多相整流技術在大型船舶諧波抑制中的應用研究

劉昌亮

(廣西工業職業技術學院，廣西 南寧 530001)

多相整流技術在大型船舶諧波抑制中的應用研究

劉昌亮

(廣西工業職業技術學院，廣西 南寧 530001)

摘要：大型船舶動力系統中，使用電力推進優勢明顯，但其工作時產生的大量諧波危害巨大。對于諧波問題，解決方法根據不同方向，可分為在電網中加入諧波濾波器和使用多相整流技術兩類辦法。其中，試圖從諧波產生源頭直接抑制諧波的多相整流技術已證明是最根本最有效的解決途徑。本文重點介紹12相與24相整流技術原理，說明脈波數對抑制效果的影響。之后為了進一步驗證，本文利用Simulink平臺對搭載變頻器的電動機進行仿真，分析12脈波變頻器與24脈波變頻器對諧波產生源的影響。最后獲得使用脈波值越高的整流器諧波畸變率越低的結論。

關鍵詞：電力推進；諧波；變頻器；抑制

0引言

相較于大型船舶的常規動力系統，電力推進系統因為具有占據空間小、重量輕、運行成本低、靈活機動且利于維修等優點，受到國內外日益廣泛的關注。然而，在電力推進系統推廣應用的同時，其諧波易引發系統危險的問題亟待解決。首先，諧波增加了整體系統的運行負擔、增大了電壓峰值，使得電路面臨提前老化，容易引起短路的風險[1]。其次，諧波使裝置產生大量熱能、噪聲，使裝置過熱，還可能引發電機共振，增加了系統的事故隱患。此外諧波還會嚴重干擾船上導航、通信系統，改變繼電器工作性能，影響系統保護裝置工作。與使用濾波器部分消除電網諧波的方法相比，無疑在源頭直接進行抵消效果更佳[2]。變頻器是交流電網中諧波的主要來源，可以通過多相整流技術直接控制諧波產生[3]。本文首先介紹了運用多相整流技術抑制諧波的原理，接著搭建一個大型電力推進船舶電網系統的工作模型，使用多相整流技術對其仿真研究，最后對比分析仿真結果，證明高脈沖值多相整流技術的有效性。

1多相整流技術簡介

變頻器主要負擔起穩定系統電壓電流的功能，且消耗大量電網功率。交流電壓通過間接變頻器時，先轉換為直流電壓，再轉換為交流電壓，轉換過程依靠大量非線性元件，從而電路中難免會有大量諧波產生。由于諧波電壓的幅度大小與諧波次數高低負相關，在電子元件不變的情況下，降低諧波危害主要在于低次諧波的抵消。6脈波變頻器通過三相整流技術，使得次序5之前的諧波皆被抵消[4]；12脈波變頻器使用12相整流技術，由2個三相整流器組成，且電壓初始相位相差30°，其諧波次數從11開始；24脈波變頻器通過24相整流技術，使得最低諧波次數減少到23。6脈波變頻器效果已經難以滿足大型船舶的運行要求，本文將主要研究對比12脈波和24脈波變頻器的多相整流效果。

1.1　12相整流

1.1.1基本結構

12相變頻器的電路結構如圖1所示[5]。圖中整流器分為2個三相整流器的聯結，主要通過二極管使得流入的交流電壓轉變為直流電壓。使電網中的交流電壓相位相差30°分別流入2組收納箱鎮流器后，變為脈動頻率較高的12脈波直流電壓。此時，輸入電壓的波動寬為30°，令Up為交流電壓值，則可得到整流后的電壓值：

Uw=Up(1-sin30°)=0.034Up。

圖1　12脈波變頻器電路Fig.1　12—pulse inverter circuit

電路圖中間的直流部分組裝有大容量的電容器，可以吸收高次諧波，抑制電壓波動，提升電路抵抗電壓瞬間波動的能力。最右的逆變部分將直流電壓轉換成電網所需的交流電壓，可看成是整流的逆變換，其功能主要通過開關裝置實現。

1.1.2諧波分析

圖2為整流電路中的三相整流橋，其設計可看成1個Y聯接與三角形聯接的組合，功能是將電壓相位向后順延30°。

圖2　三相整流電路Fig.2　Rectified three-phase circuit

假設整流后輸出的直流值為Id，通過傅里葉變換可算出通過三相橋后的整流電流：

經過整流后，電路中原有的6k±1次諧波中，5,7,17,19等次的諧波消失，只剩下12k±1次諧波。

1.2　24相整流

因為脈波數的限制，大型推進系統在使用12相變頻器時，其諧波仍無法達到標準。理論上使用24相整流可以更好的解決船舶推進變頻器的諧波抑制問題。

1.2.1基本結構

24脈變頻器如圖3所示[6]。其中由4個三相整流器聯結2組變壓器構成整流部分；逆變器由五電平逆變電路構成。電壓經過整流器后，相位相差15°，脈動幅度為：

Uw=Up(1-sin15°)=0.008 57Up。

當整流器脈沖數值增大時，電壓相移逐漸減小，隨之電壓幅度變大，更貼近原來的交流電壓數值。

圖3　24脈波變頻器電路Fig.3　24-pulse inverter circuit

1.2.2諧波分析

通過24脈波電路，電壓相移角：

其中m=-2，-1，0,1。整流電流為

由上述公式可看出，整流后相位為6α的倍數，并且已知兩相同幅度的電流相位相差π時會被抵消。可以計算出當K=4N時，只有諧波中相應的24N±1次諧波不會被抵消即24脈波整流后，諧波從第23次開始。

2變頻器仿真與分析

上述理論計算說明24脈波整流方案的諧波抑制效果較好，更能達到大型電力推進船舶的諧波標準。本文接著將根據某大型LNG船全速航行時的工作情況，以Matlab中Simulink構造變頻器的電力推進的模型，將12脈波變頻器與24脈波變頻器的對比仿真，證明上述方案結果。在本次仿真中，配電電壓額定230 V。并因為實際情況下電纜對整體負載影響較小，在此不計其損耗。根據大型船舶電網正常工作的標準，整流后需達到所有電子裝置諧波含量低于3%，且總畸變率(THD)低于5%的要求。引入LNG最大功率運行時的部分相關參數,如表1所示。

表1　最大功率參數

2.1　12脈波變頻器仿真

經過Simulink處理后，仿真諧波如圖4和圖5所示。

圖4　6.6 kV配電板BUS-HAFig.4　6.6kV switch panel BUS-HA

圖5　6.6kV配電板BUS-HBFig.5　6.6kV switch panel BUS-HB

同時得到波形畸變情況如表2所示。由仿真數據可以看出，通過12脈波多相整流后，變頻器的諧波大小在第11和13次達到峰值，之后漸漸下降。諧波含量最大值接近4%超過規定的3%，諧波總和已經超過國家設定規范的5%達到近7%。所以，使用12脈波多相整流技術不能符合大型船舶運行要求，在實際情況下需要配合濾波器才能達到標準。

表2　12脈波變頻器諧波畸變情況

2.2　24脈波變頻器仿真

經過Simulink處理后，可得到諧波波形如圖6和圖7所示。

圖6　6.6kV配電板BUS-HAFig.6　6.6kV switch panel BUS-HA

圖7　6.6kV配電板BUS-HBFig.7　6.6kV switch panel BUS-HB

得到波形畸變情況如表3所示。

表3　24脈波變頻器諧波畸變情況

由仿真所得畸變率數據可看出，通過24相整流器處理后，6.6 kV配電板諧波含量峰值出現在第23和25次諧波，且峰值含量低于2%；THD約為3%，遠沒有達到標準的5%。所以使用24脈波的多相整

流能夠符合上文規定的大型船舶運行要求。

3結語

本文將通過對不同脈波數的變頻器的對比，研究了大型船舶推進系統中諧波控制的問題。從理論計算和仿真分析2個方面說明，24脈波的變頻器12脈波的變頻器抑制效果更好，處理后的諧波最大含量較低且總含量較小。隨著電子技術的發展，變頻器的制造成本降低，更高層次的脈波變頻器將能投入使用，使用高脈波的變頻器將成為趨勢。

參考文獻：

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SUN Shi-nan.Recent developmental trends of electrical propulsion units of present-day ship[J].Electrical Age,2002(2):9-12.

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

作者簡介：劉昌亮(1981-)，男，講師， 研究方向為工業自動控制。

收稿日期：2014-10-12； 修回日期： 2014-11-23

文章編號：1672-7649(2015)01-0148-04

doi：10.3404/j.issn.1672-7649.2015.01.031

中圖分類號：TP393

文獻標識碼：A