电力推进船舶电网谐波抑制仿真研究_图文

1、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32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1

2、2n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:。鬣?mRr.O p。glt”。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

3、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=11sincoot15sin5ot17sin7coot+1ll sinlleoot

4、+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。+l sin(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Thomas Williams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42所示。 图4-212脉

5、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I L=,+L.t:,300h=3n+l=1,4,7,10,22,25,I Ir=ly+la么一30。h-3nl=2,5,8,1l,20,23,(4-3将,。和,。的表达式组合起来,可以得到ly=Ij sinmot一,5sin5a,ot一17sin7mot+IiI sinllmo,+113sinl3coot+4-11sin(ot一30。+309一15sin(5coot一1

6、50。一300一17sin(7a'ot一2100+30。+ 11l sin(11wot一330。一300+113sin(13coor一390。+3004-=2k sin(toot+111sin(1loot+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1

7、2n+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

8、smz,+去sm2s似+卺.】(4一。对于L有:o=竽Ls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

9、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。13l】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。31 武汉理工大学硕士学位论文电流,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1

10、2脉波整流器的仿真图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。lLLCl3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

11、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。23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422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。Z 、2kZ II I l Nm cs丰ORlI 勺要口耋艺幸产2l 'o 口宝>,。Z XZ kL。一_图4-2l桥前采用3次谐波注入的三

12、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VSl3为标准三相正弦电压源,相电压有效值为220V。RLCI3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10-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

13、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。虽然无源PFC有很多优点,如技术成熟,价格犏低:坚固耐用,安全可靠;不用考虑分布电感;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,如需要安装空间大,一般需要板外安装;需要考虑功率损耗和解决发热问题;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;需要过多铜材,体积大,重量大,参数匹配也比较困难;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

14、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l k.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

15、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Transfer Fcnl、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Sine Wavel、求绝对值器Absl、通用表达式Fen4组成,其中Sine Wavel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Transfer Fen2、饱和器Satuation2、通用表达式Fen5组成,F