AFE變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)實(shí)船應(yīng)用可行性探析

何金平，鄭 坤，王炳軒，王連佳

(中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司 天津300457)

0 引 言

隨著船舶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)船舶操縱性能、可靠性以及節(jié)能環(huán)保的要求提高，電力推進(jìn)系統(tǒng)倍受青睞。尤其是雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)與電力推進(jìn)技術(shù)的結(jié)合，為采用雙燃料動(dòng)力船行業(yè)提供了很好的發(fā)展方向。雙燃料電力推進(jìn)系統(tǒng)這一新興的技術(shù)，從船舶推進(jìn)效益角度以及長(zhǎng)遠(yuǎn)利益來看，其優(yōu)越性日益凸顯，另外隨著技術(shù)的進(jìn)步，船舶電力推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展勢(shì)在必行。

電力推進(jìn)技術(shù)經(jīng)歷了從直流到交流、從低壓到中壓、從小功率到大功率的發(fā)展過程，都有大量的實(shí)船應(yīng)用業(yè)績(jī)。特別是近年來交流變頻電力推進(jìn)技術(shù)取得了快速發(fā)展，主要有兩大系統(tǒng) DFE(非主動(dòng)無原前端整流)和 AFE(主動(dòng)有源整流前端)技術(shù)，其中 DFE技術(shù)已在電力推進(jìn)船舶中占有大量份額，但其設(shè)備多、艙室布置難度大、諧波影響大，對(duì)船舶設(shè)計(jì)有一定的局限性。隨著 AFE技術(shù)的成熟，以及設(shè)備布置便利、系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、諧波影響小等諸多優(yōu)點(diǎn)，備受行業(yè)青睞。相比而言，國(guó)內(nèi)使用 AFE變頻器的船型特別是由國(guó)內(nèi)廠商集成的 AFE變頻器工程應(yīng)用較少，缺乏相關(guān)的集成設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)[1]。

1 船舶電力推進(jìn)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

雙燃料電力推進(jìn)技術(shù)作為一個(gè)新興的船舶推進(jìn)技術(shù)，其發(fā)展大致經(jīng)過了 3個(gè)階段：常規(guī)柴油機(jī)與可調(diào)槳電力推進(jìn)、常規(guī)柴油機(jī)全回轉(zhuǎn)電力推進(jìn)、雙燃料電力推進(jìn)。

電力推進(jìn)設(shè)備的技術(shù)革新推動(dòng)其產(chǎn)業(yè)發(fā)展。目前廣泛使用的變頻電力推進(jìn)系統(tǒng)主要有兩種整流技術(shù)，即DFE非主動(dòng)有源整流前端與AFE主動(dòng)有源整流前端。兩種整流技術(shù)各有特點(diǎn)，相比較而言，DFE技術(shù)起步早，使用較為廣泛，AFE整流技術(shù)具備的諸多優(yōu)點(diǎn)也使其得到快速發(fā)展。

國(guó)內(nèi)外已建造運(yùn)營(yíng)的電力推進(jìn)船舶中，大多使用DFE技術(shù)方案，但是該方案會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)諧波產(chǎn)生，影響船舶電網(wǎng)安全。通常采用高脈沖 DFE方案，即在DFE網(wǎng)側(cè)，通過設(shè)置移相變壓器，構(gòu)成 12脈沖或者虛擬 24脈沖整流系統(tǒng)，從而有效抑制諧波對(duì)電網(wǎng)的影響。該技術(shù)通過船舶實(shí)際使用效果反饋成熟可靠，同時(shí) DFE高脈沖整流技術(shù)也帶來一些問題，如增加移相變壓器或增加濾波器，增加了船舶的初始投資，對(duì)船舶設(shè)備的空間布置需求加大，船舶運(yùn)營(yíng)后對(duì)設(shè)備的維護(hù)成本增加[2]。

隨著 AFE技術(shù)的發(fā)展趨于成熟，其逐漸轉(zhuǎn)向船舶工程化應(yīng)用，不僅為船舶設(shè)計(jì)提供了更為有效的諧波管控措施，也為船舶電力分配設(shè)計(jì)、船舶設(shè)備空間布置以及后期運(yùn)營(yíng)管理等方面提供了改進(jìn)提升的空間。

2 AFE技術(shù)原理

AFE整流前端技術(shù)使用 IGBT大功率全控式電子器件，由場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)和雙極晶體管復(fù)合而成，通過控制信號(hào)既可以控制其導(dǎo)通，又可以控制其關(guān)斷。IGBT器件具有驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)速度快、飽和壓降低、容量大的優(yōu)點(diǎn)[2]。

AFE整流前端與變頻器的輸出逆變器結(jié)構(gòu)相同，使用 IGBT全控器件組成三相橋式結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)上看，AFE前端相當(dāng)于一個(gè)逆變器，其有源的含義在于，與傳統(tǒng)的二極管整流技術(shù)相比，有源前端不再是被動(dòng)的將交流轉(zhuǎn)換成直流，而是取消了很多主動(dòng)的控制功能。通過控制全控器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，可以消除諧波，提高功率因數(shù)，回饋能量，保持直流母線電壓恒定。合適的控制策略可以使 AFE前端變頻器網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)達(dá)到 1，大幅降低網(wǎng)側(cè)電流諧波，其直流母線電壓也更為穩(wěn)定。

AFE使用IGBT搭建成三相橋式整流結(jié)構(gòu)，如圖1所示，IGBT并聯(lián)反向二極管，用于在整流和逆變時(shí)發(fā)揮續(xù)流作用[3]。

AFE整流器采用PWM控制技術(shù)，該控制技術(shù)有一個(gè)重要原理——沖量等效原理：大小、波形不相同的窄脈沖變量，作用于慣性系統(tǒng)，只要它們的沖量，即變量對(duì)時(shí)間的積分相等，其作用效果就相同。結(jié)合AFE整流器的工作圖看 AFE變頻器工作原理，其調(diào)制波為設(shè)定的正弦波，載波為開關(guān)頻率的脈沖波，把調(diào)制波和載波進(jìn)行比較產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)脈沖對(duì)開關(guān)器件的通斷進(jìn)行合理控制，使多脈波的矩形脈沖電壓寬度按調(diào)制波幅值變化，對(duì)外的作用就相當(dāng)于正弦波。通過傅里葉分析得知，輸入電壓中除基波外僅含有與開關(guān)頻率倍數(shù)相對(duì)應(yīng)的高次諧波，從而消除了許多低次諧波，開關(guān)頻率越高，脈波數(shù)越多，就越利于更多地消除低次諧波。

圖1 AFE整流器結(jié)構(gòu)Fig.1 AFE rectifier structure

3 AFE系統(tǒng)特點(diǎn)

在變頻電力推進(jìn)系統(tǒng)中，DFE的功率元器件采用二極管或晶閘管，而 AFE有源整流前端采用新型可關(guān)斷功率器件IGBT等，其整流單元相當(dāng)于倒裝逆變器，作用與逆變器正好相反，將交流轉(zhuǎn)換為直流。AFE變頻器網(wǎng)測(cè)電壓是SPWM 脈沖型電壓，且其工作原理也要求網(wǎng)測(cè)需要一定的電感，所以 AFE變頻器網(wǎng)側(cè)濾波器的設(shè)計(jì)是AFE變頻器動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要部分。良好的適配濾波器不僅能降低 AFE變頻器傳入主電網(wǎng)的諧波含量，也在一定程度上抑制共模干擾的傳導(dǎo)，此外，還能夠使AFE變頻器在更寬的交流側(cè)電壓范圍內(nèi)正常工作。

AFE變頻器的能量雙向流動(dòng)特性一直被認(rèn)為是其作為推進(jìn)變頻器的一大優(yōu)勢(shì)。因?yàn)樵诖爸苿?dòng)過程中，推進(jìn)電機(jī)要產(chǎn)生一個(gè)阻力矩來降低螺旋槳的轉(zhuǎn)速，當(dāng)力矩和轉(zhuǎn)速方向相反時(shí)會(huì)產(chǎn)生制動(dòng)功率，這一部分功率經(jīng)推進(jìn)電機(jī)向推進(jìn)變頻器回涌，若這一部分制動(dòng)功率無法泄放，將推高變頻器的直流母線電壓，對(duì)變頻器造成損害。對(duì)于 DFE變頻器，其整流器半導(dǎo)體功率組件為部控元件，能量不能往網(wǎng)側(cè)輸送，只能在變頻器的直流母線上加裝制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻來消耗制動(dòng)能量；對(duì)于AFE變頻器，其整流器半導(dǎo)體功率組件為全控元件，能量能夠受控地向網(wǎng)側(cè)輸送，維持直流母線電壓在一定范圍內(nèi)，而輸送到網(wǎng)側(cè)的一部分能量能夠供給電網(wǎng)的其他負(fù)載使用。

然而，這種 AFE變頻器制動(dòng)能量回饋的方法有其局限性。當(dāng)船舶電網(wǎng)的容量較大特別是推進(jìn)負(fù)荷的容量很大時(shí)，制動(dòng)回饋的功率瞬時(shí)峰值也較高，該功率回饋到主電網(wǎng)的話相當(dāng)于電站負(fù)荷有一個(gè)突卸沖擊，輕則影響電站穩(wěn)定性，重則導(dǎo)致機(jī)組逆功停機(jī)。另外，當(dāng)發(fā)電機(jī)組和 AFE推進(jìn)變頻器的容量相差不大，若發(fā)電機(jī)的調(diào)速器參數(shù)、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器參數(shù)與AFE變頻器的控制器參數(shù)設(shè)置不合理，會(huì)造成 AFE推進(jìn)變頻器與發(fā)電系統(tǒng)之間的振蕩。

4 AFE驅(qū)動(dòng)技術(shù)方案

AFE變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)方案在船舶的實(shí)際應(yīng)用，主要采用雙螺旋槳推進(jìn)形式，如圖 2所示。該系統(tǒng)采用雙推進(jìn)系統(tǒng)，兩推進(jìn)系統(tǒng)連接到公共直流母線，共享電力系統(tǒng)。兩套推進(jìn)系統(tǒng)負(fù)載共享直流母線功率容量，兩臺(tái)推進(jìn)負(fù)載通過公共直流母線實(shí)現(xiàn)能量的流動(dòng)與再次分配。該系統(tǒng)配置特性使得推進(jìn)系統(tǒng)減少或不需要制動(dòng)電阻的配置。

圖2 典型AFE配置方案Fig.2 Typical AFE configuration

該 AFE變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，在實(shí)船方案設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行常規(guī)的電網(wǎng)諧波分析，同時(shí)還需要進(jìn)行諧振評(píng)估。在推進(jìn)系統(tǒng)調(diào)速特性設(shè)計(jì)上，通常采用恒轉(zhuǎn)矩模式和弱磁調(diào)速模式兩種方式，恒轉(zhuǎn)矩模式是在推進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行在額定功率以下，當(dāng)推進(jìn)功率達(dá)到額定功率之后，將自動(dòng)切換到弱磁調(diào)速運(yùn)行，推進(jìn)系統(tǒng)電壓、電流及功率將保持在額定值運(yùn)行。

推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式：

T＝9550P/n

式中：T為電機(jī)轉(zhuǎn)矩，P為電機(jī)功率，n為電機(jī)轉(zhuǎn)速。由該公式可以看出，推進(jìn)電機(jī)在額定功率 P情況下的轉(zhuǎn)速n與轉(zhuǎn)矩T成正比例關(guān)系。

AFE變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)，與現(xiàn)有船舶主流 DFE(虛擬24脈沖)變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)相比，其各自的系統(tǒng)特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)、船舶設(shè)備布置以及對(duì)目標(biāo)船舶投資的成本，在方案設(shè)計(jì)階段選型上將要綜合考慮[4]，主要對(duì)比參見表1。

表1 AFE與DFE變頻驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)選型對(duì)比Tab.1 Comparison of design and selection of AFE and DFE

5 結(jié) 論

電力推進(jìn)，特別是雙燃料電力推進(jìn)技術(shù)，作為一項(xiàng)新興的技術(shù)快速發(fā)展，尤其是電站管理系統(tǒng) PMS及電力推進(jìn)控制技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，給電力推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展注入了新的活力?，F(xiàn)今，由于能源經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保排放等要求的提高，電力推進(jìn)以及雙燃料電力推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展勢(shì)在必行。

目前國(guó)內(nèi)電力推進(jìn)船舶主要采用DFE變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)，盡管AFE技術(shù)儲(chǔ)備已達(dá)到實(shí)船應(yīng)用，但是實(shí)船應(yīng)用較少。另外，鑒于 AFE變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)，在今后電力推進(jìn)船舶上無疑將得到越來越多的實(shí)船應(yīng)用業(yè)績(jī)。