交-交变频电力推进系统的谐波分析

频率的谐波；有源滤波器实际上是一台复杂的控 波吸收或谐波补偿），就需要增加谐波补偿装置，
制装置，它首先检测出不同频率的谐波，然后产生 这样大大增加了电力推进系统的初投资，这是阻
出相位相反的同频率谐波进行补偿，以达到消除 碍电力推进更广泛应用的一个重要因素 . 因此，目
谐波的目的 . 由此看来，在交-交变频电力推进船 前在船舶电力推进系统研究中的两个重要问题就
船舶电力推进系统的谐波生成原因，以及系统输入电流的谐波特点进行了简要的分析 . 在此基础上，对该类系 统的谐波补偿方法进行了探讨 . 指出选用交-交变频船舶电力推进系统时，应采用有源电力滤波器；选型时，应 综合考虑船舶电力推进系统和谐波抑制装置两个方面的因素 .
关键词：船舶电力推进系统；谐波分析；交-交变频器
多谐波成分 . 产生这些谐波有以下Biblioteka Baidu因 . （l）变频电路的输出电压波形是整流电压波
形，其中会有较大谐波，谐波频率为
fl = 6 fi i（ N - l）f0 式中： = l，2，…；N = 2，4，6，…；fi 为电网频 率；f0 为变频电路输出频率 .
（2）电流过零时不平滑，带来一些低次谐波 .
文章编号：1006-773（6 2004）01-0042-03
交-交变频电力推进系统的谐波分析"
聂延生1，王晓岩2，汪涌泉1，黄鹏程1
（1 . 大连海事大学 轮机工程学院，辽宁 大连 116026； 2 . 中海货运大连分公司，辽宁 大连 116001）
摘要：针对目前阻碍船舶电力推进系统更广泛应用的谐波问题，简述了电力系统的谐波危害，并对交-交变频
单相输出的交-交变频电路实质上是一套三 相桥式整流电路的反并联电路 . 电路如图 2 所
" 收稿日期：2003-05-09. 作者简介：聂延生（1956-），男，山东青岛人，副教授 .
第l期
聂延生，等：交-交变频电力推进系统的谐波分析
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示 . 每组桥式整流电路按一定周期相互切换，在负
图 l 三相交 - 交变频电路
以最简单的两个反并联 3 脉波变频电路中的 一相为例进行简要的分析，电路如图 4 所示 .
图 3 输出电压和电流波形
< 0，反向组逆变；② 电流过零； UO > 0，iO > 0， 正向组整流；④ UO < 0，iO > 0，正向组逆变；⑤ 电 流过零；③ UO < 0，iO < 0，反向组整流［3］. 由此不 难看出，变频电路的输出电流除基波外，还会有许
要有 6 相、l2 相和 24 相电路形式 . 系统成本和相 数成正比，系统产生的谐波分量和相数成反比 . 这
导 . 理论分析结果表明，交 交变频电路输入电流 样，不同的电路形式所对应的谐波补偿装置的容
的谐波分量十分复杂，其频率不仅和输入电源频 量也有所不同 . 选型时，应综合考虑船舶电力推进
率、变频电路的结构有关，而且和变频电路的输出 系统和谐波抑制装置两个方面的因素 .
WiIey & Sons，l97l .
（下转第 48 页）
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大连海事大学学报
第 30 卷
量和蒸汽流量之间的关系模型及建立炉膛负压和 喷油量、送风量、引风量和蒸汽流量之间的关系模 型，来对船舶锅炉燃烧控制系统的运行参数进行
优化 . 该控制策略采用了传统的 PID 控制与最优 控制相结合的方法，是作为实现系统长期稳定运 行及取得相应节能效果的措施之一 .
频率有关，其频率通常不是输入频率的整数倍 . 这种谐波特点直接决定了我们在抑制谐波时
3 结束语
所采用的方法 . 我们知道，目前抑制谐波的方法主
电力推进的一个伴生物，就是在船舶电力系
要有两种：一是无源滤波器；二是有源滤波器 . 无 统中产生大量的谐波，使电源质量恶化 . 而要消除
源滤波器以 LC 滤波器为主，通常用于抑制特定 谐波（从专业的角度讲，应该把消除谐波表述为谐
中图分类号：TM464
文献标识码：A
0引言
在近十几年的时间里，船舶电力推进在机动 性、可靠性、运行效率、推进功率等方面都有了突 破性的进展，成为柴油机直接带动螺旋桨推进方 式的强有力的竞争者 . 它不仅在传统的领域，如破 冰 船、挖 泥 船、勘 探 测 量 船 等 占 有 越 来 越 大 的 份 额；在班轮、滚装船、近海客货船方面也显示出极 强的竞争力［1，2］. 船舶电力推进之所以会如此，很 大程度上归功于功率半导体器件的飞速发展 . 采 用功率半导体器件实现的变频装置的作用就是变 流 . 而在变流过程中，使用了电力半导体器件的 开关特性，在其输入和输出侧电压和电流都会出 现波形畸变，产生丰富的谐波 . 电力推进系统的 变频过程，自然就会产生大量的谐波 .
:
!
" 2
: （f !0 :））+ …］
F（P !o :）=
l 2
+ "2［si（n !o : + #o）+
l 3
sin（3 !o :
+ #o）+
l 5
sin（5 !o :
+ #o）+
…］
F（N !o :）=
l 2
- "2［si（n !o : + #o）+
l 3
sin（3 !o :
+ #o）+
l 5
1 交-交变频电力推进系统的谐波 生成
目前电力推进船舶上广泛使用交-交变频器 . 所谓交-交变频就是把交流电源的恒频恒压的电 能不经过中间环节，直接转换成可调频率的电能 . 典型的交-交变频器由三组可逆整流电路组成 . 如 果三个移相信号是一组频率和幅值可调三相正弦 信号，则变频器输出相应的三相交流电压，实现变 频 . 船舶电力推进系统采用的三相交-交变频器如 图 1 所示 . 图中采用了专用的四绕组变压器 . 变压 器的原边和三套副边均采用星形接法 . 从图中不 难看出，这种三相输出的交-交变频电路实际上就 是三套输出电压彼此相差 120 的单相输出交-交 变频电路的组合 . 因此，为简便起见，我们以单相 输出交-交变频器来进行分析 .
l 4
cos（4 !i
:
!
" 2
: （f !0 :））-
l 5
sin（5 !i
:
!
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: （f !0 :））-
l 7
sin（7 !i
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!
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: （f !0 :））+
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cos（8 !i
:
!
" 2
: （f !0 :））+
l l0
cosl（0 !i
:
!
" 2
: （f !0 :））+
l ll
sinl（l !i
sin（5 !o :
+ #o）+
…］
将式（2）、 （3）和（4）代入式（l）并化简，可得
（2） （3） （4）
ia =
omsi（n !o :
+
#o）｛
l 3
+ ""3［sin!i :sin（f !o :）+
l 2
cos2!i :cos2（f !o :）-
l 4
cos4!i :cos4（f !o :）-
对船舶电力系统来讲，谐波使发电机的效率 降低，使电气设备出现过热，产生振动和噪音，并 导致绝缘老化、使用寿命缩短，甚至发生故障或烧 毁 .谐波还会引起船舶继电保护和自动控制装置 的可靠性降低，产生误动作，除此而外，谐波对通 信设备和电子设备会产生严重干扰 . 在电力推进
船舶上，谐波是一个必须要认真对待的问题 . 目前 现有的船舶电力推进系统更多地采用交-交变频 装置 . 本文对此类系统的谐波进行简要的分析 .
流器到底谁真正导通，正向组变流器工作时 FP 等 于 l，反向组变流器工作时 FN 等于 l .
Fa、FP、FN 可分别用下列级数表示：
F（a !i : !
" 2
! （f !0 :））=
l 3
+
""3［si（n !i
:
!
" 2
: （f !0 :））-
l 2
cos（2 !i
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!
" 2
: （f !0 :））-
（3）由 于 输 入 电 流 受 到 输 出 波 形 的 调 制，使 输入电流 中 不 仅 会 有 一 般 整 流 电 路 中 的 特 征 谐 波，而且会有与输出频率有关的谐波，使得整个输 入电流的频谱非常复杂 .
在电力推进船舶上，船舶电站的电能主要就 是提供给变频驱动装置 . 因此其谐波对船舶电站 的影响无疑是巨大的 .
图 2 单相输出交 - 交变频器
载上就获得交变输出电压 UO . UO 的幅值决定于 各组整流电路的控制角 ，UO 的频率决定于两组 整流装置的切换频率 . 输出电压和电流波形如图 3 所示 . 一个周期的波形可分成 6 段：① UO > 0，iO
这些谐波的幅值随输出频率 f0 增大而增大 . 导致 变频电路输出功率下降，驱动电机的脉动转矩加 大，损耗增加，从而限制了电动机的最高转速 .
F（P O ）+ IOmSi（n O + O）
（l）
( ) Fa i + 2 - F（ O ） F（N O ）
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这里采用了两种开关函数 . 一种是反映晶闸 的函数 . 另一种开关函数反映的是正、反向两个变
管受控情况的，就是 Fa，函数值为 l 表示导通，0 表示关断 . F（a !i : - "/ 2 + （f !0 :））和 F（a !i : + "/ 2 - （f !o :））分别反映了图 4 中两组晶闸管的 受控情况，其中 （f !o :）为触发延迟角受输出调制
2 输入电流谐波的分析方法和特点
当人们对电路的谐波进行分析时，传统的方 法是把非正弦波分解为傅里叶级数的形式，除基 波外，频率是基波整数倍的分量即谐波分量 . 但在 分析以交 - 交变频装置为主的电路谐波时，由于 输入电流波形的频谱与主电路的输入和输出频率 都有关，难于采用傅里叶级数对其谐波含量进行 推导，目前普遍采用的方法是开关函数法 . 开关函 数法的基本思想，就是将被分析的波形表示成一 系列已知波形与开关函数的乘积和的形式，再将 其中的已 知 波 形 和 开 关 函 数 写 成 三 角 级 数 的 形 式，通过整理化简，最后将被分析波形也化成三角 级数的形式，从而讨论其中谐波的次数与含量 .
参 考 文 献：
［1］方金和 . 轮机自动化［M］. 大连：大连海事大学出版社，1998 . 290 . ［2］潘 丰，须文波 . 基于 HoneyweII Dcs 的锅炉燃烧稳态优化控制［J］. 电子技术应用，200（3 3）：29-30 . ［3］徐礼国，徐 玲，须文波，等 . 锅炉燃烧系统稳态运行参数优化［J］. 电子技术应用，200（1 7）：40-42 . ［4］熊光楞 . 控制系统数字仿真［M］. 北京：清华大学出版社，1991 . 155-157 . ［5］何玉彬，李新忠 . 神经网络控制技术及其应用［M］. 北京：科学出版社，2000 . 39-45
l 7
cos7!i :cos7（f !o :）-
…］
［si（n !o : + #o）+
l 3
sin（3 !o :
+ #o）+
l 5
sin（5 !o :
+ #o）+
l 7
sin（7 !o :
+ #o）+
…］｝
电力推进系统中采用的交 交变频装置，都
在电力推进系统中采用的交-交变频电路主
可看成由以上基本的 3 脉波交 交变频装置组合 而成，理论上都可以采用以上的方法进行理论推
第 30 卷 第 1 期 2004 年 2 月
大连海事大学学报 Journal of Dalian Maritime University
Vol. 30，No. 1 Feb. ，2004
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l 5
sin5!i :sin5（f !o :）+
l 7
sin7!i :sin7（f !o :）+
…］+
4""23［ -
cos!i :cos（f !o :）-
l 2
sin2!i :sin2（f !o :）+
l 4
sin4!i :sin4（f !o :）+
l 5
cos5!i :cos5（f !o :）-
舶上，为了消除电网的谐波，通常需要采用有源电 是：如何设计出产生尽可能少谐波的变频驱动装
力滤波器 . 但由于其价格较高，导致了整个系统初 置；如何设计出高效、成本低、重量轻的谐波补偿
投资的大幅度提高 .
装置 .
参 考 文 献：
［l］聂延生，李伟光，汪涌泉 . SSP 推进器系统原理及特点分析［J］. 船电技术，200（2 l）：l2-l4 .
图 4 单相输出 3 脉波交 - 交变频电路
设输出电流为
iO = IOmSi（n O + O） 其中： O 为输出波形角频率； O 为输出电流相对 于输出电压零点的初相角 .
若输入端电源角频率为 i，则输入端 a 相的 电流可以表示为
( ) ia = IOmSi（n O + O）Fa i - 2 + （f O ）·
［2］聂延生，林叶锦，汪涌泉，等 . 吊舱式电力推进系统的特点及应用［J］. 世界海运，200（2 l）：38-39 .
［3］马小亮 . 大功率交-交变频调速及矢量控制技术［M］. 北京：机械工业出版社，l999 .
［4］PELLY B R. Thyristor phase-controIIed converters and cycIoconverters：operation，controI and performanc［e M］. New York：John