电力推进系统的谐波仿真研究

陈 颖 陈鹏宇

（海军装备部驻上海地区第八军事代表室 上海200011）

0 引 言

随着电力电子技术的发展，采用电力推进的船舶越来越多，尤其是一些配备了大功率用电设备的特种船舶。这些大功率用电设备通常为作业设备，功率远大于日用负载，甚至与推进功率相当。大功率用电设备在船舶全速航行时不使用，仅在作业工况下使用，而此时船舶往往以较低的航速运行。此类船舶采用电力推进的优势就比较明显，可以设置1 个公共电站，为推进、作业设备及日常用电设备提供电源，与采用“柴油机推进+柴油发电机组发电”的动力电力形式相比，可有效减少总装机容量、提高机组的使用效率。

对于电力推进船舶而言，一个需要重点关注的问题就是电网谐波问题。由于采用公共电站，发电机组、电力推进设备、大功率作业设备和日用设备均接在同一电网上，电力推进设备采用大功率变频驱动，大功率作业设备往往也采用变频或整流驱动方式，这些大功率电力电子设备是电网的主要谐波源，向电网注入大量谐波电流，造成电网电压波形畸变。电网谐波超标会造成发电机、电动机和变压器损耗增加，影响仪表的测量精度和通信设备的使用，甚至会造成继电保护、自动控制装置误动作，从而危害船舶的安全航行。因此，对于电力推进公共电网中的主要谐波源提出相应技术要求，控制电网总谐波含量并开展相应的仿真计算，是电力推进船舶电气总体设计的一项重要任务。本文以某测量船为例，分析电网结构和主要谐波源，并用电力系统仿真分析计算软件（Electrical Transient Analysis Program，ETAP）对电网谐波进行仿真计算，验证系统配置的合理性。

1 电力推进船舶公共电网谐波指标要求

目前，各大船级社对电力推进船舶公共电网谐波指标主要是指谐波电压，即电压总谐波失真（Total Harmonic Distortion，THD），其定义为电压波形中所含各次谐波电压的均方根值与基波电压均方根之比，以百分数表示，公式如下：

式中：是总的谐波电压失真，V；V 是阶谐波电压的均方根值，V；是基波电压的均方根值，V。

中国船级社规范规定对于有半导体变换器装置运行的网络，单次谐波至第15次的谐波应不超过标称电压的5%，其后逐渐减少，在第100次谐波时应减少到1%。

2 基于ETAP 软件的电网谐波分析

对于电网的谐波分析，目前主要有人工计算和仿真分析两种方法。人工计算方法一般可依据相关国家标准中的方法进行计算，对电网中不同谐波源的同次谐波进行迭加计算。但是此方法的人工计算量较大，特别是在面对多谐波源，多工况变时态的复杂网络时，人工计算是难以完成的。目前各类谐波分析软件都比较成熟，计算机仿真分析方法也是当前业界进行电网谐波分析的主流方法。

本文选用ETAP软件进行谐波仿真。ETAP是美国OTI公司研发的全图形化的电力系统仿真分析计算高级应用软件。ETAP软件的计算分析模块功能齐全、性能成熟，包含潮流计算模块、短路计算模块、弧闪计算模块、电机起动分析计算模块、谐波分析模块、暂态稳定分析模块、继电保护分析模块、潮流优化分析模块、储能容量估算模块和接地网分析模块等。 利用ETAP中的谐波分析模块，可对电力系统进行电压源和谐波源模拟、谐波问题识别、输出谐波电压和电流失真的仿真分析。由ETAP谐波分析程序对电网谐波进行模拟和分析，可计算不同的谐波源的谐波输出量，对照相关标准，就可发现目前和潜在的电力质量问题以及与谐波相关的安全性问题，找到问题的原因并设计相应的减缓及校正方案。

本文针对实际案例，谐波分析过程包括：在EATP集成图形仿真环境中建立系统图、设置元器件参数、设置谐波源及其工作模式、启动谐波潮流运行以及获得单个设备和系统中（母排）上的各次谐波电压、畸变率等。

3 案例船舶电力系统概述

本文以某测量船为例，进行电网谐波仿真分析。该船主电站配置4台AC690V 50 Hz 1 250 kW柴油发电机组和1台AC690V 50 Hz 600 kW柴油发电机组。推进采用双轴推进形式，单轴电力推进设备包括1台1 800 kW推进电机、1台推进变频器、1台推进变压器，单侧推进变频器为12脉波整流，两舷2台推进变压器移相组成虚拟24脉波整流（原边分别移相±7.5°）。配置2台艏侧推，每台侧推电机功率530 kW ，采用有源前端 （Active Front End，AFE）变频驱动方式。大功率作业设备为非线性负载，采用的是有源全控整流（含功率因数校正），电网输入端功率因数0.99，电网输入端谐波电流占基波电流比例≤10%，主要是第7次谐波，其他次数较低，最大功率需求为1 MW。设置2台互为备用的AC690 V/AC390 V 1 600 kVA日用变压器，为船上AC380 V负载提供电源。该船电力系统图如图1所示。

图1 电力推进系统的单线图

4 设备模型的数据导入

本测量船电力系统的谐波源较多，电站运行情况比较复杂。选取主要的电气设备，建立其仿真模型，在建立ETAP仿真模型过程中，输入以下各主要电气设备的参数。

4台主发电机（G1/G2/G3/G4）参数如表1所示。

表1 主发电机(G1/G2/G3/G4)参数表

1 台主发电机（G5）参数如表2 所示。

表2 主发电机(G5)参数表

推进变压器参数如表3所示。

表3 推进变压器参数表

日用变压器参数如表4所示。

表4 日用变压器参数表

主推进参数如表5所示。

表5 主推进参数表

侧推参数如表6所示。

表6 侧推参数表

大功率作业设备参数如表7所示。

表7 作业设备的参数表

值得一提的是，本船5 台主发电机直轴超瞬态电抗X "标幺值为0.11，比常规要小，这也是出于谐波控制的考虑，可使谐波电流在发电机阻抗处生成的谐波电压也较小，但带来的不利影响是系统短路电流会相应增大，如果不需要因此而选用高一档分断能力的保护断路器，则此方法不失为一种谐波控制的有效方法。

谐波仿真分析工况及各工况下的设备使用情况如表8 所示。

表8 谐波仿真分析工况及设备使用情况

5 仿真计算及结果分析

以ETAP软件建立的电力系统谐波仿真分析模型如图2所示。

图2 电力系统谐波仿真分析模型

各工况下的谐波分析计算结果如下。

5.1 全速航行

全速航行工况主要的谐波源为两舷电力推进设备,为满功率运行，此时使用4 台1 250 kW发电机组和1 台600 kW 发电机组。AC690 V 母排、AC390 V 母排的各次谐波畸变仿真数据如表9 和表10 所示。由表中数据可知：在全速工况下，AC690 V 母排的第25 次谐波和第23 次谐波的含量最高，畸变率分别达到了0.55%和0.53%。AC390 V 母排的第25 次谐波和第23 次谐波的畸变量也是最高，都是0.37%。

表9 全速工况下AC690 V 母排谐波畸变数据

表10 全速工况下AC390 V 母排谐波畸变数据

续表10

5.2 进出港工况

进出港工况下，主要谐波源为两舷电力推进设备、2 台艏侧推，其中电力推进设备功率单舷按460 kW 运行，2 台艏侧推为满功率运行，此时使用3 台1 250 kW 发电机组。AC690 V 母排、AC390 V母排的各次谐波畸变仿真数据如表11 和下页表12所示。由表中数据可知：在进出港工况下，AC690 V母排的第25 次谐波和第23 次谐波的含量最高，畸变率分别达到了0.27%和0.24%。AC390 V 母排的第25 次谐波和第23 次谐波的畸变量也是最高，畸变率分别达到了0.18%和0.17%。

表11 进出港工况下AC690 V 母排谐波畸变数据

表12 进出港工况下AC390 V 母排谐波畸变数据

5.3 作业工况1

作业工况1 下，主要谐波源为两舷电力推进设备、大功率作业设备，其中电力推进设备功率单舷按230 kW 运行，大功率作业设备为满功率运行，此时使用2 台1 250 kW 发电机组。AC690 V 母排、AC390 V 母排的各次谐波畸变仿真数据如表13 和下页表14 所示。由表中数据可知：在作业工况1 下，AC690 V 和AC390 V 母排的最大谐波次数都是第7 次谐波，最大单次谐波的畸变率分别为2.08%和2%。

表13 作业工况1 下AC690 V 母排谐波畸变数据

表14 作业工况1 下AC390 V 母排谐波畸变数据

续表13

5.4 作业工况2

作业工况2 下，主要谐波源为两舷电力推进设备、艏侧推、大功率作业设备，其中电力推进设备功率单舷按460 kW 运行，艏侧推、大功率作业设备为满功率运行，此时使用4 台1 250 kW发电机组。AC690 V 母排、AC39 0V 母排的各次谐波畸变仿真数据如下页表15 和下页表16 所示。由表中数据可知：在作业工况2 下，AC690 V 和AC390 V 母排的最大谐波次数都是第7 次谐波，最大单次谐波的畸变率分别为1.11%和1.07%。

表15 作业工况2 下AC690 V 母排谐波畸变数据

表16 作业工况2 下AC390 V 母排谐波畸变数据

5.5 总谐波含量分析

由ETAP 软件对以上各个典型工况下的电网电压总谐波失真（THD）进行计算，结果汇总如表17 所示。由分析结果可知，电网谐波指标符合规范要求。

表17 各工况谐波分析汇总

6 结 语

采用公共电站的电力推进船舶，在设计之初需要根据船舶运行工况和谐波源情况，提出初步的谐波控制方案，主要包括推进变频器多脉动整流方式、负载谐波电流控制以及对发电机超瞬态电抗值提出要求等，然后采用谐波计算软件对电网总谐波含量进行分析，确保谐波指标符合规范要求。本文所述实船案例未在系统上再配置滤波器等其他谐波控制措施，经ETAP 软件仿真，谐波指标以及实船测量结果均符合要求，证明系统设计合理，在满足性能指标的同时，很好地兼顾了经济性， 为同类型电力推进船舶的设计提供了参考。