基于新型推進變壓器的船舶電力系統研究*

薛 佳

(江蘇熔盛重工有限公司 南通 226532)

基于新型推進變壓器的船舶電力系統研究*

薛 佳

(江蘇熔盛重工有限公司 南通 226532)

文章對新型推進變壓器的理論進行了分析,分析了新型推進變壓器的原理和接線方案,研究了新型推進變壓器的技術特點,將該方案和傳統的推進變壓器進行仿真對比,介紹了新型推進變壓器的所獨有的技術性能。

船舶電力系統;推進變壓器;諧波

Class NumberTM402

1 原有推進變壓器存在的問題

目前,對船舶電力系統所產生的諧波進行抑制的唯一實用方法是采用濾波裝置,如圖1。在變流器的交流側,濾波裝置大都并聯在推進變壓器交流側的母線上。濾波裝置由若干個無源濾波器并聯而成或是采用有源濾波器進行濾波。其中,每個無源濾波器在一個或兩個諧波頻率附近或者在某一個頻帶內呈現低阻抗,從而吸收相應的諧波電流,使流入交流系統的諧波電流減少,從而達到抑制諧波的目的。

在船舶電力回路中安裝的交流濾波器(RLC)通常由調諧濾波器和高次濾波器組合而成,調諧濾波器用于單一高次諧波的吸收;高次濾波器用于多個高次諧波的吸收。目前廣泛采用的方案是將變頻器的高次諧波分量與電流系統的阻抗分流,如圖1所示,但這種方案存在以下固有問題:

圖1 船舶電網濾波示意圖

1)推進變壓器閥側變流裝置對變壓器形成諧波源,而濾波器接在網側的交流系統母線上,這樣,諧波功率和無功功率都要通過變壓器的原副邊繞組傳送到船舶電網和網側的電力濾波裝置,不僅要占用變壓器的繞組容量,還要增加繞組的額外銅損和鐵損,增加電磁干擾和絕緣困難,并導致機械振動和噪聲。

2)對濾波器容量和調諧頻率的選取,現有設計方法一般通過經驗預先選定,再通過仿真分析來調整確定,導致濾波效果不夠穩定和濾波器容量偏大,易與系統阻抗發生串、并聯諧振,從而造成濾波器失諧或損壞。

3)有源濾波效果好,但濾波容量較小,設備復雜且投資高。基于以上考慮,所以有必要尋求一種能有效抑制船舶獨立電網諧波污染的方法。

2 新型推進變壓器的原理和接線方案

本文針對船舶電網傳統濾波方式存在的問題,將新型推進變壓器的閥側繞組由現行的Y/△聯結變為延邊△聯結,將濾波裝置移到閥側的公共繞組處,通過對公共繞組的零阻抗設計,使閥側的特定次諧波電流流入濾波支路,實現與網側繞組的隔離,從而保護船舶電網,又實現了對變流過程中產生的無功功率的補償。由于其繞組的自禍作用,避免了閥側繞組對變壓器和電網的沖擊。

由圖1,圖2知,新型推進變壓器及其濾波系統代替原有推進變壓器及在交流網側實施諧波治理的方案。本文之所以稱新型推進變壓器,是由新型推進變壓器及其濾波系統的技術特點及技術優點決定,與在船舶電力推進系統中的傳統諧波治理方式以示區別。

圖2 新型推進變壓器的繞組接線與電壓相量圖

本文以Synchro電力推進系統為對象,提出一種新型推進變壓器的接線方案,如圖2所示。從推進變壓器沿邊三角形公共端點引出6相,A1,B1,C1,A2,B2,C2分別與變流器連接,共同構成12脈波的換流輸出。

設推進變壓器一次側繞組的三相電壓對稱,即

式中:U1為一次母線相電壓有效值;?為A相電壓初始相位。對新型推進變壓器而言,設一次側、二次側線電壓比為1∶1。可求得閥側繞組線電壓數學表達式為:

式中B為相對于傳統推進變壓器的相位偏移角。

設公共繞組和沿邊繞組電壓有效值為Un和Um,由圖2(b)電壓相量,根據正弦定理可得到

為保證新型推進變壓器滿足12脈波換相的要求,2個二次側的電壓相位差應為π/6電角度,即

式中:w1、w2和w3分別為網側繞組、公共繞組和延邊繞組的匝數,即公共繞組、網側繞組與延邊繞組的匝數比為1.7322和1.9318。

通過調整變壓器二次側延邊繞組與公共繞組的匝比關系,使新型推進變壓器二次側上、下2組繞組的相位與一次側繞組相比分別前移15°,后移15°,2者的相位差為30°,由圖 2電壓向量圖可知,新型推進變壓器二次側線電壓﹒UA1B1與﹒UA2B2,﹒UC1A1與﹒UC2A2,﹒UB1C1與﹒UB2C2之間的相位差均為30°,與線電壓﹒UB1A1,﹒UB2A2,﹒UA1C1,﹒UA2C2,﹒UC1B1,﹒UC2B2共同組成12脈動線電壓。由此表明新型推進變壓器可達到原有Y與△接線組成12脈動同樣的效果,與12脈動傳統推進變壓器提供的脈動線電壓沒有本質區別,只是初始相位存在15°的差別。

該新型推進變壓器閥側繞組采用延邊三角形接線形式,與傳統推進變壓器相比,每相多一套繞組,雖增加了繞組的制造難度,但對于12脈動推進變壓器而言,所有閥側延邊繞組與網側繞組及閥側公共繞組與網側繞組之間的匝比相同,兩組橋換相電抗易保持相同,有利于諧波消除。該新型推進變壓器可采用三相三繞組或單相三繞組型式,當采用單相三繞組型式,構成12脈動推進變壓器時,只要設計一種推進變壓器結構方案,通過閥側繞組不同接線方案來達到12脈動變流器的要求;而傳統推進變壓器因閥側兩套繞組匝數不同,將不得不設計兩種推進變壓器結構方案,必然增加了設計和制造的難度。

3 新型推進變壓器模型仿真

為保證供電安全和滿足大容量負載的要求,電力推進船舶電力系統的電源一般為多臺發電機供電,發電機的原動機多為柴油機和燃汽輪機,電網直接或經過推進變壓器向推進電機及其配套變頻器供電。為了對比分析新型推進變壓器理論與傳統經典模型在穩態運行特性上的差異,本文利用Matlab中的PSB模塊分別建立船舶電力系統經典模型和新型模型的仿真模型。交流推進系統采用6相交一直一交變頻。從理論上講,基于晶閘管的整流和逆變是一對可逆的過程,主電路完全相同,區別只在于觸發角范圍不同,整流時的觸發角從0°～ 90°,逆變時的觸發角從 90°～ 180°(這里暫不考慮換向重疊角和安全裕度角對觸發角范圍的影響)。所以在這里只建模了交直流變換整流部分,其在未建模逆變部分下的仿真結果并不影響整體設計效果。

船舶電力系統仿真模型包括船舶三相電源,線路阻抗,推進變壓器,雙調諧濾波器,同步參考電壓,同步12脈沖發生器,12脈波變流器,直流側平波電抗器等。

本文在觸發角分別為 8°、11°、13°、15°、18°的情況下,對新型推進變壓器的閥側和網側諧波進行了FFT分析,得到的諧波電流含有率和總諧波電流含有率如表1所示。通過對比分析可知,傳統船舶電力系統中,在交流網側接高通濾波和無功補償裝置,電流波形能有所改善,但推進變壓器一次側電流波形畸變仍較大,由于在濾波器設計中要考慮系統阻抗等因素,其濾波作用不能得到充分發揮,濾波效果并不明顯。

表1 兩種推進變壓器網側與閥側的諧波含量

表1可知,采用新型濾波方式后,一次側電流波形在穩態時的畸變率已經很低,新型推進變壓器二次側已經有效抑制了諧波的流通路徑,其交流網側的電流波形十分接近正弦波,濾波效果顯著。這種新型濾波方式僅通過改變變壓器繞組的安匝匹配就達到了有源濾波的效果,沒有增加復雜的諧波檢測和調控裝置。

從諧波分析結果可知,隨著α角的增加,推進變壓器網側和閥側的諧波電流含有率和總電流畸變率呈減大的趨勢,在所分析的情況中,α=8°時達到最大,但對基波的影響也較大,因此在滿足要求的情況下,觸發角應盡量小,使基波幅值不會減小太多。對于要抑制的主要諧波,如以 5、7、11、13次為目標,在同時要使其它次諧波含有率也有所衰減的情況下,建議設計的觸發角在11°左右,這樣可以達到比較好的諧波抑制效果。

4 結語

本文對電力推進船舶電網諧波問題以及已有的諧波抑制方法及相關技術進行分析和總結,在此基礎上,結合電力推進船舶電網的實際需求,針對傳統濾波方法存在的問題,提出一種利用新型推進變壓器結構實施諧波抑制的新型感應濾波技術,對提高當前船舶電力系統面臨的電能質量及滿足現代艦船電磁干擾和隱蔽性的更高要求有一定幫助,有著較高的實用價值和廣闊的市場前景。

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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,助理工程師,研究方向:船舶電氣。