電力推進系統的諧波仿真研究

陳 穎 陳鵬宇

（海軍裝備部駐上海地區第八軍事代表室 上海200011）

0 引 言

隨著電力電子技術的發展，采用電力推進的船舶越來越多，尤其是一些配備了大功率用電設備的特種船舶。這些大功率用電設備通常為作業設備，功率遠大于日用負載，甚至與推進功率相當。大功率用電設備在船舶全速航行時不使用，僅在作業工況下使用，而此時船舶往往以較低的航速運行。此類船舶采用電力推進的優勢就比較明顯，可以設置1 個公共電站，為推進、作業設備及日常用電設備提供電源，與采用“柴油機推進+柴油發電機組發電”的動力電力形式相比，可有效減少總裝機容量、提高機組的使用效率。

對于電力推進船舶而言，一個需要重點關注的問題就是電網諧波問題。由于采用公共電站，發電機組、電力推進設備、大功率作業設備和日用設備均接在同一電網上，電力推進設備采用大功率變頻驅動，大功率作業設備往往也采用變頻或整流驅動方式，這些大功率電力電子設備是電網的主要諧波源，向電網注入大量諧波電流，造成電網電壓波形畸變。電網諧波超標會造成發電機、電動機和變壓器損耗增加，影響儀表的測量精度和通信設備的使用，甚至會造成繼電保護、自動控制裝置誤動作，從而危害船舶的安全航行。因此，對于電力推進公共電網中的主要諧波源提出相應技術要求，控制電網總諧波含量并開展相應的仿真計算，是電力推進船舶電氣總體設計的一項重要任務。本文以某測量船為例，分析電網結構和主要諧波源，并用電力系統仿真分析計算軟件（Electrical Transient Analysis Program，ETAP）對電網諧波進行仿真計算，驗證系統配置的合理性。

1 電力推進船舶公共電網諧波指標要求

目前，各大船級社對電力推進船舶公共電網諧波指標主要是指諧波電壓，即電壓總諧波失真（Total Harmonic Distortion，THD），其定義為電壓波形中所含各次諧波電壓的均方根值與基波電壓均方根之比，以百分數表示，公式如下：

式中：是總的諧波電壓失真，V；V 是階諧波電壓的均方根值，V；是基波電壓的均方根值，V。

中國船級社規范規定對于有半導體變換器裝置運行的網絡，單次諧波至第15次的諧波應不超過標稱電壓的5%，其后逐漸減少，在第100次諧波時應減少到1%。

2 基于ETAP 軟件的電網諧波分析

對于電網的諧波分析，目前主要有人工計算和仿真分析兩種方法。人工計算方法一般可依據相關國家標準中的方法進行計算，對電網中不同諧波源的同次諧波進行迭加計算。但是此方法的人工計算量較大，特別是在面對多諧波源，多工況變時態的復雜網絡時，人工計算是難以完成的。目前各類諧波分析軟件都比較成熟，計算機仿真分析方法也是當前業界進行電網諧波分析的主流方法。

本文選用ETAP軟件進行諧波仿真。ETAP是美國OTI公司研發的全圖形化的電力系統仿真分析計算高級應用軟件。ETAP軟件的計算分析模塊功能齊全、性能成熟，包含潮流計算模塊、短路計算模塊、弧閃計算模塊、電機起動分析計算模塊、諧波分析模塊、暫態穩定分析模塊、繼電保護分析模塊、潮流優化分析模塊、儲能容量估算模塊和接地網分析模塊等。 利用ETAP中的諧波分析模塊，可對電力系統進行電壓源和諧波源模擬、諧波問題識別、輸出諧波電壓和電流失真的仿真分析。由ETAP諧波分析程序對電網諧波進行模擬和分析，可計算不同的諧波源的諧波輸出量，對照相關標準，就可發現目前和潛在的電力質量問題以及與諧波相關的安全性問題，找到問題的原因并設計相應的減緩及校正方案。

本文針對實際案例，諧波分析過程包括：在EATP集成圖形仿真環境中建立系統圖、設置元器件參數、設置諧波源及其工作模式、啟動諧波潮流運行以及獲得單個設備和系統中（母排）上的各次諧波電壓、畸變率等。

3 案例船舶電力系統概述

本文以某測量船為例，進行電網諧波仿真分析。該船主電站配置4臺AC690V 50 Hz 1 250 kW柴油發電機組和1臺AC690V 50 Hz 600 kW柴油發電機組。推進采用雙軸推進形式，單軸電力推進設備包括1臺1 800 kW推進電機、1臺推進變頻器、1臺推進變壓器，單側推進變頻器為12脈波整流，兩舷2臺推進變壓器移相組成虛擬24脈波整流（原邊分別移相±7.5°）。配置2臺艏側推，每臺側推電機功率530 kW ，采用有源前端 （Active Front End，AFE）變頻驅動方式。大功率作業設備為非線性負載，采用的是有源全控整流（含功率因數校正），電網輸入端功率因數0.99，電網輸入端諧波電流占基波電流比例≤10%，主要是第7次諧波，其他次數較低，最大功率需求為1 MW。設置2臺互為備用的AC690 V/AC390 V 1 600 kVA日用變壓器，為船上AC380 V負載提供電源。該船電力系統圖如圖1所示。

圖1 電力推進系統的單線圖

4 設備模型的數據導入

本測量船電力系統的諧波源較多，電站運行情況比較復雜。選取主要的電氣設備，建立其仿真模型，在建立ETAP仿真模型過程中，輸入以下各主要電氣設備的參數。

4臺主發電機（G1/G2/G3/G4）參數如表1所示。

表1 主發電機(G1/G2/G3/G4)參數表

1 臺主發電機（G5）參數如表2 所示。

表2 主發電機(G5)參數表

推進變壓器參數如表3所示。

表3 推進變壓器參數表

日用變壓器參數如表4所示。

表4 日用變壓器參數表

主推進參數如表5所示。

表5 主推進參數表

側推參數如表6所示。

表6 側推參數表

大功率作業設備參數如表7所示。

表7 作業設備的參數表

值得一提的是，本船5 臺主發電機直軸超瞬態電抗X "標幺值為0.11，比常規要小，這也是出于諧波控制的考慮，可使諧波電流在發電機阻抗處生成的諧波電壓也較小，但帶來的不利影響是系統短路電流會相應增大，如果不需要因此而選用高一檔分斷能力的保護斷路器，則此方法不失為一種諧波控制的有效方法。

諧波仿真分析工況及各工況下的設備使用情況如表8 所示。

表8 諧波仿真分析工況及設備使用情況

5 仿真計算及結果分析

以ETAP軟件建立的電力系統諧波仿真分析模型如圖2所示。

圖2 電力系統諧波仿真分析模型

各工況下的諧波分析計算結果如下。

5.1 全速航行

全速航行工況主要的諧波源為兩舷電力推進設備,為滿功率運行，此時使用4 臺1 250 kW發電機組和1 臺600 kW 發電機組。AC690 V 母排、AC390 V 母排的各次諧波畸變仿真數據如表9 和表10 所示。由表中數據可知：在全速工況下，AC690 V 母排的第25 次諧波和第23 次諧波的含量最高，畸變率分別達到了0.55%和0.53%。AC390 V 母排的第25 次諧波和第23 次諧波的畸變量也是最高，都是0.37%。

表9 全速工況下AC690 V 母排諧波畸變數據

表10 全速工況下AC390 V 母排諧波畸變數據

續表10

5.2 進出港工況

進出港工況下，主要諧波源為兩舷電力推進設備、2 臺艏側推，其中電力推進設備功率單舷按460 kW 運行，2 臺艏側推為滿功率運行，此時使用3 臺1 250 kW 發電機組。AC690 V 母排、AC390 V母排的各次諧波畸變仿真數據如表11 和下頁表12所示。由表中數據可知：在進出港工況下，AC690 V母排的第25 次諧波和第23 次諧波的含量最高，畸變率分別達到了0.27%和0.24%。AC390 V 母排的第25 次諧波和第23 次諧波的畸變量也是最高，畸變率分別達到了0.18%和0.17%。

表11 進出港工況下AC690 V 母排諧波畸變數據

表12 進出港工況下AC390 V 母排諧波畸變數據

5.3 作業工況1

作業工況1 下，主要諧波源為兩舷電力推進設備、大功率作業設備，其中電力推進設備功率單舷按230 kW 運行，大功率作業設備為滿功率運行，此時使用2 臺1 250 kW 發電機組。AC690 V 母排、AC390 V 母排的各次諧波畸變仿真數據如表13 和下頁表14 所示。由表中數據可知：在作業工況1 下，AC690 V 和AC390 V 母排的最大諧波次數都是第7 次諧波，最大單次諧波的畸變率分別為2.08%和2%。

表13 作業工況1 下AC690 V 母排諧波畸變數據

表14 作業工況1 下AC390 V 母排諧波畸變數據

續表13

5.4 作業工況2

作業工況2 下，主要諧波源為兩舷電力推進設備、艏側推、大功率作業設備，其中電力推進設備功率單舷按460 kW 運行，艏側推、大功率作業設備為滿功率運行，此時使用4 臺1 250 kW發電機組。AC690 V 母排、AC39 0V 母排的各次諧波畸變仿真數據如下頁表15 和下頁表16 所示。由表中數據可知：在作業工況2 下，AC690 V 和AC390 V 母排的最大諧波次數都是第7 次諧波，最大單次諧波的畸變率分別為1.11%和1.07%。

表15 作業工況2 下AC690 V 母排諧波畸變數據

表16 作業工況2 下AC390 V 母排諧波畸變數據

5.5 總諧波含量分析

由ETAP 軟件對以上各個典型工況下的電網電壓總諧波失真（THD）進行計算，結果匯總如表17 所示。由分析結果可知，電網諧波指標符合規范要求。

表17 各工況諧波分析匯總

6 結 語

采用公共電站的電力推進船舶，在設計之初需要根據船舶運行工況和諧波源情況，提出初步的諧波控制方案，主要包括推進變頻器多脈動整流方式、負載諧波電流控制以及對發電機超瞬態電抗值提出要求等，然后采用諧波計算軟件對電網總諧波含量進行分析，確保諧波指標符合規范要求。本文所述實船案例未在系統上再配置濾波器等其他諧波控制措施，經ETAP 軟件仿真，諧波指標以及實船測量結果均符合要求，證明系統設計合理，在滿足性能指標的同時，很好地兼顧了經濟性， 為同類型電力推進船舶的設計提供了參考。