电力系统研究
电力系统研究155（2018）350-362
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电力推进对船舶电力质量的影响
T.A. Rodrigues, G.S. Neves, L.C.S. Gouveia, M.A. Abi-Ramia Jr., M.Z. Fortes , S. Gomes Jr.
工程学校 - 弗鲁米嫩塞联邦大学（UFF），帕索达帕特里亚街156号，E-431室，24210-240，尼特罗伊，RJ，巴西
文章历史：
2017年6月11日收到
2017年10月5日修改后收到
2017年11月7日接受
2017年11月23日在线提供
关键词：电能质量、电力系统、船舶、电能
摘要：
用于商业或军事用途的大型船只使用电力系统,这套系统与外界完全孤立和能自控。航海技术已经开始取代电力的机械推进。作为使用电力推进的结果，非线性有显着的增加。由于使用变频驱动器来给电机供电，所以对电能质量的研究已成为必要。非线性负载会产生可能不便于使用能量的谐波船舶的供应和设备。本研究旨在评估标准船舶和船舶的动力质量分析建议更改的可行性。本研究的目的是评估标准的船舶电能质量和分析建议变更的可行性。它是用来在模拟的基础上对真正的船舶系统的电网应用调节和规范数据。
1.介绍
电子电力设备在海上船舶的使用在过去的几十年中显着增加，关于电能质量问题的讨论在文章中被强调。最近的出版物如Mindykowski和Tarasiuk 和Tara-siuk 。电力推进在海军中获得了更多应用空间，由于其简单和有效的速度控制变频器以及减少燃油消耗、船员人数、污染物排放量和维修费用。变频器或变频器使用如Schoyen和Sow所指出的那样，在脉管中是单一的。因为除了减速器外，控制发动机可以在不同的地方，它提供更大的设计灵活性，增加了船的寿命。电动机的引进在船舶主推进系统的变化十分具有特点。哲学上引入了所谓的“电动船”的说法。
船舶电气系统由发电、输电组成，分配能源及其使用。在船上主配电盘是电气系统的中心节点，它是主要用来保护装置，母线，测量和控制。在船的某些路段，用电器可以直接被来自主配电板或辅助母线供电。
在“电动船”中，电动推进系统显然是连接到电网的最大负载; 因此，其行为将影响整个系统。 产生的谐波电流通过变频器，将影响电网，导致电压失真。当电压失真与其他装备相互作用时，在电网上连接的电力，可能会产生不必要的干扰。 因此，当考虑电力作为推进系统时，对于船舶来说，有必要评估电能质量。 对于拥有自己特色的船舶来说这种需求是最大的，而且它们为孤立的系统。
根据莫亚等人的说法。电压或电流畸变与谐波组件有关。电力供应器与用电器，这些近来的现象来源是电子设备，例如紧凑型荧光粉分光灯，电机速度控制器，整流器和不间断电源。这种非典型负载称为非线性负载，它可以使正弦波形变形，增加谐波频率，直接影响配电网络。由于失真能力，船上的能量效率是船舶讨论的主要项目之一。但更侧重于燃料，发动机效率和环境保护，其监测是保持电能质量和电气系统运行的重要措施。
在文献IEEE 1159-2009中描述了PQ的定义：该术语表示的电能质量是指广泛的电磁现象。它表征了相应时间和地点的电压和电流，在电力系统中确定。根据这个定义，PQ不仅仅是一组技术参数，而是一个技术参数不同元素的相互作用的结果。在这种情况下，船上的PQ可以用一组参数来描述，这些参数涉及每个电能的产生，分配和使用过船舶的操作状态（即锚定，操纵或巡航），以及它对船舶操作和安全的影响。其他有关船舶能源系统，电力的研究电动机启动系统，应用的发动机类型，或直接/间接描述了这些系统中干扰效应的分析可在参考文献。
主要标准应该是关于评估的标准，在陆地工业网络中的电力质量，如他们在这里讨论的问题是最先进的。这些stan-dards是解决能源质量标准基础，在船上电力系统上与陆地工业电力网络中一些相似之处和共同点在有关陆地和海洋系统的规则之间很清楚，正如参考文献中所指出的那样。公认电能质量标准侧重于两个主要方面：（i）定义技术基准及其允许的限值（ii）对采矿方法进行测量。另外，一些来自船舶分类协会的规则，如参考文献[26-29]。
在本文中，我们将通过基于仿真的方式讨论一个来自作为代表的大型船舶的实际数据系统的研究。该论文的主要贡献在于对有关非传统的应用程序和教程提出的研究。本文的第2部分介绍了方法，讨论解决的问题的方法，以及解释如何在研究中应用这些方法。使用ATPDraw软件支持，对船舶电网仿真分析，是为了验证PQ干扰，特别是THD，并确定对电气部件的影响。第3节讨论结果，评估收集的数据，与模拟进行比较，并建议。改进将在设计和程序中采用。最后，第4节介绍了这项研究的结论。
2.方法
从船上的电气设备数据开始研究，船上电网仿真是使用ATPDraw作为图形执行的，用于输入设备型号的界面。验证研究，模拟将仅考虑初始状态、基本操作频率，以确定是否模拟值与标称值一致。第二步将插入非线性负载和模型船舶推进系统的感应电动机驱动器，以评估PQ指数并确定可行性根据所采用的假设，使用电动推进系统。谐波的研究需要了解谐波由非线性负载产生的电流。有三种确定这些电流的方法：
bull;测量每个源产生的谐波;
bull;计算使用数学分析生成的谐波，如果可能的话，如转换器或静态补偿器;
bull;使用基于类似应用或已发布数据的典型值。
第一种方法是不可能的，因为电力推进没有在船上实施，这是模拟评估这种实现的可能性。
第二种方法并不总是可行的，另外，在一些情况下案例的建模非常困难。
由于这些原因增加了在变频驱动器上使用的难度，为此选择了第三种方法模拟。使用文献中收集的典型值。代表由不同的非线性电流产生的谐波电流，线性负载存在于系统中。这些非线性负载是通过在相应的频率注入电流建模如负荷连接点，如Dungan等人所述。
2.1在ATPDraw中对船舶电气部件建模。
在ATPDraw中对船舶电气部件建模。以下模型包含在ATPDraw文件中，描述在Prikler和Hoslash;idalen中，被用于模拟相关组件。建模的完整ATPDraw图系统由于附录A中的大尺寸而被分为三部分图（图A1-A3）。对于发电机，“次暂态电压源”的模型与相应的“次瞬态电抗”串联使用。对于来源，一个“交流电源”模型被配置为提供一个高压母线的电压为13.8 kV，低压母线的电压为440 V。为了表示亚临时电抗，使用“RLC-3ph”模型。发电机模型可以被看到在图A1中。将发电机连接到负载的电缆是mod通过模型的等效电阻和电抗来消除“RLC-3ph”，可以在图A1中看到。数据已获得在Prysmian [34]。值得一提的是，在这个例子中，电缆阻抗值远远小于电缆阻抗值变压器的阻抗。介绍不产生谐波的线性负载使用图1和2中的“RLC-3ph”模型。 A2和A3是线性非线性负载的部分，由它们的等效电阻模拟和电抗。
高次谐波分量的介绍通过配置的几个“交流电源”模型进行管理以在所产生的每个谐波频率中提供电流在整流器中，如图1和2所示。 A2和A3。为了验证电路中电压和电流的行为，该系统的“探针电压”和“探针电流”分别插入在图A1-A3。变频器由变压器驱动为13.8 / 3.3千伏。负责推进在每个轴线上的11 MW的发动机，都被模拟成它们对电网的电压和电流的影响可能会造成的威胁。为此，我们考虑了参考文献中的值。和谐波电流的影响，这是注入的连接点如图1和图2所示。谐波电流由驱动器使用的模型中的拓扑整形器生成。制造商应用于船舶的电力推进。
本研究采用ATPDraw，其用途广泛，用于研究电力系统，如参考文献中研究所示。
2.2模拟PQ。
在ATPDraw中保存的第一个模拟一般应用于内燃机的船舶上，意味着非线性负载仅由负责供应一套特定设备。图1阐明了船舶电气设备的配置一个条件。请注意，在这个传统的配置中，整个系统处于低电压（仿真中为440 V）观察船舶电网的行为。PQ是电动推进系统，由两个感应电动机组成。三轮马达被插入到仿真中。每个电机提供如图2所示。应该注意的是，操作配置在模拟中处于最高速度;换一种说法，电动马达全开。
装机量，这是研究机器的行为和功率质量的特征的必要条件。在船上由于涉及的高功率推进系统，船舶的发电将利用高电压（模拟中13.8千伏）。这个话题涉及了两个电机驱动器的装置。在第二次模拟中，将通过Setup 2中的12脉冲整流器和Setup中的24脉冲整流器显示驱动整形器。表1说明了所检查设置的主要特点。
图1 船上电气设备图
图2 船舶的主电力推进器
表格1 在模拟中的设置
图3. QE-1-BT的电压波形
图4 QE-1-BT的电压谱
3.结果
在模拟中，在关键点观察电压系统：高压面板QE-AT在13.8 kV，其中适用于低压面板QE-1-BT和QE-2-BT440 V，具体取决于设置。电气面板的波形电压（QE）如图所示图3和5，都表明电压没有受到显着影响。图4和6显示了这些面板的信号频谱，这通过频谱的表示来证明。
图5. QE-2-BT的电压波形
谐波次序
图6 QE-2-BT的电压谱
每个电气面板从傅里叶的应用中获得电压波的变换，具有较低的谐波值朝向基本组成部分。QE-1-BT呈现更高水平的失真，因为大多数nonlin负载连接到它，但仍然没有显着的效果。对该总线上的电压，在电气推进系统连接的设置2中，推进电动机由驱动器供电整流器由12脉冲二极管桥组成，进入系统的重要谐波电流更大第11次，第13次，第23次和第25次谐波组合。
由于电力推进几乎是安装在船上所有的电力装置，其影响船载电压。因为船舶电力系统是一个孤立的系统，具有高比例的阻抗特性。因此，低电流和短路功率，非线性负载对母线电压的质量影响很大。这可以在电压配置文件中看到的图 7，9和11，并且通过信号频率spec-图8,10和12。
QE-AT处电压的传播到与电源连接的所有连接点，导致QE-1-BT和QE-2-BT中的电压失真，这可能会导致连接到这些负载的负载发生故障。如果电压不符合一定的限制，可能导致设备损坏或操作不当。
表2中列出的设置2的值非常接近IEEE允许的最大值。因此它是这是缓解高阶电流效应所必需的以改善系统的电压质量。表2总结了三者的电流和电压的系统设置。在电力推进的环境中，功率导致高电压。
4.缓解谐波
在PQ问题描述中，与建模相关船舶的电气系统，可以执行谐波抑制，主要由发动机推进驱动引起的结果。指某东西的用途被似乎是满足要求的解决方案用于谐波降低幅度;此外，他们提供了一个低成本和易于实施。在被动过滤器的绘制ATP显示在图A1中。从高总线（13.8 kV）处的电流和电压信号FFT，QE-AT，QE-1和QE-BT-2 BT，使用整流器12和24脉冲，有可能识别更大相关性的谐波次序，第11,13,23和25号命令在使用时被识别。
图7 QE-AT的电压波形
谐波次序
图8 QE-AT的电压谱
图9 QE-1-BT的电压波形
谐波次序
图10 QE-1-BT的电压谱
图11 QE-2-BT的电压波形
谐波次序
图12 QE-2-BT的电压谱
图13 QE-AT的电压波形
谐波次序
图14 QE-AT的电压频谱
图15 QE-1-BT的电压波形
谐波次序
图16 QE-1-BT的电压谱
图17 QE-2-BT的电压波形
谐波次序
图18 QE-2-BT的电压谱
表2
模拟设置的THD值
表3
设置的THD值
表4
被动过滤器
表5
THDV12脉冲Recti fi er系统与过滤器
驱动推进引擎的12脉冲整流器，以及第23位并且在使用24脉冲整流器时确定了第25个。有了这些信息，就有可能设计一个LC并联调谐针对每个谐波次序的无源滤波器，考虑无功功率系统的补偿，设有滤波器的功率因数用等于或高于等式中计算的值来确定尺寸。因此，使用的功率是12,000 kw。通过获得所需的功率，可以找到电容值电抗和总电容。
首先，滤波器是为12脉冲整流器设计的。因此，要找出每个谐波次序的相应电容值被减轻，有必要使用各自的谐波电流和总谐波电流，如表3所示。从电流值可以确定电容和每个分支的电感。品质因数越高，阻力越低。这低阻力有助于改善滤波器的调谐并降低其损耗损失。通常，调谐滤波器的品质因数介于两者50 lt;Q lt;150之间。定义每个滤波器的电阻率值。根据Leatilde;o等人的说法：质量因素是重要的与谐波滤波器有关的参数，电阻值滤波器取决于电感电阻。
因此，下面的电阻值被定义为质量系数等于100。对24脉冲整流器执行相同的程序。表4显示了它们各自的值。然后，一旦他们被支持，设计合理。滤波器如图所
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