良好应用，从而进一步促进船舶轴带发电机的应用与发展。