电力推进船舶电网谐波抑制仿真研究

武汉理工大学
硕士学位论文
电力推进船舶电网谐波抑制仿真研究
姓名：宋艳琼
申请学位级别：硕士
专业：轮机工程
指导教师：陈辉
20070401
自动分成６脉动和１２脉动系统．。

变压过来的交流电输送给变频器，通过变频器控制电机的速度和转矩，推进负载由负载电机提供，将推进电机和负载电机对轴连接，原动力和负载均采用一台１８０ＫＷ的电机。

闭合图３．１的开关后，图３—２中采用两个６脉波换流桥串联的方式，构成一个１２脉波换流桥，换流桥交流侧变压器分别为△－△和△．Ｙ接法，相位相差３０４。

在１２脉波整流桥中，两个６脉波整流桥分别产生的谐波电压的反相分量将抵消，只有同相分量在线路中产生谐波电流。

因而，直流侧产生的谐波电压主要是１２ｎ次，由于这些特征谐波电压和理想直流电压都是每个６脉波换流器相应电压的２倍，因此总特征谐波电压与直流电压的比值与单个６脉波换流器相同。

７品：。

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ｇ…ｌｔ”。

图３－１电力推进仿真实验室的系统流程图图３－２１２脉波整流桥１２脉冲整流方式下的电流比６脉冲的波动要小，通常采用多桥换流器，即将多个三相整流桥在交流侧并联和在直流侧串联，能降低谐波含量，起到一定的平波效果，有利于系统的稳定运行，减少对通讯及其它设备的电磁干扰。

如果船东对电网电能的质量要求不仅仅是满足船级社规定的话，就可选用２４脉波，如１９９８年投入使用的航行于地中海和加勒比海的豪华游｝扩ＯｒａｎｄＰｒｉｎｃｅｓｓ”就是采用西门子公司提供的２４脉波Ｓｙｎｃｈｒｏ电力推进系统。

该船长２９０ｍ，载客量２６００人，船员人数１１５０。

该船投入运行后，西门子公司对该船电网在各种工况下的谐波失真情况进行了实船测量，证实完全满足船级社的有关规定【１２１。

２）脉宽调制整流技术
原边绕组和两个副边绕组构成，两个副边输出各接一台整流桥。

如图４．１所示，两个相同的６脉波整流器通过ＶＹ和Ｙ－△联结的变压器并联运行的１２脉波整流器的拓扑结构。

确定变压器的电压比使得施加在两个变流器上的电压幅值相同。

如果Ｙ吖联结的６脉波整流器的相电流为方波，则Ｊ。

可以表达为
ｌｙ＝１１ｓｉｎｃｏｏｔ—１５ｓｉｎ５∞ｏｔ—１７ｓｉｎ７ｃｏｏｔ＋１ｌｌｓｉｎｌｌｅｏｏｔ＋１１３ｓｉｎｌ３ｍｏｔ＋…（４．１）如果施加在△联结的变流器上的电压滞后３０。

并假定电流的幅值相同，则ｌｙ＝１１ｓｉｎ（ＣＯｏｔ一３００）一１５ｓｉｎ（５ｃｏｏｔ一１５０。

）一１７ｓｉｎ（７０Ｔｏｔ一２１０。

）＋
‘ｌｓｉｎ（１ｌＣＯｏｔ一３３０。

）＋１１３ｓｉｎ（１３ｃｏｏｔ－３９００）＋…（４－２）Ｇｎｕｐｌｏｔ是一个比较强大的绘图软件包，是由Ｃｏｌｉｎ趾ｔｔｅ，ｓ和ＴｈｏｍａｓＷｉｌｌｉａｍｓ于１９８６年开发的绘图程序发展而来的，可以在多个平台下使用。

Ｇｎｕｐｌｏｔ既支持命令行交互模式，也支持脚本。

因此，通过Ｇｎｕｐｌｏｔ很容易画出变压器二次侧和三次侧的电流，，，和Ｌ的波形，如图４＾２所示。

图４－２１２脉波整流器的二次侧和三次侧电流
对于Ｙ－△联结的变压器，高压侧正序电压和电流比低压侧超前３０。

，而高压侧负序电压和电流比低压侧滞后３０。

．因此在高压侧，，。

的标幺值是相同的。

另一方面，Ｉｄ的正序和负序谐波分别移相＋３０。

和－３０。

所以
ＩＬ＝，，＋Ｌ．ｔ：，３００ｈ＝３ｎ＋ｌ＝１，４，７，１０，…，２２，２５，…
ＩＩｒ＝ｌｙ＋ｌａ么一３０。

ｈ－－３ｎ—ｌ＝２，５，８，１ｌ，…，２０，２３，…（４－３）将，。

和，。

的表达式组合起来，可以得到
ｌｙ＝Ｉｊｓｉｎｍｏｔ一，５ｓｉｎ５ａ，ｏｔ一１７ｓｉｎ７ｍｏｔ＋ＩｉＩｓｉｎｌｌｍｏ，＋１１３ｓｉｎｌ３ｃｏｏｔ＋…４－
１１ｓｉｎ（∞ｏｔ一３０。

＋３０９一１５ｓｉｎ（５ｃｏｏｔ一１５０。

一３００）一１７ｓｉｎ（７ａ＇ｏｔ一２１００＋３０。

）＋１１ｌｓｉｎ（１１ｗｏｔ一３３０。

一３００）＋１１３ｓｉｎ（１３ｃｏｏｒ一３９０。

＋３００）４－…
＝２ｋｓｉｎ（ｔｏｏｔ）＋１１１ｓｉｎ（１ｌｏ）ｏｔ）＋１１３ｓｉｎ（１３ｔＯｏｔ）＋一切（“）通过Ｃｍｕｐｌｏｔ画出‘、Ｉｙ和Ｉａ的波形，Ｉｒ的波形绘于图４－３中，ｌｙ辛ｆＤＩｄ的波形如图４．２所示。

图４．３１２脉波整流器的一次侧电流
ｊ。

的上述表达式揭示了所谓特征谐波的概念，特征谐波次数为１１，１３，２３，２５，３５，３７，…，即
ｈ＝１２ｎ±ｌ，ｉｖ／＝１，２，３，…（４＿５）其中ｎ＝ｌ，２，３，…。

１２脉波整流器正是根据上述特征谐波为１２ｎ＋１次的结果而命名的。

６脉波整流器一般产生５，７，１７，１９，…次谐波，产生的谐波次数为
ｈ＝６ｎ±ｌ，以＝１，２，３，…（４－６）一个Ｐ脉波整流器将产生的谐波次数为
ｈ＝ｐｎ±１，胛＝１，２，３，…（４－７）更进一步，形状接近方波的合成相电流的谐波含量有一个理论值㈣
～２争“去“－８）
由此可以看出，对电网而言，两个整流桥产生的５，７，１７，１９，…次谐波相互抵消，只有１２ｋ±１次谐波。

１２脉波整流的输入电流波形质量比６脉动整流时有很大提高。

具体地说，就是注入电网的只有１１次、１３次、２３次、２５次、３７次、…谐波。

如果在电网侧步并联有两组Ｌｃ无源滤波器，对１１次、１３次谐波进行补
去ｓｍｚ，∽＋≥＋去ｓｍ２ｓ似＋卺）．．…】（４一。

）对于Ｌ有：
ｏ＝竽Ｌ［ｓ蚴＋磊一习１／＂＋击ｓ删耐＋老＋静＋吉删ｓ耐＋鲁一静＋去ｓ呱２３耐＋鲁＋≥＋去ｓｉｎ（２ｓ耐＋西２／＂一静…··】ｃａ一·∞．则电网侧合成电流为：
Ｌ刮。

“。

’＝譬ＬＩ时ｎ耐＋寺咖２，研＋去ｓ．ｍ２ｓ加…·｝（｝ｕ）此时电网侧电流仅含有２４ｋ＿＋１次谐波，电网的谐波含量进一步降低了。

２４脉动整流的输入电流波形已经基本接近正弦波。

通过Ｇｎｕｐｌｏｔ画出ＩＡ的波形，如图４．５所示。

图４．５２４脉波整流器的电网侧合成电流
由上面的分析也可以看出，相角相差１５。

＋ｎＸ３０。

（ｎ为整数）时，也能与相角相差１５。

时得出同样的结果。

可以得出结论，以ｍ个相位相差ｚ／３ｒａ的变压器分别供电的三相桥式整流电路可以构成６ｍ脉动的整流电路，其网侧电流仅含有６ｍ±１次谐波，并且各次谐波有效值与其次数成反比，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。

也就是说，相数越多，谐波含量越小，相应的基波因数也随着相数的提高而提高，功率因数相应提高。

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由上面的理论分析可以得出结论：多相整流技术是抑制谐波的有效途径。

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电流，但是这样带来设计复杂、成本升高。

为此可以综合考虑，采用一级移相来抑制主要次谐波电流。

如果主要滤除影响比较大的５次、７次谐波电流，可以选择口＝ｌｒ，此时三相移相电抗器的电压相量如图４－１６所示。

１）基于三相移相电抗器的１２脉波整流器的仿真
基于图４－１７，采用ＭＡＴＬＡＢ７．０的ＳＩＭＵＬＩＮＫ６．０建立如图４．１８所示的仿真模型。

其模型仿真参数设置为：变步长，最大步长为ｌｅ．６ｓ，相对精度为１ｅ．３，算法选择ｏｄｅ２３ｔ（ｍｏｄ．ｓｔｉｆｆ／ｔｒａｐｅｚｏｉｄａｌ）。

图４－１７桥前采用移相电抗器的三相无源ＰＦＣ电路
图４－１８采用移相电抗器的三相无源ＰＦＣ仿真电路
在图４．１８中ＶＳＩ－３为标准三相正弦电压源，相电压有效值为２２０Ｖ。

ｌＬＬＣｌ￣３为三相输入电抗器，取值为ｌｍＨ，为了便于收敛，串联０．０１ｆ２的电阻。

ＲＬＣ４为桥后平波电抗器，取值为ｌＯ沁Ｉ。

ＲＬＣ５为电解电容，取值为１８４ＣＩ心。

ＲＬＣ６为电阻负载，取值为５０Ｑ。

图４．１８中的表格为输入电流０－１９次谐波电流幅值，其中基波电流幅值为９．７Ａ，３次谐波电流的幅值为０．３４Ａ，５次谐波电流的幅值为１１２５Ａ，７次谐波电流的幅值为Ｏ．５４Ａ。

图４－１９三相耦合电感与１２脉波整流桥接线图４－２０１２脉波整流桥拓扑结构
Ｓｕｂｓｙｓｔｅｍｌ为子系统，如图４－１９所示，包括三只三相耦合电感Ｍ１１、Ｍ１２和Ｍ１３，还包括一个１２脉波不控整流桥，其中整流桥的拓扑结构如图４－２０所示。

２）３次谐波注入的６脉波整流技术的仿真
基于图４－２１，建立如图４—２２所示的３次谐波注入三相ＰＦＣ电路的仿真模型。

其模型仿真参数设置为：变步长。

最大步长为１ｅ．６ｓ，相对精度为ｌｅ－３，算法选择ｏｄｅ２３ｔ（ｒｏｏｄ．ｓｔｉｆｆ／ｔｒａｐｅｚｏｉｄａｌ）。

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图４－２ｌ
桥前采用３次谐波注入的三相无源ＰＦＣ电路
图４＿２２３次谐波注入的三相无源ＰＦＣ仿真电路
在图睨２中ＶＳｌ￣３为标准三相正弦电压源，相电压有效值为２２０Ｖ。

ＲＬＣＩ～３为桥前三相滤波电容，取值为５０心，为了便于收敛，串联０．ＯｌＱ的电阻。

ＲＬＣ４－－６为桥前三相滤波电感，取值为１０１．ｔＨ。

ＲＬＣ７为桥后电抗器，取值为１０Ⅲ－Ｉ。

ＲＬＣ７和ＲＬＣ９为电解电容，单只取值为１８４（｝¨Ｆ。

ＲＬＣｌ０和ＲＬＣｌｌ为等值均压电阻，取值为５０ｆ１。

ＭＩｌ为三相耦合电感，绕组１、２和３的自阻和自感均为０．０００１ｆ２和２００ｍｑ，互阻和互感分别为Ｏ．ＩＫ２和１５０肛Ｈ。

图４．１８中的表格为输入电流的０－－１９次谐波电流幅值，其中基波电流幅值为８．１５Ａ，３次谐波电流的幅值为０．０４Ａ，５次谐波电流的幅值为１。

５３Ａ，７次谐波电流的幅值为０．６２Ａ。

４．３．２高功率因数有源变流器（ＡＰＦ０）的仿真
虽然无源ＰＦＣ有很多优点，如①技术成熟，价格犏低：②坚固耐用，安全可靠；③不用考虑分布电感；④合适的方案和布线可以降低系统产生的电磁干扰（ＥＭＩ）强度，并且提高电磁敏感度（ＥＭＳ）水平等。

但是也有许多不足，如①需要安装空间大，一般需要板外安装；②需要考虑功率损耗和解决发热问题；
③电压损失过大，随着负载电流的增加，电压损失加重，而且不能升压和调压；
④需要过多铜材，体积大，重量大，参数匹配也比较困难；⑤电流谐波抑制效
图４．２５传统单相有源ＰＦＣ系统的仿真电路
在图４－２５中ＶＳｌ为标准单相正弦电压源，电压有效值为２２０Ｖ．ＲＬＣｌ为输入滤波电容，取值为３．３心，为了便于收敛，串联Ｏ．ＯｌＱ的电阻。

ＲＬＣ２为ｌｍＨ的升压电感。

ＲＬＣ３为桥后直流侧并联电阻，取值为５１ｋＱ。

ＲＬＣ４为功率级无感电阻，取值为０．０１５Ｑ，负责检测电感电流瞬时值。

ＲＬＣ５为电解电容，容值为１４１ＣｌｕＦ。

ＲＬＣ６为电阻负载，取值为５０１７１。

ＲＬＣ７与ＲＬＣ８为分压电阻，构成ｌ：８０的比例，提供电压反馈信号，对应空载输出直流电压为４００Ｖ，ＲＩＣ７取值为７９ｋＱ，ＲＬＣ８取值为ｌｋ．Ｏ。

Ｄ５一Ｄ８构成单相整流桥，也可以采用通用整流桥。

ＭＯＳＦＥＴｌ为功率开关，ＦＲＤＩ为反向快恢复功率二极管。

以上组成功率电路。

在控制电路部分中，三角波发生电路由时钟Ｃｌｏｃｋｌ、采样保持器ＺＯＨｌ、复合器Ｍｕｘ２以及通用表达式Ｆｃｎ３构成，采样时间为０．００００２ｓ，得到开关频率为５０ｋＨＺ、幅值为２．５的锯齿波。

电压滤波器由常数Ｃｏｎｓｔａｎｔｌ、加法器Ａｄｄｌ、传递函数ＴｒａｎｓｆｅｒＦｃｎｌ、饱和器Ｓａｔｕａｔｉｏｎ２组成，完成对负载电压的检测与给定电压的比较、滤波和放大，饱和上限为＋１５ｖ，下限为一１５ｖ．输入交流电压波形检测部分由正弦发生器ＳｉｎｅＷａｖｅｌ、求绝对值器Ａｂｓｌ、通用表达式Ｆｅｎ４组成，其中ＳｉｎｅＷａｖｅｌ的幅值为０．０５Ｖ，与电源ＶＳｌ波形和相位完全一致，Ｆｃｎ４负责补偿
过零失真。

上述两者结果经过乘法器Ｐｒｏｄｕｃｔｌ相乘后的乘积为输入参考电流信号，与电压表ＶＭ２检测得到的电感电流信号相比较作为电流ＰＩ调节器的输入。

电流ＰＩ调节器由传递函数ＴｒａｎｓｆｅｒＦｅｎ２、饱和器Ｓａｔｕａｔｉｏｎ２、通用表达式Ｆｅｎ５组成，Ｆｃｎ５负责改善输入电流波形，得到的结果通过Ｍｕｘ３复合和通用表达式Ｆｃｎ３与锯齿波相比较得到ＰＷＭ脉冲，驱动Ｍｏｓｆｅｔｌ开通与关断。

Ｓｔｅｐｌ为阶跃信号，阶跃时刻为Ｏ．０２ｓ，用于延时启动控制电路。

ｇｅｐｅａｔｉｎｇＳｅｑｕｅｎｃｅ为频率２０ｋＨＺ、幅值ｐｌ的锯齿波发生器，也可以构造相似的三角波发生器代替锯齿波发生器。

图４—２６输入电压与输入电流波形图４－２７锯齿波与最终控制信号波形
图４—２８输出直流电压波形
进行仿真分析，系统进入稳态后，图４－２（５所示给出了输入电压与输入电流。