AFE變頻器在新能源船舶中的應用

潘永德，李明剛

AFE變頻器在新能源船舶中的應用

潘永德1，李明剛2

（1. 大連測控技術研究所，大連 116013; 2. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

電力電子變換裝置能有效解決新能源在船舶應用中的電制匹配問題，AFE變頻器因其能量雙向可控的特點，應用于新能源船舶的優(yōu)勢更加明顯。本文分析了AFE變頻器兩種控制模式的基本原理，對比了這兩種模式的特點，基于上述原理，設計了一型混合動力推進船舶，詳細分析了船舶在不同運行模式下AFE的控制方式及船舶能量流動方向。

AFE變頻器 新能源 船舶

0 引言

近年來，新能源在船舶動力系統(tǒng)中發(fā)展迅速，特別是電池、超級電容、光伏等以直流輸出為表現(xiàn)形式的新型能源在船舶中廣泛應用。船舶電網(wǎng)中多為交流負載，應用電力電子變換裝置對直流能源進行變換是解決新能源在船舶電力系統(tǒng)中應用的最有效方式。本文主要介紹了有源前端（Active Front End, AFE）變頻器在船舶中的應用，重點介紹了AFE變頻器雙向能量可控的特點在新型能源船舶中應用的優(yōu)勢。

1 AFE變頻器的兩種控制模式

AFE變頻器采用全控型器件，既可作為整流器，也可作為逆變器，可實現(xiàn)能量的雙向流動控制，在混合動力船舶應用中具有靈活、高效的特點，本節(jié)主要介紹AFE變頻器兩種典型的控制方式。

1.1 直流母線電壓閉環(huán)控制

當AFE變頻器運行在直流母線電壓控制模式下時，變頻器用作整流器將交流電變換為直流電。直流母線電壓閉環(huán)控制是AFE變頻器最常用的一種控制模式，直流母線電壓可在一定范圍內(nèi)設定，即使在電網(wǎng)波動較大的工況下，直流母線電壓控制器仍能恒定的調(diào)節(jié)電壓。

應用于新能源船舶動力系統(tǒng)中，AFE變頻器既可作為推進電機調(diào)速用的變頻器，還可將其直流母線引出作為直流電源給儲能設備充電，其只需從接入岸電等交流能源，無需在岸上單獨布置充電機，在新能源船應用的成本和改造方面具有獨特的優(yōu)勢。

1.2 交流母線電壓及頻率閉環(huán)控制

當AFE變頻器運行在交流母線電壓及頻率閉環(huán)控制模式下，變頻器實際上可等效為常規(guī)的交流發(fā)電機組。此時變頻器以設定的交流母線電壓及頻率為控制目標，為船上的交流負載提供穩(wěn)定的交流電源。變頻器工作在有功-頻率（-）下垂（圖1）和無功-電壓（-）下垂（圖2）工作模式。

圖1 有功-頻率（P-f）下垂工作模式

圖2 無功-電壓（Q-U）下垂工作模式

用電當兩臺變頻器并聯(lián)運行時，可根據(jù)變頻器的下垂特性實現(xiàn)穩(wěn)定的并聯(lián)與功率分配，如圖3。AFE變頻器在兩種控制模式下的特點對比如下表1所示。

圖3 變頻器并聯(lián)運行特性

2 AFE變頻器的實船應用

根據(jù)AFE變頻器雙向能量流動可控的特點，設計了一型混合動力推進船舶，本船配置磷酸鐵鋰動力電池和柴油發(fā)電機組兩種供電電源，動力系統(tǒng)單線圖如下圖4所示，全船設柴電、電池和充電三種運行模式。

表1 兩種控制模式對比

圖4 混動動力游船單線圖

2.1 柴電模式

在柴電模式下，兩條電池支路的接觸器全部斷開，岸電開關斷開，全船由柴油發(fā)電機組進行供電，主柴油發(fā)電機組為交流母線提供三相電源。通過交流母線為兩條推進支路以及船舶日用負載提供電能。此時，AFE變頻器工作在有源整流模式，推進支路從交流母線取電，驅(qū)動推進電機運行，此時系統(tǒng)簡化示意圖以及能量流向如5所示。

圖5 柴電模式動力系統(tǒng)能量流向示意圖

2.2 電池模式

電池模式下，柴油機組開關斷開，由動力鋰電池組為整船供電。此時，AFE變頻器工作在回饋逆變模式，兩組電池通過兩條支路的AFE變頻器實現(xiàn)逆變并網(wǎng)，通過兩臺變頻器的下垂特性實現(xiàn)兩條支路的功率平均分配。推進支路從直流母線取電，經(jīng)過逆變模塊驅(qū)動推進電機運行，此時系統(tǒng)簡化示意圖以及能量流向如圖6所示。

圖6 純電模式電力推進系統(tǒng)能量流向示意圖

2.3 岸電模式

在岸電供電模式下，發(fā)電機組、推進支路和鋰電池組主開關均斷開，岸電向交流母線供電，同時可通過AFE變頻器將交流電源整流為直流電源向動力鋰電池組充電，此時系統(tǒng)簡化示意圖以及能量流向如圖7所示。

[1] 淺海月, 王海洋. AFE變頻器在船舶電力推進電機控制中應用的研究[J]. 艦船科學技術, 2017(08).

[2] 張志強, 馬繼坤等. 漁業(yè)科考船電力推進系統(tǒng)概述與分析[J]. 船電技術, 2015(08).

[3] 秦琦, 王宥臻. 全球新能源（清潔）船舶及相關智能技術發(fā)展[J]. 船舶, 2018.

Application of AFE Inverter in New Energy Ships

Pan Yongde1, Li Minggang2

(1. Dalian Institute of Measurement and Control Technology, Dalian 116013, Liaoning, China; 2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM612

A

1003-4862（2019）05-0036-03

2019-02-22

潘永德（1989-），男，助理工程師。研究方向：從事船舶電氣相關專業(yè)。