AFE技術(shù)在科考船上的應(yīng)用

劉慶亮， 李寶鋼， 徐全香， 鄒祥依， 毛洪偉， 甄松剛

(國家深?；毓芾碇行模?山東 青島 266237)

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AFE技術(shù)在科考船上的應(yīng)用

劉慶亮， 李寶鋼， 徐全香， 鄒祥依， 毛洪偉， 甄松剛

(國家深?；毓芾碇行模?山東 青島 266237)

介紹了先進科考船電力推進上采用的AFE(Active Front End——主動前端)技術(shù)，論述了其原理，描述諧波的抑制和諧振的危害，比較虛擬24脈沖和AFE技術(shù)變頻方案，充分發(fā)揮AFE技術(shù)變頻的優(yōu)勢，基本解決了科考船電力推進系統(tǒng)的諧波干擾和電壓降等問題，該技術(shù)方案可廣泛應(yīng)用于科考船電力推進中。

AFE技術(shù) 科考船 總諧波失真 諧振

0 引言

近幾年國家越來越重視海洋科考，集中建造了一批科學(xué)考察船。已交付使用的科學(xué)考察船有4 000 t級海洋科學(xué)綜合考察船“科學(xué)號”、“向陽紅18船”。在建的項目有：海洋地質(zhì)研究所4 000 t 級海洋科學(xué)考察船、國家海洋局極地研究中心的新建極地破冰科考船、國家海洋局海洋一所和海洋三所的4 500 t級海洋科學(xué)考察船等。以上科考船基本上都采用了先進的全電力推進系統(tǒng)，該技術(shù)已成為新建科考船上的“標(biāo)準(zhǔn)配置”。隨著海洋科學(xué)研究的進步，海洋科考船作為搭載海上儀器設(shè)備的平臺，不僅對船的動態(tài)和操縱性能的要求越來越高，而且對船平臺本身提供的電源電壓的諧波等要求也越來越苛刻。而電力推進船舶上配置的推進變頻器主要為非線性負載，恰恰是船舶電網(wǎng)諧波污染的主要來源，因此控制總電壓諧波干擾值成為目前科考船需重點解決的技術(shù)問題。

為了抑制總諧波失真，為推進變頻器配置移相干式變壓器組成虛擬24脈沖裝置。該配置需要提供整個船舶電站的系統(tǒng)諧波計算，相應(yīng)的諧波控制方案需達到控制指標(biāo)。此外，還需提供除推進變頻器外，其他變頻設(shè)備的功率和類型。在參數(shù)確認后，詳細計算諧波干擾結(jié)果，優(yōu)化電網(wǎng)阻抗，以保持在所有正常工作下低于限定值的較低電壓諧波干擾。采用AFE(Active Front End——主動前端)技術(shù)的變頻器，整流器采用PWM控制，使輸入電流波形為正弦波，總諧波失真極低，基本解決了諧波污染問題，也使電力系統(tǒng)更為簡單且無需使用移相變壓器，節(jié)省了空間。

1 AFE變頻器工作原理

AFE變頻器整流部分采用PWM技術(shù)，采用正弦信號波和三角波比較的方法對整流電路的IGBT進行正弦脈寬調(diào)制(SPWM)，得到SPWM波Uab、 Ubc和Uca(線電壓)。電壓波中含有與正弦信號波同頻且幅值成比例的基波分量以及與三角波載波有關(guān)的頻率很高的諧波，不含低次諧波。由IGBT組成三相橋式結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了電網(wǎng)與變頻器直流母線間能量的雙向流動。由于AFE主動前端摒棄了落后的固定橋式二極管整流模式，無論在整流還是在回饋狀態(tài)下工作時，都是通過IGBT開關(guān)狀態(tài)的切換來實現(xiàn)相應(yīng)的功能。因此，使用了AFE主動前端后，無論在整流還是在回饋狀態(tài)下，變頻器的網(wǎng)側(cè)電流都是諧波很少的正弦波，功率因數(shù)也接近1，顯著減小了對電網(wǎng)的干擾。同時，變頻器采用了AFE主動前端后，可以實現(xiàn)前端能量的雙向流動，因此可以應(yīng)用于各種需要電機四象限運行的場合中。

由于AFE主動前端的產(chǎn)品拓撲結(jié)構(gòu)實際上等效為一個BOOST逆變器，因此其直流母線電壓可以高于電網(wǎng)電壓峰值，可以在電網(wǎng)電壓較低時或波動較大時保持直流母電壓的穩(wěn)定。AFE變頻器主電路如圖1所示。

2 AFE變頻器對諧波的抑制

不同于傳統(tǒng)多脈沖二極管整流器，AFE變頻器的整流器利用對IGBT晶閘管的控制對輸入電壓進行調(diào)制解調(diào)，從而能夠精確地控制直流母線電壓，同時顯著減少由變頻器產(chǎn)生的諧波電流，被譽為“低諧波變頻器”。

得益于AFE對輸入電流的閉環(huán)控制，IBGT整流橋動態(tài)調(diào)整電流波形，補償諧波電流。使在任何負載下的總諧波電流控制在5%。二極管整流橋的特性是負荷越大，諧波電流越大，變頻器不具備補償諧波電流的能力，完全是諧波的發(fā)生源。AFE變頻器卻能補償電網(wǎng)諧波電流，起到“主動濾波器”的作用。所以對于AFE系統(tǒng)而言，諧波不再是使用變頻器的阻礙。AFE與傳統(tǒng)二極管整流變頻器系統(tǒng)特性對比如表1所示。

圖1 AFE變頻器主電路

表1 AFE與傳統(tǒng)二極管整流變頻器系統(tǒng)特性對比

3 AFE變頻器諧振分析

為了過濾IBGT整流橋產(chǎn)生的高次諧波，AFE變頻器輸入端需串聯(lián)LCL濾波器，LCL濾波器與電網(wǎng)中其他感性設(shè)備構(gòu)成了既并聯(lián)又串聯(lián)的復(fù)雜回路。理論上，在某些頻率點，整個網(wǎng)絡(luò)中電容電感中的能量會形成振蕩，即所謂的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振。諧振發(fā)生時，系統(tǒng)總阻抗變得極小或極大。該頻率下的諧波電流或電壓會被放大，造成電壓總諧波突然增大，過大的諧波電流也會損壞LCL濾波器。

為了規(guī)避諧振頻率，某公司利用Matlab等仿真軟件進行諧振分析。利用完善的設(shè)備參數(shù)在Matlab里搭建系統(tǒng)模型，評估在各種工況下發(fā)生諧振的可能性。如發(fā)現(xiàn)有可能發(fā)生諧振，將對設(shè)備參數(shù)進行調(diào)整或者給出合理的工況建議以避免諧振的發(fā)生。

4 AFE方案與其他方案的對比

目前，我國已建和在建科考船中，主要采用虛擬24脈沖和AFE兩種方案。以載人潛水器支持母船為例，比較兩種方案的優(yōu)缺點，如表2所示。該船的主要電氣設(shè)備有：2臺2 600 kW和2臺760 kW的主發(fā)電機組，1套690 V的主配電板，2套2 500 kW 的主推進變頻系統(tǒng)，1套800 kW可伸縮式全回轉(zhuǎn)推進器和2臺1 500 kV配電變壓器。

表2 虛擬24脈沖和AFE兩種方案性能對比

續(xù)表2 虛擬24脈沖和AFE兩種方案性能對比

5 應(yīng)用

為了檢驗AFE系統(tǒng)在實際工作中的表現(xiàn)，對某采用AFE變頻技術(shù)的電力推進船進行了詳細地檢測，發(fā)現(xiàn)在最惡劣工況下，電網(wǎng)電壓總諧波為2.9%，最大單次諧波為1%。在各工況下，系統(tǒng)沒有發(fā)生諧振，運行穩(wěn)定。

6 結(jié)論

采用AFE技術(shù)的變頻器由于具有低諧波、更寬泛的功率范圍、更高的輸出功率因數(shù)、更強的過載能力、更方便的維護功率模塊和能量回饋電網(wǎng)等優(yōu)點，可提高電網(wǎng)的質(zhì)量，同時滿足了調(diào)查儀器設(shè)備對電網(wǎng)質(zhì)量的要求。采用該技術(shù)的設(shè)備，能更好地響應(yīng)國家建造綠色船舶的政策，符合國家可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略，可在我國電力推進科考船上得到更多的認可和應(yīng)用。

[1] 孫文志. 基于AFE技術(shù)改善變頻器性能的原理與實踐[J].電氣自動化，2008，30(5)：32-33.

[2] 孫玉良. 有源前端變頻器在船舶電力推進中的應(yīng)用[J].上海造船，2009，25(2)：30-32.

[3] 龔水遷.AFE在港口起重機中的應(yīng)用[J].制冷空調(diào)與電力機械，2010(4)：96-98.

Application of AFE Technology on the Scientific Research Vessel

Liu Qing-liang， LI Bao-gang， XU Quan-xiang， ZOU Xiang-yi，MAO Hong-wei， ZHEN Song-gang

(National Deep Sea Center, Qingdao Shandong 266237, China)

The application of AFE technology on the scientific research vessel’s electrical propulsion system was introduced, and its principles were expounded. The harmonic suppression and the harm of harmonic was also described. Comparing virtual 24 pulse with AFE technology, and giving full play to the advantages of AFE technology, solving the problem of harmonic interference and voltage drop on the scientific research vessel’s electrical propulsion system. This technology will get more application on the scientific research vessel’s electrical propulsion system.

AFE technology Scientific research vessel Total harmonic distortion Resonance

大洋專項“載人深潛器母船功能需求論證”(編號：BS-DY2012-01)。

劉慶亮(1980-)，男，工程師，主要研究方向為科考船舶的應(yīng)用。

TP202

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