“雪龍2”號極地考察船電力系統諧波計算分析*

黃 嶸 姜國榮 袁東方 魏海峰 張 懿

（1.中國極地研究中心 上海 200136）（2.江蘇科技大學電子信息學院 鎮江 212003）

1 引言

在電力系統中，非線性負載產生的諧波對系統本身造成極大危害，具體表現為以下五個方面：1）降低電能生產、傳輸的利用率。2）引起振動和噪聲，導致設備過熱。3）使設備絕緣老化，壽命縮短。4）引起系統局部并聯或串聯諧振，導致電容設備燒毀。5）引起繼電保護和自動裝置誤動作，導致電能計量出現混亂［1］。

“雪龍2”號極地考察船電力推進系統采用ABB公司Azipod?系列設備組成，是船舶電力推進系統中的典型系統。本文以其為研究對象，通過模擬計算系統在各種工況條件下所產生的諧波，并對結果進行匯總與分析，成功驗證了”雪龍2”號總電壓諧波不超過5%，單次諧波不超過3%，可有效改善諧波畸變，提升電能質量。

2 “雪龍2”號極地考察船

“雪龍2”號極地考察船是多功能科考破冰船，設計船長122.5m，船寬22.3m，船深11.8m，吃水深度7.85m，排水量為13990噸級，具有國際領先的雙向破冰能力，能夠在混有陳冰和海冰的兩極水域中航行作業。其艏向和艉向在航行過程中破冰厚度均不低于1.5m，連續破冰速度可達2節～3節。船上裝有先進的考察裝備和全球定位系統，具備兩萬海里續航力，持續作業可以繞地球航行一圈。

3 ABB Azipod?電力推進系統

ABB提供的Azipod?是一種無齒輪型電力推進系統，能全面提升“雪龍2”號極地考察船操作的靈活性、節能性和運營效率。“雪龍2”號配有兩套獨立的24脈沖型電力推進系統。每套系統由兩臺6600V中壓推進變壓器、1臺勵磁變壓器、1套推進輔助配電板400V、1套ABB ACS6000中壓推進變頻器、1臺7.5MW主推進吊艙電機和1套制動電阻組成。

4 模擬諧波計算

SIMSEN模擬工具是專門用來分析電力系統和變頻驅動系統的模擬計算軟件。將相應的元件拖入模擬界面中，通過連接線連接各個元件，設定元件中的參數值，從而完成對電網系統的仿真模型搭建［2］。本文研究基于SIMSEN模擬工具建立“雪龍2”號電力系統仿真模型，通過對不同參數的設置，計算出各系統中的諧波。

基于電壓源連接超瞬態阻抗發電機模型如圖2所示。模型采用d軸和q軸的平均阻抗值。7500kVA發電機組設定額定電壓為6600V，額定頻率為50Hz，直軸超瞬態阻抗x''d為17.7%，q軸超瞬態阻抗x''q為20.1%；5000kVA發電機組設定額定電壓為6600V，額定頻率為50Hz，直軸超瞬態阻抗x''d為20.3%，q軸超瞬態阻抗x''q為22.6%［3～5］。

圖2 發電機模型圖

變壓器可分為三繞組變壓器、兩繞組變壓器和ACS6000變壓器。三繞組變壓器等效電路如圖3所示，其中，3000kVA變壓器的額定初級電壓和額定次級電壓分別為6600V和400V，額定頻率為50Hz，空載勵磁電流為0.004倍的基準值，短路阻抗1-2為0.009倍的基準值，短路感抗1-2為0.0598倍的基準值［6～8］。兩繞組變壓器等效電路如圖4所示，其中，4350kVA的主推進變壓器的額定初級電壓、第二組空載電壓和第三組空載電壓分別為6600V、1680V和1680V，額定頻率為50Hz，空載勵磁電流為0.0045倍的基準值，短路阻抗1-2、1-3、2-3分別為0.008倍、0.008倍、0.009倍的基準值，短路感抗1-2、1-3、2-3分別為0.07倍、0.07倍、0.1倍的基準值，移相角可達+7.5°或-7.5°。本文對系統模型作了進一步簡化，雖與實際系統有所區別，但完全滿足移相角條件，且不會影響電力系統諧波計算的結果［9～11］。

圖3 三繞組變壓器等效電路

圖4 兩繞組變壓器等效電路

ACS6000變壓器等效電路模型如圖5所示。其主要電解電容參數C1、C2、C3、C4分別為10uF、10uF、9.6mF、9.6mF，電阻參數R1、R2、R3分別為2.50hm、2.50hm、10K 0hm，電感參數L1、L2分別為0.005mH、0.005Mh［12］。

圖5 ACS6000變壓器等效電路模型

艏側三相鼠籠式推電機等效模型如圖6所示。1411kVA的推進電機工作的額定電壓為6600V，額定頻率為50Hz，極對數為3，定子按Y型接法，電樞繞組阻抗和漏抗分別為0.0144倍和0.0195倍的基準值，轉子阻抗和漏抗分別為0.012倍和0.12倍的基準值，磁阻為2.79倍的基準值［13］。

圖6 艏側三相鼠籠式推電機等效模型

1486kVA的低壓電機工作的額定電壓為400V，額定頻率為50Hz，極對數為2，定子按Y型接法，電樞繞組阻抗和漏抗分別為0.00375倍和0.0929倍的基準值，轉子阻抗和漏抗分別為0.00417倍和0.085倍的基準值，磁阻為4.17倍的基準值。

5 模擬計算結果

航行工況下，兩臺7500kVA發電機和一臺5000kVA發電機并聯運行，兩臺7500kW推進器滿功率運行，1臺左舷主配電變壓器工作，400V低壓配電板滿負載，1200kW電機滿負載。此時，6600V配電板產生的總諧波畸變為3.220%，單次諧波畸變為2.130%。400V配電板產生的總諧波畸變為3.208%，單次諧波畸變為2.123%［14］。航行工況模擬計算結果如圖7所示。

圖7 航行工況模擬計算結果

破冰工況下，4臺發電機并聯運行，兩臺7500kW推進器滿功率運行，兩臺1200kW艏側推滿功率，1臺左舷主配電變壓器工作，400V低壓配電板滿負載，1200kW電機滿負載。此時，6600V配電板產生的總諧波畸變為2.670%，單次諧波畸變為1.757%［15］。400V配電板產生的總諧波畸變為2.662%，單次諧波畸變為1.752%。

DP工況下，6600V高壓母排斷開，每邊各兩臺發電機并聯運行，兩臺主推進器滿功率運行，兩臺艏側推滿功率運行，兩臺主配電變壓器運行，400V低壓配電板滿負載，兩邊各1200kW電機滿負載。此時，6600V配電板產生的總諧波畸變為2.610%，單次諧波畸變為1.716%。400V配電板產生的總諧波畸變為2.602%，單次諧波畸變為1.711%。

進出港工況下，4臺發電機并聯運行，兩臺推進器滿功率運行，1臺左舷主配電板變壓器工作，兩臺艏側推滿功率運行，400V低壓配電板滿負載，1200kW電機滿負載。此時，6600V配電板產生的總諧波畸變為2.670%，單次諧波畸變為1.757%。400V配電板產生的總諧波畸變為2.662%，單次諧波畸變為1.752%。

科考工況下，兩臺5000kVA發電機并聯運行，兩臺推進器2500kW功率運行，兩臺主配電變壓器工作，400V低壓配電板滿負載，兩邊各1200kW電機滿負載。此時，6600V配電板產生的總諧波畸變為3.407%，單次諧波畸變為2.351%。400V配電板產生的總諧波畸變為3.397%，單次諧波畸變為2.344%。

停泊工況下，諧波畸變不做考慮。

6 結語

本文以”雪龍2”號極地科考船的電力推進系統作為研究對象，利用SIMSEN模擬工具搭建系統模型，通過改變各元件中的參數，模擬不同工況，經多種工況分析計算得出：6600V主配電板的總電壓諧波為2.6%～3.4%；400V配電板總電壓諧波為2.6%～3.4%；最高單次諧波為23次諧波，6600V主配電板最高單次諧波為1.7%～2.4%，400V配電板最高單次諧波為1.7%～2.3%。可有效證明在”雪龍2”號極地科考船電力系統中總諧波不超過5%，單次諧波不超過3%。