在線式熱退出功能在岸基供電系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉廣財(cái)，羅文斌，楊青

（ 1.上海電動(dòng)工具研究所（集團(tuán)）有限公司 上海寶準(zhǔn)電源科技有限公司，上海 200233；2.上海國(guó)際港務(wù)（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200080；3.江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，上海 201913 ）

0 引言

當(dāng)前，國(guó)家提出系統(tǒng)謀劃并建設(shè)綠色港口，堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先，綠色發(fā)展，指定實(shí)施綠色港口建設(shè)方案。對(duì)于船舶而言，靠泊后，停止燃油發(fā)電機(jī)進(jìn)而使用岸側(cè)靜止時(shí)變頻岸電系統(tǒng)供電成為綠色港口建設(shè)的一個(gè)重要組成部分。停用船舶發(fā)電機(jī)而改用岸電系統(tǒng)供電，這就使得岸電系統(tǒng)在控制及主回路冗余上有極高的穩(wěn)定性要求。與此同時(shí)，當(dāng)岸電系統(tǒng)持續(xù)供電時(shí)，也不可發(fā)生因某個(gè)主要部件故障致使整機(jī)停止供電的情況。本文從洋山港四期5 MVA岸電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)，闡述在線式熱退出功能的作用、實(shí)現(xiàn)原理及具備優(yōu)勢(shì)，在實(shí)際機(jī)型上測(cè)試了控制波形，進(jìn)一步模擬故障，測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行效果。

1 概述

岸電系統(tǒng)在連船供電過(guò)程中，當(dāng)一套功率模塊發(fā)生故障后，自動(dòng)退出系統(tǒng)并停止運(yùn)行，剩余功率模塊繼續(xù)維持供電，故障模塊原先承載的負(fù)荷將被平均分配至剩余功率模塊，這種在運(yùn)行過(guò)程中實(shí)現(xiàn)的主功率模塊自動(dòng)退出過(guò)程稱(chēng)之為在線式熱退出功能。

2 設(shè)計(jì)

2.1 變頻電源主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

5 MVA岸電系統(tǒng)設(shè)計(jì)功率器件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)考慮問(wèn)題如下：

1）岸電系統(tǒng)達(dá)到冗余要求，實(shí)現(xiàn)在線式熱退出功能，必須具備IGBT并聯(lián)結(jié)構(gòu)，即退出逆變器和剩余逆變器互為旁路，互不影響；

2） 岸電系統(tǒng)采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，考慮單臺(tái)逆變器的容量分配以及工作電壓，是否影響線路電流密度；

3）岸電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在線式熱退出功能時(shí)，系統(tǒng)需要極高處理速度以及電壓電流調(diào)整速率，對(duì)系統(tǒng)最小控制周期有嚴(yán)格要求；

4）多臺(tái)逆變器并聯(lián)，為滿(mǎn)足高輸出波形質(zhì)量的要求，逆變器控制方式需采用多電平控制方案。

綜上，5 MVA岸電系統(tǒng)功率器件部分設(shè)計(jì)如下：

采用T型三電平主逆變器結(jié)構(gòu)，每臺(tái)逆變器容量1 000 kVA，額定輸出電壓1 000 VAC，逆變器額定輸出電流550 A，可實(shí)現(xiàn)線路低電流密度要求；系統(tǒng)采用6臺(tái)1 000 kVA逆變器并聯(lián)，總逆變器容量達(dá)6 000 kVA，在一臺(tái)逆變器熱退出情況下，滿(mǎn)足5 000 kVA額定容量要求；在兩臺(tái)逆變器熱退出情況下，剩余逆變器容量4 000 kVA，仍可以80%額定容量繼續(xù)維持供電。

T型三電平主逆變器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1所示，由上管IGBT、下管IGBT、中性點(diǎn)IGBT組成。通過(guò)控制三組IGBT的開(kāi)關(guān)組合可實(shí)現(xiàn)三電平階梯波的輸出。

圖1 逆變器原理

5 MVA變頻電源部分主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 變頻電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為滿(mǎn)足多臺(tái)并聯(lián)需求，5 MVA岸電變頻電源采用高—低—高結(jié)構(gòu)，即10 kV/50 Hz進(jìn)線經(jīng)降壓隔離變壓器轉(zhuǎn)換為4路獨(dú)立的620 V/50 Hz，經(jīng)過(guò)二極管無(wú)源整流后得到帶有中性點(diǎn)零電位的三段直流母線電壓，6臺(tái)1 000 kVA逆變器并聯(lián)接入三段直流母線，逆變器輸出采用正弦濾波器進(jìn)行對(duì)三電平階梯波的濾波，得到標(biāo)準(zhǔn)正弦波。在正弦濾波器后端，考慮到熱退出逆變器存在承受正弦反壓風(fēng)險(xiǎn)，特增加一臺(tái)隔離開(kāi)關(guān)作為熱退出后的自動(dòng)斷點(diǎn)。

2.2 變頻電源控制架構(gòu)

為滿(mǎn)足在線熱退出過(guò)程中的高速控制，主控制CPU中斷頻率選擇10 kHz，即單臺(tái)逆變器的控制周期為100 μs。每臺(tái)逆變器的CPU內(nèi)，故障保護(hù)啟動(dòng)時(shí)間為10個(gè)機(jī)器周期，機(jī)器周期時(shí)間為25 ns，若考慮硬件電容時(shí)間常數(shù)及傳感器的反應(yīng)延遲時(shí)間，故障發(fā)生后，保護(hù)啟動(dòng)時(shí)間小于1 μs。當(dāng)故障發(fā)生后，散熱風(fēng)機(jī)損壞或風(fēng)道堵塞造成逆變器過(guò)熱，逆變器可在溫度保護(hù)達(dá)到設(shè)定閾值后1 μs內(nèi)完成過(guò)熱故障保護(hù)，鎖存故障信號(hào)并通過(guò)光纖通信上傳中央控制CPU。

2.2.1 主從CPU之間光纖通訊的實(shí)現(xiàn)

本次通訊設(shè)計(jì)中，主控制CPU與每臺(tái)逆變器從機(jī)CPU采用光纖串聯(lián)模式，光纖收發(fā)器采用飛利浦公司的HF1528和HF2528，最高頻率可達(dá)10 MHz。光纖采用安捷倫公司的塑料內(nèi)芯光纖。

光纖通訊連接方式如圖3所示：

圖3 主從CPU光纖聯(lián)絡(luò)圖

光纖通信設(shè)計(jì)周期100 μs，每個(gè)bit位長(zhǎng)度500 ns，計(jì)算得到每個(gè)周期極限承載數(shù)據(jù)：

由上可得，理論上每次通信最大承載數(shù)據(jù)量為200個(gè)，在實(shí)際運(yùn)行中，受物理轉(zhuǎn)換時(shí)間及校驗(yàn)位影響，通訊信息個(gè)數(shù)低于200。

當(dāng)一臺(tái)逆變器發(fā)生故障保護(hù)后，如在圖3中，1號(hào)逆變器發(fā)生過(guò)流保護(hù)，則本臺(tái)逆變器在檢測(cè)到保護(hù)信號(hào)后即停止PWM控制及輸出，逆變器處于故障待機(jī)狀態(tài)，且不能自動(dòng)復(fù)位。同時(shí)，1號(hào)逆變器CPU鎖存故障信號(hào)點(diǎn)，在下一通訊周期將故障點(diǎn)按照既定協(xié)議位置存入通訊線路中。故障信號(hào)經(jīng)由光纖通信路徑傳至主控CPU，主控制CPU鎖存本信號(hào)及該臺(tái)逆變器的狀態(tài)信息，發(fā)出告警，其余逆變器繼續(xù)工作。

2.2.2 逆變器優(yōu)先保護(hù)與主控制CPU握手

單臺(tái)逆變器的保護(hù)過(guò)程應(yīng)獨(dú)立、不影響其余逆變器的工作狀態(tài)，且故障發(fā)生后應(yīng)即刻做出響應(yīng)以切斷PWM輸出，避免造成核心功率器件損傷。逆變器狀態(tài)信息及故障信息需上報(bào)主控CPU，讓系統(tǒng)層面知曉故障點(diǎn)并發(fā)出告警，以便在供電結(jié)束后，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)故障排查和搶修。

逆變器進(jìn)行故障處理時(shí)工作流程如圖4所示。發(fā)生過(guò)熱、過(guò)流、驅(qū)動(dòng)短路等故障后，由于逆變器CPU的機(jī)器周期為25 ns，故障信號(hào)采集周期小于1 μs，逆變器可在故障后短時(shí)間內(nèi)完成保護(hù)并關(guān)斷IGBT，停止PWM的驅(qū)動(dòng)輸出，同時(shí)，CPU在下一次100 μs的通訊周期內(nèi)將故障信號(hào)及狀態(tài)信息上傳至主控CPU。

圖4 單臺(tái)逆變器保護(hù)及上報(bào)流程

3 樣機(jī)與測(cè)試

3.1 逆變器主結(jié)構(gòu)

單臺(tái)逆變器容量為1 000 kVA，采用將兩臺(tái)逆變器背向安裝在一臺(tái)逆變柜內(nèi)，單臺(tái)逆變柜容量達(dá)到2 000 kVA，5 000 kVA岸電系統(tǒng)的逆變器部分由三臺(tái)2 000 kVA逆變柜組成，如圖5所示。上部為三相功率模塊，中間為真空接觸器，額定電壓1 140 V，可滿(mǎn)足帶載分?jǐn)?，下部是正弦濾波器，本臺(tái)逆變柜的輸出為標(biāo)準(zhǔn)正弦波。

圖5 逆變器主結(jié)構(gòu)

當(dāng)某臺(tái)逆變器發(fā)生故障后，IGBT驅(qū)動(dòng)立即封鎖PWM波輸出，處于中部的接觸器隨之分?jǐn)?，達(dá)到先保護(hù)后隔離目的。

3.2 光纖通信控制

由圖6實(shí)測(cè)主控制CPU與每臺(tái)逆變器CPU的光纖通訊波形，單次通信周期為100 μs，每周期段長(zhǎng) 72 μs。光纖通信內(nèi)部設(shè)啟動(dòng)地址位，數(shù)據(jù)地址位，數(shù)據(jù)信息，停止地址位。岸電正常運(yùn)行供電時(shí)，主控制CPU采用每100 μs周期輪詢(xún)發(fā)送每臺(tái)逆變器的控制信息和地址信息，而逆變器將本臺(tái)的狀態(tài)信息存入匹配的地址后發(fā)出至主控制CPU實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上報(bào)。故障發(fā)生后，故障逆變器存入相應(yīng)信息至光纖通訊程序，主控制CPU進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和累計(jì)，如未達(dá)到跳閘值，將保持剩余逆變器繼續(xù)工作。

圖6 光纖通信控制波形

4 結(jié)語(yǔ)

從主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)到控制軟件的架構(gòu)層面設(shè)計(jì)了基于三電平逆變器大功率港口岸電電源的在線式熱退出功能，在實(shí)際樣機(jī)和產(chǎn)品中進(jìn)行了控制方法的驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果證明，在線式熱退出功能在大功率高—低—高岸電系統(tǒng)中，通過(guò)將故障逆變器自動(dòng)在線退出系統(tǒng)的方式，提高岸電系統(tǒng)的供電穩(wěn)定性，避免岸基靜止式電力電子電源的故障停機(jī)造成的經(jīng)濟(jì)損失，為岸電系統(tǒng)的有利推廣提供了靠性的保證。