黄 嵘 姜国荣 袁东方 魏海峰 张 懿

（1.中国极地研究中心 上海 200136）（2.江苏科技大学电子信息学院 镇江 212003）

1 引言

在电力系统中，非线性负载产生的谐波对系统本身造成极大危害，具体表现为以下五个方面：1）降低电能生产、传输的利用率。2）引起振动和噪声，导致设备过热。3）使设备绝缘老化，寿命缩短。4）引起系统局部并联或串联谐振，导致电容设备烧毁。5）引起继电保护和自动装置误动作，导致电能计量出现混乱［1］。

“雪龙2”号极地考察船电力推进系统采用ABB公司Azipod®系列设备组成，是船舶电力推进系统中的典型系统。本文以其为研究对象，通过模拟计算系统在各种工况条件下所产生的谐波，并对结果进行汇总与分析，成功验证了”雪龙2”号总电压谐波不超过5%，单次谐波不超过3%，可有效改善谐波畸变，提升电能质量。

2 “雪龙2”号极地考察船

“雪龙2”号极地考察船是多功能科考破冰船，设计船长122.5m，船宽22.3m，船深11.8m，吃水深度7.85m，排水量为13990吨级，具有国际领先的双向破冰能力，能够在混有陈冰和海冰的两极水域中航行作业。其艏向和艉向在航行过程中破冰厚度均不低于1.5m，连续破冰速度可达2节～3节。船上装有先进的考察装备和全球定位系统，具备两万海里续航力，持续作业可以绕地球航行一圈。

3 ABB Azipod®电力推进系统

ABB提供的Azipod®是一种无齿轮型电力推进系统，能全面提升“雪龙2”号极地考察船操作的灵活性、节能性和运营效率。“雪龙2”号配有两套独立的24脉冲型电力推进系统。每套系统由两台6600V中压推进变压器、1台励磁变压器、1套推进辅助配电板400V、1套ABB ACS6000中压推进变频器、1台7.5MW主推进吊舱电机和1套制动电阻组成。

4 模拟谐波计算

SIMSEN模拟工具是专门用来分析电力系统和变频驱动系统的模拟计算软件。将相应的元件拖入模拟界面中，通过连接线连接各个元件，设定元件中的参数值，从而完成对电网系统的仿真模型搭建［2］。本文研究基于SIMSEN模拟工具建立“雪龙2”号电力系统仿真模型，通过对不同参数的设置，计算出各系统中的谐波。

基于电压源连接超瞬态阻抗发电机模型如图2所示。模型采用d轴和q轴的平均阻抗值。7500kVA发电机组设定额定电压为6600V，额定频率为50Hz，直轴超瞬态阻抗x''d为17.7%，q轴超瞬态阻抗x''q为20.1%；5000kVA发电机组设定额定电压为6600V，额定频率为50Hz，直轴超瞬态阻抗x''d为20.3%，q轴超瞬态阻抗x''q为22.6%［3～5］。

图2 发电机模型图

变压器可分为三绕组变压器、两绕组变压器和ACS6000变压器。三绕组变压器等效电路如图3所示，其中，3000kVA变压器的额定初级电压和额定次级电压分别为6600V和400V，额定频率为50Hz，空载励磁电流为0.004倍的基准值，短路阻抗1-2为0.009倍的基准值，短路感抗1-2为0.0598倍的基准值［6～8］。两绕组变压器等效电路如图4所示，其中，4350kVA的主推进变压器的额定初级电压、第二组空载电压和第三组空载电压分别为6600V、1680V和1680V，额定频率为50Hz，空载励磁电流为0.0045倍的基准值，短路阻抗1-2、1-3、2-3分别为0.008倍、0.008倍、0.009倍的基准值，短路感抗1-2、1-3、2-3分别为0.07倍、0.07倍、0.1倍的基准值，移相角可达+7.5°或-7.5°。本文对系统模型作了进一步简化，虽与实际系统有所区别，但完全满足移相角条件，且不会影响电力系统谐波计算的结果［9～11］。

图3 三绕组变压器等效电路

图4 两绕组变压器等效电路

ACS6000变压器等效电路模型如图5所示。其主要电解电容参数C1、C2、C3、C4分别为10uF、10uF、9.6mF、9.6mF，电阻参数R1、R2、R3分别为2.50hm、2.50hm、10K 0hm，电感参数L1、L2分别为0.005mH、0.005Mh［12］。

图5 ACS6000变压器等效电路模型

艏侧三相鼠笼式推电机等效模型如图6所示。1411kVA的推进电机工作的额定电压为6600V，额定频率为50Hz，极对数为3，定子按Y型接法，电枢绕组阻抗和漏抗分别为0.0144倍和0.0195倍的基准值，转子阻抗和漏抗分别为0.012倍和0.12倍的基准值，磁阻为2.79倍的基准值［13］。

图6 艏侧三相鼠笼式推电机等效模型

1486kVA的低压电机工作的额定电压为400V，额定频率为50Hz，极对数为2，定子按Y型接法，电枢绕组阻抗和漏抗分别为0.00375倍和0.0929倍的基准值，转子阻抗和漏抗分别为0.00417倍和0.085倍的基准值，磁阻为4.17倍的基准值。

5 模拟计算结果

航行工况下，两台7500kVA发电机和一台5000kVA发电机并联运行，两台7500kW推进器满功率运行，1台左舷主配电变压器工作，400V低压配电板满负载，1200kW电机满负载。此时，6600V配电板产生的总谐波畸变为3.220%，单次谐波畸变为2.130%。400V配电板产生的总谐波畸变为3.208%，单次谐波畸变为2.123%［14］。航行工况模拟计算结果如图7所示。

图7 航行工况模拟计算结果

破冰工况下，4台发电机并联运行，两台7500kW推进器满功率运行，两台1200kW艏侧推满功率，1台左舷主配电变压器工作，400V低压配电板满负载，1200kW电机满负载。此时，6600V配电板产生的总谐波畸变为2.670%，单次谐波畸变为1.757%［15］。400V配电板产生的总谐波畸变为2.662%，单次谐波畸变为1.752%。

DP工况下，6600V高压母排断开，每边各两台发电机并联运行，两台主推进器满功率运行，两台艏侧推满功率运行，两台主配电变压器运行，400V低压配电板满负载，两边各1200kW电机满负载。此时，6600V配电板产生的总谐波畸变为2.610%，单次谐波畸变为1.716%。400V配电板产生的总谐波畸变为2.602%，单次谐波畸变为1.711%。

进出港工况下，4台发电机并联运行，两台推进器满功率运行，1台左舷主配电板变压器工作，两台艏侧推满功率运行，400V低压配电板满负载，1200kW电机满负载。此时，6600V配电板产生的总谐波畸变为2.670%，单次谐波畸变为1.757%。400V配电板产生的总谐波畸变为2.662%，单次谐波畸变为1.752%。

科考工况下，两台5000kVA发电机并联运行，两台推进器2500kW功率运行，两台主配电变压器工作，400V低压配电板满负载，两边各1200kW电机满负载。此时，6600V配电板产生的总谐波畸变为3.407%，单次谐波畸变为2.351%。400V配电板产生的总谐波畸变为3.397%，单次谐波畸变为2.344%。

停泊工况下，谐波畸变不做考虑。

6 结语

本文以”雪龙2”号极地科考船的电力推进系统作为研究对象，利用SIMSEN模拟工具搭建系统模型，通过改变各元件中的参数，模拟不同工况，经多种工况分析计算得出：6600V主配电板的总电压谐波为2.6%～3.4%；400V配电板总电压谐波为2.6%～3.4%；最高单次谐波为23次谐波，6600V主配电板最高单次谐波为1.7%～2.4%，400V配电板最高单次谐波为1.7%～2.3%。可有效证明在”雪龙2”号极地科考船电力系统中总谐波不超过5%，单次谐波不超过3%。