船舶交直交變頻器的特征諧波和間諧波參數(shù)計算

史振宇，王建勛，楊文鐵，徐 林

應(yīng)用研究

船舶交直交變頻器的特征諧波和間諧波參數(shù)計算

史振宇1，王建勛2，楊文鐵2，徐 林2

（1.海裝武漢局駐武漢地區(qū)第三軍事代表室，武漢 430000；2. 武漢第二船舶設(shè)計研究所，武漢 430064）

基于調(diào)制理論建立了交直交變頻器的開關(guān)函數(shù)模型，針對采用不可控整流和逆變器PWM控制的交直交變頻器模型提出了電網(wǎng)輸入端的諧波和間諧波參數(shù)計算方法。針對典型算例對電網(wǎng)輸入端主要次諧波和間諧波的幅值和頻率參數(shù)進行了計算，并通過時域仿真驗證了計算方法的有效性。

交直交變頻器 調(diào)制理論 開關(guān)函數(shù) 諧波 間諧波

0 引言

交直交變頻器在船舶交流傳動裝置中得到了廣泛應(yīng)用，成為了船舶電力系統(tǒng)主要的諧波和間諧波源之一。對典型的交直交變頻裝置進行建模分析，摸清船舶電力系統(tǒng)的諧波和間諧波分布情況，可有效改善船舶電力系統(tǒng)的運行狀況。在電力電子設(shè)備的各種分析方法中，基于開關(guān)函數(shù)定義的調(diào)制理論具有概念清晰和計算量小等優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛用于各種類型電力電子設(shè)備的電氣特征參數(shù)計算[1-8]。文獻[1-2]是對交直交變換器所產(chǎn)生諧波和間諧波的特征頻率進行了討論，文獻[3-4]分析了基于交直交變頻電路結(jié)構(gòu)的HVDC高壓直流輸電系統(tǒng)諧波和間諧波的計算方法，文獻[5-7]討論了在供電電壓理想和三相不平衡等情況下，采用PWM控制方式時交直交變頻器產(chǎn)生的諧波和間諧波整體特性如何計算。為評估交直交變頻器對船舶電力系統(tǒng)的影響，本文將在以上研究的基礎(chǔ)上，對電網(wǎng)輸入端主要次諧波和間諧波的幅值和頻率參數(shù)進行分析，提出適用于電網(wǎng)輸入端主要次諧波和間諧波的幅值和頻率參數(shù)計算的方法，以為船舶電力系統(tǒng)電能質(zhì)量評估提供基礎(chǔ)。

1 基于調(diào)制理論的船舶交直交變頻器拓撲電路建模

船舶交直交變頻器拓撲電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。一般整流器采用不可控整流方式，直流側(cè)配備大容量電容起穩(wěn)壓濾波作用，逆變器采用PWM控制方式。在電網(wǎng)輸入端，諧波來自于對直流側(cè)直流分量的調(diào)制，間諧波來自于對直流側(cè)非特征諧波(相對于整流側(cè))的調(diào)制。

圖1 船舶交直交變頻器拓撲電路

考慮電力電子設(shè)備的工作具有離散采樣和調(diào)制的開關(guān)特性，基于調(diào)制理論可以用開關(guān)函數(shù)表示交直交變頻器中電力電子器件的開關(guān)狀態(tài)，以進一步分析交直交變頻器的諧波和間諧波特性。

對于圖1所示電路左側(cè)的整流器部分，根據(jù)調(diào)制理論[8]，直流側(cè)電壓可和交流側(cè)電壓的關(guān)系以及交流側(cè)電流和直流側(cè)電流的關(guān)系，通過開關(guān)函數(shù)可表示為

同理，針對電路右側(cè)的逆變器部分，滿足：

考慮可能存在的“換相”情況，可推導(dǎo)得到開關(guān)函數(shù)。

對于不可控整流部分，其開關(guān)函數(shù)為

對于采用PWM控制方式的逆變電路部分，其開關(guān)函數(shù)為

2 交直交變頻器的特征諧波和間諧波參數(shù)分析步驟

在計算交直交變頻器的特征諧波和間諧波參數(shù)時，需首先計算換相角，換相角可下式進行計算

基于上述分析，總結(jié)可得計算電網(wǎng)輸入端即整流器交流側(cè)諧波和間諧波參數(shù)的步驟：

1）估計換相角，并根據(jù)逆變器開關(guān)函數(shù)和逆變器交流側(cè)負載參數(shù)計算逆變器在直流側(cè)的等效直流阻抗；

2）根據(jù)整流器的電壓開關(guān)函數(shù)計算直流側(cè)的電壓；

3）根據(jù)逆變器的電壓開關(guān)函數(shù)計算逆變器交流側(cè)的相電壓，并計算逆變器交流負載的相電流；

4）根據(jù)逆變器的電流開關(guān)函數(shù)計算逆變器直流側(cè)的電流，然后計算整流器直流側(cè)的電流；

5）根據(jù)整流器的電流開關(guān)函數(shù)計算整流器交流側(cè)的電流；

6）利用FFT計算整流器交流側(cè)各次諧波或間諧波的幅值和頻率等參數(shù)。

3 仿真算例

為了驗證本文所提電網(wǎng)輸入端主要次諧波和間諧波的幅值和頻率參數(shù)計算方法的正確性，在Matlab/Simulink環(huán)境下構(gòu)建了船舶交直交變頻器仿真模型。仿真參數(shù)設(shè)置為：系統(tǒng)電壓為100 V，系統(tǒng)基頻為50 Hz，等效系統(tǒng)電抗為0.1 mH。逆變器的載波頻率為1080 Hz，驅(qū)動頻率為60 Hz，調(diào)制比為0.8。逆變器交流側(cè)為阻感負載，電阻為10 Ω，電抗為10 mH。仿真得到電網(wǎng)輸入端的主要次諧波間諧波結(jié)果如表1所示。

表1 電網(wǎng)輸入端主要次諧波和間諧波仿真結(jié)果

4 結(jié)論

本文利用調(diào)制理論和開關(guān)函數(shù)建立了交直交變頻器模型，針對采用不可控整流和逆變器PWM控制的交直交變頻器模型提出了電網(wǎng)輸入端的諧波和間諧波參數(shù)計算方法。仿真實例證實了本文所提方法計算得到的電網(wǎng)輸入端的諧波和間諧波頻率分布特征是正確的，且能對幅值較大的主要次諧波和間諧波參數(shù)進行計算。

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Calculation of characteristic harmonic and interharmonic parameters on ship AC/DC/AC frequency converter

Shi Zhenyu, Wang Jianxun, Yang Wentie, Xu Lin

（1. Navy Equipment Department; 2. Wuhan Second Ship Design & Research Institute, Wuhan 430064, China）

TM711

A

1003-4862（2022）07-0043-3

2022-03-03

史振宇（1986-），男，工程師。研究方向為船舶電氣工程。E-mail: 784860777@qq.com