電壓源型電力推進變頻器抵御電網(wǎng)波動的應用研究

黃 易 梁

（ABB船舶及港口中國事業(yè)部，上海 201319）

電壓源型電力推進變頻器抵御電網(wǎng)波動的應用研究

黃 易 梁

（ABB船舶及港口中國事業(yè)部，上海 201319）

電壓源型變頻器的直流母線電壓取決于輸入電壓，當輸入電壓激烈波動時，母線電壓也會劇烈波動，甚至引起變頻器故障跳閘。當配電板母線發(fā)生短路故障時，系統(tǒng)電壓降往往很大，在故障配電板被切除前，變頻器面臨欠壓故障跳閘的風險。目前，要求多段配電板合成一段進行動力定位操作的應用越來越多，一段配電板的電網(wǎng)，短路電流比分段運行時大，故障造成的電壓波動將傳遞到整個電網(wǎng)和在網(wǎng)設(shè)備，如果推進變頻器及其輔機不能承受瞬時的電網(wǎng)劇烈波動，那么變頻器將故障跳閘。由于推進變頻器跳閘不能在短時間內(nèi)恢復運行，這將使全船面臨失去定位能力的風險。為了使推進變頻器能承受瞬時電壓降，需要使用變頻器自帶“抗擾”功能。經(jīng)分析“抗擾”功能的原理，并在實船海試過程中驗證變頻器“抗擾”功能的可靠性。

電壓源型變頻器；電力推進系統(tǒng)；單點故障；電網(wǎng)質(zhì)量

0　引 言

船舶電力推進系統(tǒng)相比于一般軸系推進具有高效節(jié)能、操縱性強和布置靈活等特點，尤其能滿足特種工作船或平臺在多變海況下能保持動力定位（DP）的工況要求。由于電推電站系統(tǒng)往往由多臺主機和多段配電板組成，在電站管理系統(tǒng)的幫助下，能匹配足夠數(shù)量在網(wǎng)發(fā)電機承擔全船負載，使柴油機能在經(jīng)濟工作區(qū)域運行，從而達到節(jié)能的目的。一般的DP工況，要求各主配電板的母聯(lián)開關(guān)打開，使各分段配電板形成若干個孤島，從而達到高冗余的要求。目前，在全球環(huán)保節(jié)能的趨勢下，DP工況要求各主配電板能合成一段運行的應用越來越多。一段配電板的電網(wǎng)，短路電流特別大，故障造成的電壓波動將傳遞到整個電網(wǎng)和在網(wǎng)設(shè)備，如果推進變頻器及其輔機不能承受瞬時的電網(wǎng)劇烈波動，那么變頻器將故障跳閘。由于推進變頻器跳閘后，不能在短時間內(nèi)恢復運行，這將使全船面臨失去定位能力的風險。目前各主要船級社對有DP2/3要求的船，應能滿足單點故障下不失去定位能力，DNV（挪威船級社）更明確要求合排運行的系統(tǒng)中變頻器能避免系統(tǒng)短路故障造成的欠壓跳閘，并在故障分析報告（FMEA）中進行分析。這些要求對船用推進變頻器提出了更高的抗沖擊力的需求。電網(wǎng)的波動多大才會引起作為全船最大荷載的推進變頻器退出運行呢？這是電力推進系統(tǒng)設(shè)計時要考慮的一個重要問題，也是衡量全船電力系統(tǒng)抗風險能力的一個重要指標［1］。

1　船用電壓源型變頻器對電網(wǎng)的質(zhì)量要求

目前在船用變頻器領(lǐng)域，整流器普遍采用多脈波二極管型。由式（1）可知，此類變頻器直流母線電壓與輸入電壓成比例關(guān)系。輸入電壓的波動會引起母線電壓的被動波動。輸入電壓高，則母線電壓高；輸入電壓低，則母線電壓低。由于變頻器直流母線等效于恒壓源，當母線電壓波動超過變頻器承受的極限值時，將發(fā)生故障跳閘。所以，穩(wěn)定的電網(wǎng)質(zhì)量是保證變頻器持續(xù)工作的前提。

以ABB ACS800變頻器為例，其對電網(wǎng)具體要求如下：

1） 穩(wěn)態(tài)電壓要求額定電壓值±10%；

2） 穩(wěn)態(tài)頻率要求48～63Hz。

同時，變頻器設(shè)定的欠壓保護值為425VDC，相當于正常值的46%，保護方式為變頻器故障跳閘。換句話說，一旦輸入電壓降低到額定值的46%時，變頻器立即跳閘。

對比船級社要求可以發(fā)現(xiàn)，各主流船用變頻器對電網(wǎng)質(zhì)量要求均低于船級社允許的電網(wǎng)的波動。當電站正常運行時，變頻器可承受電網(wǎng)的波動（見表1、2）。

表1　主要船級社對交流電網(wǎng)質(zhì)量的要求

表2　ACS800直流母線欠電壓保護值

但是，在一些特殊情況下，電網(wǎng)電壓和頻率仍可能降低到設(shè)計值以下。以690V系統(tǒng)為例，當母線發(fā)生短路故障時，短路電流主要取決于在網(wǎng)所有旋轉(zhuǎn)電機所貢獻的短路電流總和，壓降取決于電網(wǎng)容量、短路電流和短路持續(xù)時間。當配電板合排運行時，聯(lián)網(wǎng)發(fā)電機數(shù)量多；短路時，各發(fā)電機貢獻的短路電流疊加，使短路點電流很大。極端情況下，母線電壓可能瞬時跌落且≈0（見圖1、2）。在故障回路被切除前，電壓不會恢復。電壓波動會傳遞到在網(wǎng)的所有設(shè)備。此時，在網(wǎng)變頻器面臨的壓降將遠超出船級社關(guān)于電網(wǎng)波動的要求，變頻器處于欠壓故障退出運行的風險中。雖然這種情況是瞬時的并很罕見，但作為系統(tǒng)設(shè)計者，必須考慮這種特殊情況對推進系統(tǒng)的影響。

圖1　仿真軟件所示配電板母排短路時配電板電壓波形（＜0.5s）

圖2　仿真軟件所示配電板母排短路時變頻器直流母線電壓波形（＜0.5s）

2　抵抗系統(tǒng)電壓降

目前，絕大多數(shù)的海工船要求能滿足相應船級社DP-2或者DP-3等級要求［2］。以CCS為例，DP2/3要求為系統(tǒng)發(fā)生任意單點故障的情況下，動力定位系統(tǒng)（包括舵槳子系統(tǒng)）能夠繼續(xù)保持定位能力或航向［3］。單點故障包括設(shè)備本身的故障（或系統(tǒng)故障）。對配電系統(tǒng)而言，系統(tǒng)故障往往包括過電流、欠電壓、過電壓、欠頻率、過頻率和接地等故障。為了提高系統(tǒng)的冗余性，從電站系統(tǒng)角度，可使用“多段配電板打開母聯(lián)開關(guān)運行”的解決方案，或者使用具備“抗擾”功能的推進變頻器。

2.1多段配電板打開母聯(lián)開關(guān)運行

由于DP船均采用多段母排的電站架構(gòu)，在DP工況下，大部分船要求各配電板之間的母聯(lián)開關(guān)斷開，從而達到分區(qū)供電的目的。分區(qū)供電由于各段配電板獨立工作，極大提高了整個系統(tǒng)的冗余性。某段配電板故障不會影響其他配電板，失去一段配電板也只失去部分的推進能力而已。這種情況下，某段配電板發(fā)生短路不會影響其他配電板（見圖3）。

2.2使用變頻器“抗擾”功能

變頻器抗電壓擾動的功能又叫Ride Through，簡稱“抗擾”?？箶_原理是利用推進電機的轉(zhuǎn)動慣能維持變頻器直流母線電壓，以抵抗瞬時電壓降，使電機工作在發(fā)電狀態(tài)。在此過程中，變頻器持續(xù)運行。

當網(wǎng)側(cè)電壓急劇下降、變頻器進入抗擾模式后，逆變器將從旋轉(zhuǎn)的電機的轉(zhuǎn)動慣量吸收微弱的負轉(zhuǎn)矩，以轉(zhuǎn)化成能量，存儲在直流母線中，等電壓恢復后，母線電壓將躍升，從而退出抗擾模式；然后逆變器將輸出正轉(zhuǎn)矩，電機又回到發(fā)電狀態(tài)。在整個過程中，逆變器吸收的電機轉(zhuǎn)矩和功率將被限制在一個可調(diào)范圍內(nèi)（見圖4）。以圖5為例，如果1號配電板發(fā)生短路故障，且產(chǎn)生嚴重電壓降，在網(wǎng)的4臺變頻器都會各自進入“抗擾”模式，用各自電機的轉(zhuǎn)動慣量發(fā)電維持母線電壓，等待供電恢復正常。

ABB適合船用的變頻器有低壓的ACS800和STADT系列產(chǎn)品，中壓有ACS1000和ACS6000系列，均具有“抗擾”功能。

使用“抗擾”模式給整個電推系統(tǒng)帶來的一大優(yōu)勢是使DP工況下各配電板閉合母聯(lián)開關(guān)而合成一段配電板運行成為可能，從而達到優(yōu)化在網(wǎng)發(fā)電機數(shù)量和節(jié)能的目的。目前，由于環(huán)保和運行經(jīng)濟性的趨勢，越來越多的海工船要求DP工況下電站各配電板能合成一段運行。若發(fā)生嚴重的過電流、欠壓、過壓和欠頻的故障，母聯(lián)開關(guān)能打開，達到切除故障配電板的目的。當母線發(fā)生短路故障時，由于母聯(lián)開關(guān)的短路保護脫扣延時時間一般設(shè)置為＜1s，在網(wǎng)的所有推進變頻器將面臨巨大的電壓降并持續(xù)≈1s。在此期間，所有在網(wǎng)設(shè)備包括下游配電板電壓均可能瞬時跌落到≈0。這對變頻器及其輔助設(shè)備（散熱，控制等）都是一個巨大考驗。若推進變頻器不能忍受而故障跳閘，那么船將暫時失去所有推進能力，待電站恢復后，需重新啟動推進變頻器及其輔機，DP和PMS控制系統(tǒng)將不得不重新分配負荷。在推力恢復前，全船面臨失去定位能力的風險。

圖3　2段配電板母聯(lián)開關(guān)打開運行

圖4　“抗擾”功能原理

圖5　2段配電板母聯(lián)開關(guān)閉合運行

由圖6可知，當變頻器保持額定負載，且輸入電壓≈0后，因為逆變單元還在工作，持續(xù)輸出功率，直流母線電壓將快速≈0（＜40ms），電壓值將跌破欠壓故障觸發(fā)值。

圖6　仿真軟件所示變頻器直流母線電壓跌落波形（滿載）

所以，一段配電板閉合母聯(lián)開關(guān)運行的系統(tǒng)雖然提高了燃油經(jīng)濟性，但卻降低了系統(tǒng)的冗余性。DNV 在2012年關(guān)于DP2和RP船上閉合母聯(lián)開關(guān)系統(tǒng)的最低要求中指出，在故障分析報告（FMEA）中要考慮如何避免系統(tǒng)短路引起的瞬時電壓降造成的重要設(shè)備跳閘，包括變頻器、電機和泵等［4］。為了使推進變頻器能抵御住系統(tǒng)短路所產(chǎn)生的電壓降，必須使用具有“抗擾”功能的變頻器。

3　實船驗證

2014年對“海警2307”號在海試時做了“抗擾”功能試驗。海警2307是海監(jiān)83的姐妹船，排水量3980 t，設(shè)計航速18kn，DP-1，入級CCS。

3.1電推系統(tǒng)配置

該船主配電系統(tǒng)電制為690V，50Hz，2段配電板由母聯(lián)開關(guān)連接。3臺主發(fā)電機，單臺容量2250kVA。 2套 Azipod吊艙主推進器，單臺功率1860kW。推進變頻器采用ACS800-07LC（見圖7）。

圖7　系統(tǒng)簡要單線圖

3.2試驗方案

抗擾的2個關(guān)鍵工作點分別是推進電機穩(wěn)定工作在輕載和滿載。輕載時，電機轉(zhuǎn)速較低，轉(zhuǎn)動慣量小，回饋能量有限，直流母線能否在短時間能吸收到足夠的能量以維持電壓。滿載時，電機輸出轉(zhuǎn)矩大，在電壓下降后，進入“抗擾”模式前，母線電壓是否能承受瞬時急劇的能量消耗。對此，在試驗中特意安排了該兩種工況。

試驗中，試驗人員待電站狀態(tài)和電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，手動斷開配電板進線主開關(guān)，這時網(wǎng)側(cè)電壓和頻率將瞬間降為零，此效果等同于配電板母線發(fā)生短路故障。這將迫使變頻器進入抗擾模式，等待3s，再手動合上主開關(guān)，恢復供電。對變頻器而言，相當于電網(wǎng)發(fā)生了一次“短路”。此過程中，試驗人員監(jiān)視變頻器母線電壓、電機實際轉(zhuǎn)速、實際轉(zhuǎn)矩和實際功率等信息。試驗中，為了屏蔽變頻器對主開關(guān)的狀態(tài)監(jiān)視，主開關(guān)反饋給變頻器的狀態(tài)信號被強制為閉合狀態(tài)。變頻器的440V輔助設(shè)備供電（水冷和空冷系統(tǒng)）也隨主開關(guān)切斷而切斷，閉合而閉合。變頻器和控制單元的控制電源由交流UPS提供，不受外界干擾。

3.2.1試驗一：電機輕載抗擾試驗

試驗開始時，電機實際轉(zhuǎn)速50 r/min（15%額定轉(zhuǎn)速），試驗中的監(jiān)視信息統(tǒng)計及輕載監(jiān)視數(shù)據(jù)曲線見表3和圖8。試驗結(jié)果：從主開關(guān)分斷到閉合，整個時間持續(xù)3.6s，變頻器在供電切斷0.65s后進入“抗擾”模式，并在整個過程中正常運行。變頻器可以承受此時間長度的瞬時壓降。

表3　抗擾試驗監(jiān)視信息統(tǒng)計

圖8　實船抗擾試驗輕載監(jiān)視數(shù)據(jù)曲線

3.2.2試驗二：電機滿載抗擾試驗

試驗開始時，電機實際轉(zhuǎn)速294 r/m in（94%額定轉(zhuǎn)速），抗擾試驗監(jiān)視信息統(tǒng)計見表4，抗擾試驗重載監(jiān)視數(shù)據(jù)曲線見圖9。試驗結(jié)果：從主開關(guān)分斷到閉合，整個時間持續(xù)3.4s，變頻器在供電切斷0.06s后進入“抗擾”模式，并在整個過程中正常運行。由于電機實際轉(zhuǎn)速跌落較快（94%到 54%），故恢復供電后，將按預設(shè)定的加速率從54%開始加速。變頻器可以承受此時間長度的瞬時壓降。

表4　抗擾試驗監(jiān)視信息統(tǒng)計

圖9　實船抗擾試驗重載監(jiān)視數(shù)據(jù)曲線

對比輕載和滿載試驗結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)ACS800變頻器能承受的供電完全切斷時間＞3s。大于母聯(lián)開關(guān)短路保護延時動作時間（一般＜1s）。由于變頻器輸出的轉(zhuǎn)矩的動態(tài)響應時間≈2ms，所以變頻器能立即使電機從電動態(tài)進入發(fā)電態(tài)。雖然在發(fā)電態(tài)，變頻器吸收的能量不多（＜ 1%），但足以維持直流母線電壓較長時間。在供電恢復后，電機又立即回到電動態(tài)。在“短路故障”發(fā)生中，在網(wǎng)推進變頻器持續(xù)運行。所以該電壓源型變頻器能夠承受由系統(tǒng)短路故障或大負載直接啟動引起的瞬時欠壓情況?！翱箶_”功能試驗成功，符合期望。

4　結(jié) 語

電壓源型多脈二極管整流變頻器因其特性對網(wǎng)側(cè)電壓非常敏感。為了滿足多段配電板閉合母聯(lián)開關(guān)運行的工況要求，設(shè)計者需考慮推進鏈采用具備“抗擾”功能的合適變頻器抵抗系統(tǒng)短路引起的瞬時壓降，以滿足船級社針對具備動力定位能力的船舶“單點故障”的要求并合理準備FMEA實驗。即使針對沒有合母聯(lián)開關(guān)要求的電推船，“抗擾”功能也能幫助在獨立孤島電網(wǎng)工作的變頻器抵御電網(wǎng)波動，提高持續(xù)運行能力。

低壓電壓源型變頻器抵抗電網(wǎng)擾動（ride-through）的功能及應用，可供船電設(shè)計人員參考。

［1］ 吳 斌. 大功率變頻器及交流傳動［M］. 衛(wèi)三民，譯. 北京：機械工業(yè)出版社，2007.

［2］ 吳 剛. 電力推進科考船總體設(shè)計要點綜述［J］. 船舶與海洋工程，2013 （3）： 1-5.

［3］ 中國船級社. CCS鋼制海船入級規(guī)范2012（第4分冊）［S］. 北京：人民交通出版社， 2012.

［4］ Det Norsk Veritas. Rules for classification of ships/high speed， light craft and naval surface craft （Part 4） ［S］. 2013.

Study on Electrical Propulsion Frequency Converter of Voltage Source against Power Grid Fluctuation

HUANG Yi-liang

（ABB Marine China， Shanghai， 201319）

The DC bus voltage of voltage source frequency converter depends on the input voltage. When the input voltage has violent fluctuation， the bus voltage w ill follow suit， and even cause trip failure of the frequency converter. When short circuit failure occurs to the sw itchboard bus， the system voltage w ill drop significantly. Therefore， the frequency converter is facing the risk of trip failure before the faulty sw itchboard is cut out. Nowadays， there is a grow ing demand for the combination of several sw itchboards into one bus-tie to perform the dynamic positioning operation. The short circuit current in bus-tie power grid is larger than that of a separate sw itchboard， and the voltage fluctuation caused by failure w ill transmit to the whole power grid and equipment w ithin. If the propulsion frequency converter and its auxiliary machine cannot bear the transient violent fluctuation， a trip w ill happen. As the propulsion frequency converter cannot be resumed in a short time， the whole ship w ill face the risk of losing dynamic positioning capacity. In order to enable the propulsion frequency converter to bear a transient voltage drop， it is necessary to let the frequency converter to have its own “anti-disturbance” function. The reliability of the “anti-disturbance” function is validated through the analysis of the principle of “anti-disturbance” and the sea trial.

voltage source frequency converter； electrical propulsion system； single point failure； power quality

規(guī)范與標準

U665.13

A

2095-4069 （2016） 02-0049-06

10.14056/j.cnki.naoe.2016.02.010

2015-04-15

黃易梁，男，工程師，1982年生。2004年畢業(yè)于上海海事大學電氣工程及其自動化專業(yè)，現(xiàn)從事船舶電力推進系統(tǒng)設(shè)計工作。