靠港船舶應(yīng)用大功率變頻器供電仿真與分析

季珊珊，施偉鋒，卓金寶，張　威（上海海事大學(xué)，上海201306）

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靠港船舶應(yīng)用大功率變頻器供電仿真與分析

季珊珊，施偉鋒，卓金寶，張威
（上海海事大學(xué)，上海201306）

摘要：針對(duì)目前的岸電供電趨勢(shì)，設(shè)計(jì)了一種大功率變頻器供電的岸電供電模型。并根據(jù)理論研究在MATLAB/Simulink中搭建船舶岸電供電的仿真模型，對(duì)實(shí)際應(yīng)用中靠港船舶應(yīng)用大功率變頻器供電易出現(xiàn)的故障類(lèi)型進(jìn)行模擬仿真，得到了靠港船舶供岸電過(guò)程中的故障動(dòng)態(tài)參數(shù)并對(duì)其進(jìn)行分析，對(duì)靠港船舶應(yīng)用大功率變頻器供電的岸電供電技術(shù)在我國(guó)港口的推廣研究很有意義。

關(guān)鍵字：大功率變頻器船舶岸電供電電機(jī)堵轉(zhuǎn)船舶電力系統(tǒng)綠色港口

0　引言

隨著世界航運(yùn)業(yè)的迅猛發(fā)展，船舶對(duì)環(huán)境造成的污染日趨嚴(yán)重，尤其是在靠泊期間其船舶輔機(jī)的排放對(duì)港口所在城市環(huán)境造成了較大的影響，國(guó)際一些先進(jìn)的港口已經(jīng)采用陸域電源對(duì)靠港船舶進(jìn)行供電（簡(jiǎn)稱(chēng)岸電），實(shí)施效果良好。

我國(guó)也積極參與到岸電項(xiàng)目中，進(jìn)行高壓岸電技術(shù)的實(shí)驗(yàn)，并研制出全球首套高壓變頻數(shù)字化船用岸電系統(tǒng)。此外，神華46000 t系列散貨船采用了AC6kV、50Hz的高壓岸電系統(tǒng)。

本文在分析岸電供電方案的基礎(chǔ)上，研究靠港船舶應(yīng)用大功率變頻器供電過(guò)程中由于天氣、人為等突發(fā)狀況下，靠港船舶發(fā)生不同故障時(shí)對(duì)大功率變頻器的影響，仿真結(jié)果為我國(guó)港口推廣靠港船舶應(yīng)用大功率變頻器供電提供技術(shù)參考。

1　岸電電源的結(jié)構(gòu)

典型的高壓船舶高壓頻率變換方案［6］如圖1所示。由10kV/50Hz（或6kV/50Hz）岸電直接輸送到高壓靜止頻率變換器中，輸出10kV/60Hz（或6kV/60Hz），之后經(jīng)升壓變壓器將10kV/60Hz（或6kV/60Hz）升壓至6.6kV或11kV，輸送到碼頭岸電箱，并通過(guò)船上的高壓纜車(chē)與船舶岸電配電板相連接。

1.1輸入變壓器

由于船舶電網(wǎng)接入岸電可能會(huì)對(duì)陸域電網(wǎng)產(chǎn)生影響，因而靜止頻率變換器輸入側(cè)隔離變壓器采用移相式變壓器，為滿足IEEE519-1992諧波抑制標(biāo)準(zhǔn)，有效消除47次以下諧波［2］，每個(gè)繞組采用延邊三角形接法，形成48脈波的二極管整流電路，由a×p=360°，a為移相角，p為脈沖數(shù)，可將移相角設(shè)為26.25°。

圖 1高壓船舶靜止頻率變換方案

1.2功率單元結(jié)構(gòu)：

功率單元即為常見(jiàn)的三相逆變器，一次側(cè)電路實(shí)際上是由一個(gè)三相橋式AC/DC整流器和一個(gè)三相橋式DC/AC逆變器組成的，整流部分為不可控器件，使得直流側(cè)的電壓方向不易改變，電能不會(huì)反饋到電網(wǎng)當(dāng)中，因而在岸電的應(yīng)用中，采取電壓源型變頻器對(duì)電網(wǎng)的影響較小。逆變部分是通過(guò)改變逆變側(cè)的開(kāi)關(guān)通斷順序以及時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出頻率和電壓的變換。

1.3電壓升壓方式

本文所用的單元串聯(lián)多電平變頻器采用5個(gè)功率單元串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)6kV高壓輸出。變壓器采用延邊三角形聯(lián)結(jié)，變頻器每相由5個(gè)額定電壓為690V的功率單元串聯(lián)而成［3］，輸出相電壓最高可達(dá)3450V，線電壓可達(dá)6kV左右。

1.4功率單元的脈沖控制

逆變器輸出采用多電平移相式PWM控制技術(shù)，同一相的功率單元輸出相同幅值和相位的基波電壓，但串聯(lián)各單元的載波之間互相錯(cuò)開(kāi)一定電角度，實(shí)現(xiàn)多電平PWM，輸出電壓非常接近正弦波。

每個(gè)電平臺(tái)階只有單元直流母線電壓大小，du/dt很小，使得電動(dòng)機(jī)絕緣不會(huì)受到影響.功率單元采用較低的開(kāi)關(guān)頻率，以降低開(kāi)關(guān)損耗，且可以不用浪涌吸收電路，提高變頻器的功率。對(duì)于6kV等級(jí)的變頻器，如前所述，每相由5個(gè)額定電壓為690V的功率單元串聯(lián)而成［3］，采用5個(gè)依次相移為72°的三角載波和參考波比較，產(chǎn)生PWM控制信號(hào)，每相的相電壓有0，±U，±2 U，±3U，±4U，±5U共11種電平，如圖2所示，峰值電壓接近8kV。

圖2　單相變頻輸出電壓

2　仿真算例

本文在SIMULINK中建立靠港船舶應(yīng)用大功率變頻器供電的模型［1］，如圖3所示。

圖3　靠港船舶應(yīng)用大攻率變頻器供岸電模型

陸域電網(wǎng)電壓10kV，經(jīng)移向相變壓器降壓至760V，供給整流器件。中間濾波電路電容為5e-3F，電感為5e-3H。逆變裝置采用單元串聯(lián)多電平的結(jié)構(gòu)，其一相中各串聯(lián)功率單元的三角載波信號(hào)依次錯(cuò)開(kāi)72°實(shí)現(xiàn)每個(gè)功率單元移向72°，參考正弦波相同。ABC三相的參考正弦波初始相位分別為0°、-120°和120°。三角載波頻率為1050Hz，經(jīng)示波器測(cè)量，輸出至碼頭前端的線電壓約為6kV，通過(guò)電纜供給靠港停泊期間船舶使用。船舶電力負(fù)荷參考5100箱集裝箱船，船舶在靠港停泊期間的主要用電負(fù)荷歸納為50 MW純阻性負(fù)載，和一個(gè)50 MW純阻性負(fù)載與一個(gè)1.492 MW的電動(dòng)機(jī)并聯(lián)支路。利用三相故障模塊設(shè)置單相接地故障模擬真實(shí)船舶電力系統(tǒng)的單相接地故障和三相接地故障，通過(guò)脈沖發(fā)生器對(duì)電動(dòng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的控制來(lái)模擬真實(shí)船舶在夾板機(jī)械電動(dòng)機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)的故障。

2.1模型說(shuō)明

逆變器中各開(kāi)關(guān)的狀態(tài)通過(guò)三角載波與正弦波的調(diào)制所產(chǎn)生的脈沖來(lái)控制。具體的控制電路如圖4所示。

圖4　逆變器控制電路

在同一相中，通過(guò)一個(gè)三角載波發(fā)生器與正弦波發(fā)生器的邏輯關(guān)系，控制逆變器中四個(gè)IGBT/Diode模塊的通斷。從而使輸出的波形有一定的規(guī)律。本案中的大功率變頻器是由5個(gè)功率單元串聯(lián)而成，每個(gè)功率單元的輸出電壓滯后72°，三角載波的頻率取1050Hz。大功率變頻器模型每相的結(jié)構(gòu)如圖5所示，每相由五個(gè)功率模塊串聯(lián)組成。

圖5　高壓變頻器模型每相的結(jié)構(gòu)圖

2.2仿真設(shè)置：

設(shè)置仿真時(shí)間為10s，分別仿真靠港船舶應(yīng)用大功率變頻器供電過(guò)程中，船舶用電設(shè)備正常用電、甲板上浪導(dǎo)致的負(fù)載短路及突發(fā)狀況下的電機(jī)堵轉(zhuǎn)狀況

1）首先進(jìn)行正常工況下靠港船舶應(yīng)用大功率變頻器供電，電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載運(yùn)行，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為100 N·m。系統(tǒng)中大功率變頻器的工作電壓電流變化分別如圖6所示。 經(jīng)多次仿真發(fā)現(xiàn)，高壓變頻器在仿真運(yùn)行到1.8s時(shí)，輸出電壓趨于穩(wěn)定。仿真設(shè)置系統(tǒng)在3.5s時(shí)刻，接入靠港船舶，船舶電力系統(tǒng)中的電動(dòng)機(jī)初始電壓為3kV，ABC相的相角分別0°，120°，240°。

圖6　正常狀態(tài)下高壓變頻器線電壓、相電流波形

由圖6得：接入船舶后高壓變頻器的電壓由穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的9kV降至8kV，電流由0 A瞬間升至70 A，經(jīng)2.5s的時(shí)間調(diào)整至50 A，隨后保持穩(wěn)定?？扛鄞柏?fù)載電壓電流變化如圖7所示。由圖7得：船舶負(fù)載合閘電壓為8kV，合閘電流為7.5 A，經(jīng)過(guò)1.5s后，電壓穩(wěn)定在7kV，電流穩(wěn)定在6.5 A左右。

圖7　正常狀態(tài)下電阻性負(fù)載線電壓、相電流波形

圖8　正常狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)A相轉(zhuǎn)子電流與定子電流

靠港期間，船舶電動(dòng)機(jī)電流與轉(zhuǎn)矩參數(shù)如圖8圖9所示：由圖8圖9可以得到：經(jīng)2.5s后，電動(dòng)機(jī)A相的轉(zhuǎn)子電流由100 A穩(wěn)定在75 A，A相的定子電流由110 A穩(wěn)定在75 A。啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為150 N·m，經(jīng)8.4s后趨于穩(wěn)定。在船舶正常用電情況下，系統(tǒng)各處狀態(tài)在短時(shí)間內(nèi)趨于穩(wěn)定，大功率變頻器工作在正常情況下。

圖9　電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩

2）設(shè)置4～5s負(fù)載發(fā)生AB兩相短路，7～8s負(fù)載發(fā)生三相短路，系統(tǒng)中大功率變頻器的工作電壓電流變化如圖10所示：

圖10　負(fù)載發(fā)生短路時(shí)高壓變頻器線電壓、相電流波形

由圖10可得：發(fā)生兩相短路時(shí)，高壓變頻器電壓降為零，電流波形放大如圖11所示。

圖2　負(fù)載發(fā)生短路時(shí)高壓變頻器相電流放大波形

由圖13可得：變頻器出線電流由60 A瞬間提升至1×105A。短路沖擊電流約為正常線路電流的103倍。兩相短路期間，短路電流約為270 A，發(fā)生三相短路時(shí)，高壓變頻器電壓降為零，出線電流由50 A瞬間提升至4×104A，短路沖擊電流迅速升高到正常線路電流的100倍左右，雖然比兩相短路的沖擊電流小得多，但其依然能夠?qū)ψ冾l器造成嚴(yán)重的后果。綜上，短路期間變頻器因持續(xù)流過(guò)大電流導(dǎo)致大量發(fā)熱，如果故障不能快速消除，將燒毀變頻器內(nèi)部元件。

短路故障發(fā)生下，船舶電動(dòng)機(jī)的工作狀況如圖13圖14所示。

由圖13可得：由于此時(shí)電動(dòng)機(jī)在工作狀態(tài)，所獲取的電力處于不穩(wěn)定狀態(tài)，發(fā)生兩相短路時(shí)，電動(dòng)機(jī)的定子電流下降，三相短路時(shí)，電動(dòng)機(jī)的定子電流下降至零以下。

圖12　負(fù)載發(fā)生短路時(shí)電阻性負(fù)載線電壓、相電流波形

圖13　負(fù)載發(fā)生短路時(shí)電動(dòng)機(jī)A相轉(zhuǎn)子電流與定子電流

圖14　負(fù)載發(fā)生短路時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩

由圖14可得：發(fā)生故障時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩突降，電動(dòng)機(jī)出力不足，且轉(zhuǎn)矩未能在一段時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定，影響其所承擔(dān)的工作任務(wù)。所以由于負(fù)載短路引起的故障，如果不能夠及時(shí)排除，很可能對(duì)系統(tǒng)造成繼發(fā)性影響，岸、船兩方都將產(chǎn)生嚴(yán)重后果。

3）.設(shè)置4s后電動(dòng)機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)，給負(fù)載轉(zhuǎn)矩一個(gè)5×105的轉(zhuǎn)矩，使得負(fù)載轉(zhuǎn)矩瞬間提升數(shù)百倍，電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)大功率變頻器線電壓、相電流變化如圖15所示。

由圖15可得：發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)，大功率變頻器電壓由8kV降至6kV、電流由75 A逐步增大到200 A。 電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)電阻性負(fù)載電壓、電流如圖16所示。

由圖16可得：負(fù)載峰值電壓降至約6kV，比靠港船舶正常工作情況下的電壓低1kV。這主要是由于岸電供電的大功率變頻器所提供的電壓降低所導(dǎo)致的。船舶用電負(fù)載的正常工作將會(huì)受到影響，比如照明，制冷等。船舶電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)電動(dòng)機(jī)的參數(shù)變化如圖17圖18所示。

圖15　電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)高壓變頻器線電壓、相電流波形

圖16　電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)電阻性負(fù)載線電壓、相電流波形

圖17　電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)電動(dòng)機(jī)A相轉(zhuǎn)子電流與定子電流

由圖17可得：電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)子電流也發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子電流由200 A逐步增大到1000 A，定子電流由200 A逐步增大到750 A。

由圖18可得：電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩隨著堵轉(zhuǎn)時(shí)間增加，并沒(méi)有穩(wěn)定在某一確定值，而是逐漸增加。

由此可見(jiàn)電機(jī)堵轉(zhuǎn)后如不采取保護(hù)措施，隨著時(shí)間增長(zhǎng)，定子繞組將流過(guò)較大的電流，使得定子快速發(fā)熱，燒毀繞組；為防止電機(jī)堵轉(zhuǎn)燒毀，通常采用過(guò)流繼電器來(lái)進(jìn)行保護(hù)，在電動(dòng)機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)后一定時(shí)間內(nèi)，若故障未消除，必須從系統(tǒng)中移出電動(dòng)機(jī)，以保證系統(tǒng)其他設(shè)備的正常供電。

圖18　電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩

3　結(jié)束語(yǔ)

本文在原理上對(duì)大功率變頻器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并介紹了大功率變頻器在船舶岸電供電中的應(yīng)用。根據(jù)理論研究在MATLAB/Simulink中搭建靠港船舶應(yīng)用大功率變頻器供電的模型，對(duì)靠港船舶在應(yīng)用大功率變頻器供電時(shí)發(fā)生的故障進(jìn)行模擬，仿真結(jié)果真實(shí)有效，為我國(guó)港口推廣靠港船舶應(yīng)用大功率變頻器供電提供技術(shù)參考。

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The Simulation and Analysis of High Power Inverter in Ship-to-shore Power Supply

Ji Shanshan，Shi Weifeng，Zhuo Jinbao，Zhang Wei
（Shanghai Maritime University，Shanghai 201306，China）

Abstract:Aimed at the current trend of ship-to-shore power supply，a model of shore-to-ship power supply for high-power inverter is designed and a simulation model is set up by MATLAB/ Simulink according to the theoretical study.It simulates the normal fault occurs in practice.A series of fault data is gained and analyzed，that can give good advice to the construction of shore-to-ship power supply in China’s port.

Keywords:high power converter； shore-to-ship power supply； motor stall； marine power system； green port

中圖分類(lèi)號(hào)：TM46

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-4862（2016）06-0043-05

收稿日期：2016-03-10

作者簡(jiǎn)介：季珊珊（1990-），女，碩士生。研究方向：大功率變頻器在船舶岸電供電中的應(yīng)用研究。