AFE變頻器在海洋救助船上的應(yīng)用

陳兆錫，樂小龍

應(yīng)用研究

AFE變頻器在海洋救助船上的應(yīng)用

陳兆錫1，樂小龍2

（1.交通運(yùn)輸部東海救助局，上海 200090；2. 上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203）

本文簡(jiǎn)要介紹了AFE變頻器的工作原理，從設(shè)備外形尺寸及重量、能量回饋及電磁兼容等方面，對(duì)AFE變頻器和DFE變頻器進(jìn)行了對(duì)比。介紹了新型中型海洋救助船主推進(jìn)系統(tǒng)AFE變頻器的主要參數(shù)及應(yīng)用情況，為后續(xù)船型的設(shè)計(jì)和建造提供了有益參考。

AFE變頻器 海洋救助船 能量回饋 電磁兼容

0 引言

2003年以來(lái)，我國(guó)交通運(yùn)輸部確立了救助系統(tǒng)的工作要以海上人命救生為主，促成了我國(guó)海洋救助船新船型的誕生[1]，形成了以6000 kW、8000 kW和14000 kW救助船為核心的救助船隊(duì)，并具有全天候、大功率、高性能和高航速的特點(diǎn)，極大地提高了海上事故的應(yīng)急反應(yīng)、人命救助、環(huán)境救助和財(cái)產(chǎn)救助的綜合能力。這些救助船均采用常規(guī)軸系推進(jìn)型式，由柴油機(jī)通過齒輪箱驅(qū)動(dòng)可調(diào)槳，并配有軸帶發(fā)電機(jī)和主發(fā)電機(jī)組。

為了更好地適應(yīng)沿海及島礁等淺水和復(fù)雜水域海上應(yīng)急救助的需要，在實(shí)現(xiàn)救助船隊(duì)有序更新的基礎(chǔ)上，兼顧救助應(yīng)急處置的實(shí)效性和經(jīng)濟(jì)性，交通運(yùn)輸部東海救助局于2015年提出研發(fā)并建造1艘新型中型海洋救助船。該船（即“東海救151”輪）采用電力推進(jìn)，于2018年8月開工，2019年底建造完成交付使用。下文在簡(jiǎn)述有源前端變頻器（Active Front End，以下簡(jiǎn)稱AFE變頻器）原理的基礎(chǔ)上，對(duì)AFE變頻器和無(wú)源前端變頻器（Diode Front End，以下簡(jiǎn)稱DFE變頻器）這兩種電力推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析，并介紹AFE變頻器在該新型中型海洋救助船上的應(yīng)用情況。

1 AFE變頻器原理

變頻器主要由整流、濾波、逆變、制動(dòng)、驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)控制單元等組成。AFE變頻器的整流前端與輸出端逆變器具有相同的結(jié)構(gòu)，都是采用絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，簡(jiǎn)稱IGBT）組成的三相橋式結(jié)構(gòu)，如圖1所示。與傳統(tǒng)的DFE變頻器所采用的二極管整流技術(shù)相比，AFE變頻器整流環(huán)節(jié)不再是被動(dòng)的將交流轉(zhuǎn)換成直流，它通過控制IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷，可以消除5次和7次等低次諧波，提高功率因數(shù)，有效地降低船舶電網(wǎng)側(cè)的諧波電流。AFE變頻器具有雙PWM整流特性，能夠抑制推進(jìn)系統(tǒng)中諧波的產(chǎn)生，同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)變頻器母線和電網(wǎng)間的雙向能量流動(dòng)。

AFE變頻器的工作方式可分為以下2種[2]：

1） 獨(dú)立控制

當(dāng)控制對(duì)象的電動(dòng)機(jī)狀態(tài)發(fā)生突變時(shí)，母線電壓首先產(chǎn)生波動(dòng)，AFE變頻器根據(jù)母線波動(dòng)情況對(duì)電網(wǎng)側(cè)的功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此直流回路中的電容容量必須足夠大，從而緩解負(fù)載側(cè)逆變回路和電網(wǎng)側(cè)整流回路能量分布不平衡的問題。同時(shí)，大電容容量會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和動(dòng)態(tài)性能產(chǎn)生影響。

2） 聯(lián)合控制

該方式將負(fù)載側(cè)功率變化情況提前反饋給AFE功率控制或電流部分，能夠有效提高直流回路的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，進(jìn)而提升AFE變頻器的整體性能。同時(shí)，該方式能夠降低直流回路中的電容容量，從而可以降低AFE變頻器的體積和成本。

2 AFE與DFE電力推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)比

采用DFE變頻器的電力推進(jìn)系統(tǒng)中設(shè)置了移相變壓器，通過該變壓器副邊的具有不同聯(lián)接組別的雙套繞組產(chǎn)生相位不同的電壓波形，再送到DFE變頻器的兩組整流裝置中，從而構(gòu)成12脈沖或24脈沖整流器。而采用AFE變頻器的電力推進(jìn)系統(tǒng)中沒有移相變壓器。兩種不同變頻電力推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)備組成對(duì)比如圖2所示。下面將從設(shè)備布置、能量回饋及電磁兼容等方面對(duì)兩種系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 設(shè)備布置

由圖2可知，DFE變頻電力推進(jìn)系統(tǒng)中多出了2臺(tái)移相變壓器。對(duì)于DFE變頻系統(tǒng)而言，由于其整流單元采用的二極管全橋整流，其電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)不高，輸入諧波電流較大[3]。為了降低DFE變頻系統(tǒng)中的諧波，通常采用增加移相變壓器脈沖數(shù)的方法。采用12脈沖甚至更高脈沖數(shù)的整流裝置用后，在降低了諧波的同時(shí)也付出了相應(yīng)的代價(jià)：增加了移相變壓器和濾波器，增加了初期投資，且空間安裝需求變大；系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，整體效率會(huì)因變壓器等設(shè)備的使用而有所降低。但是，我們需要綜合來(lái)對(duì)比：即把移相變壓器和DFE變頻器加在一起，再來(lái)與AFE變頻器進(jìn)行整體比較。某海洋工程船主推進(jìn)器額定功率2000 kW，采用了DFE變頻器加移相變壓器方案，將其與同功率的AFE變頻器設(shè)備外形尺寸進(jìn)行了對(duì)比，具體如圖3所示。

從上圖可以看出：DFE變頻器加移相變壓器的總長(zhǎng)為5000 mm，變頻器重量約為2.5 t，移相變壓器重量約為7 t。AFE變頻器長(zhǎng)度為5030 mm，重量約為4 t 。由此可見，兩種不同方式的設(shè)備尺寸幾乎相當(dāng)，但DFE電力推進(jìn)系統(tǒng)由于多出了2臺(tái)移相變壓器，系統(tǒng)總重要大一些。

圖3 AFE變頻器和DFE變頻器+移相變壓器尺寸對(duì)比

2.2 能量回饋

AFE變頻器采用IGBT后，其具有能量雙向流動(dòng)特性：即當(dāng)大功率負(fù)載電動(dòng)機(jī)（例如：吊機(jī)）處于二象限（發(fā)電狀態(tài)）運(yùn)行時(shí)，AFE處于逆變回饋模式，會(huì)向電網(wǎng)側(cè)回饋電能。在陸地上的無(wú)窮大容量電網(wǎng)中，這種回饋能量不會(huì)對(duì)電網(wǎng)本身產(chǎn)生影響，而且通過加裝合適的儲(chǔ)能裝置還能將其回收利用。在船舶制動(dòng)過程中，推進(jìn)電動(dòng)機(jī)也會(huì)產(chǎn)生制動(dòng)功率，這一部分功率也可以經(jīng)過AFE變頻器回饋至船舶電網(wǎng)，若這一部分制動(dòng)功率無(wú)法泄放，將導(dǎo)致變頻器的直流母線電壓升高，并可能對(duì)變頻器造成損害。對(duì)于DFE變頻器，其整流單元采用的是二極管，由于其只能單向?qū)?，因此能量不能往電網(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(lái)消耗。船上AFE變頻器制動(dòng)能量的回饋方法有其局限性：當(dāng)船舶電網(wǎng)的容量較大，特別是推進(jìn)裝置的功率很大時(shí)，制動(dòng)狀態(tài)時(shí)的回饋功率瞬時(shí)峰值也較高，這對(duì)于船舶電站而言是一種沖擊，輕則影響電站運(yùn)行的穩(wěn)定性，重則導(dǎo)致機(jī)組逆功停機(jī)[4]。另外，當(dāng)船舶發(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，也有可能會(huì)造成AFE推進(jìn)變頻器與發(fā)電機(jī)組之間產(chǎn)生振蕩。

2.3 電磁兼容

IGBT的高頻載波會(huì)通過傳導(dǎo)和輻射兩種方式對(duì)外界產(chǎn)生電磁干擾[5]。當(dāng)波段靠近50次諧波時(shí)，IGBT的開關(guān)頻率約為2～3 kHz。更高的開關(guān)頻率，諧波波段會(huì)漂移到更高頻次。在許多例子中，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于50次諧波，甚至一些電力品質(zhì)分析儀都無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量。輻射干擾會(huì)影響信號(hào)的正常傳輸，對(duì)于模擬量信號(hào)，會(huì)直接改變信號(hào)電參量的大??；對(duì)于采用差分傳輸?shù)拇型ㄓ崳瑒t會(huì)在信號(hào)電平上疊加一個(gè)共模噪聲，一旦超過允許的范圍，可能導(dǎo)致接口電路燒毀。因此，在線纜敷設(shè)時(shí)應(yīng)注意避免信號(hào)電纜與變頻電纜近距離平行排布，并且在兩類電纜相交時(shí)采取垂直相交方式。在DFE系統(tǒng)中，移相變壓器還能起到隔離作用：若變頻器、電機(jī)、或相關(guān)電纜發(fā)生接地故障，由于變壓器的隔離作用，將不會(huì)使接地故障影響到主電網(wǎng)，這也是DFE系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)勢(shì)。

3 AFE變頻器實(shí)船應(yīng)用情況

為更好服務(wù)“海洋強(qiáng)國(guó)”和“21 世紀(jì)海上絲綢之路”等重大國(guó)家戰(zhàn)略的實(shí)施，進(jìn)一步提升海上人命救生和船舶救助能力，依據(jù)中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部關(guān)于新型中型海洋救助船建造項(xiàng)目建議書的批復(fù)（交規(guī)劃函[2016]405號(hào)）和項(xiàng)目可行性研究報(bào)告的批復(fù)(交規(guī)劃函[2017]106號(hào))，同意建造1 艘新型中型海洋救助船。該船采用全電力推進(jìn)系統(tǒng)，航行于無(wú)限航區(qū)，用于低海況下沿海水道、島礁等淺水區(qū)域人命救生和船舶救助，可兼顧高海況下救助任務(wù)，具有DP2 級(jí)動(dòng)力定位能力。下面介紹該船的電力系統(tǒng)組成、AFE變頻器主要參數(shù)以及交付使用情況。

3.1 系統(tǒng)組成

該船采用全電力推進(jìn)系統(tǒng)，配有4臺(tái)主柴油發(fā)電機(jī)組：2臺(tái)AC690 V、50 Hz、2600 kW，2臺(tái)AC690 V、50 Hz、450 kW。主推進(jìn)裝置采用AFE變頻器驅(qū)動(dòng)，推進(jìn)電動(dòng)機(jī)為船用水冷鼠籠型變頻調(diào)速交流電動(dòng)機(jī)，額定功率為AC690 V、2000 kW。首部配有2臺(tái)管隧式側(cè)推，額定功率為680 kW，采用軟起動(dòng)器。設(shè)有2臺(tái)AC690 V/400 V、800 kVA日用電力變壓器，為全船日用負(fù)載供電。電力系統(tǒng)組成如圖4所示。

圖4 電力系統(tǒng)示意圖

3.2 主要參數(shù)

主推進(jìn)裝置采用2臺(tái)AFE變頻器（型號(hào)：ACS880-37LC-2390A-7），采用直接轉(zhuǎn)矩控制，淡水冷卻，防護(hù)等級(jí)IP54，安裝在船舶平臺(tái)甲板尾部的變頻器艙。變頻器整流單元逆變單元均采用IGBT，設(shè)置多個(gè)功率模塊，每個(gè)功率模塊為完整3相逆變單元，發(fā)生單一模塊故障時(shí)可降功率運(yùn)行。變頻器前端帶LCL濾波，輸出端配有du/dt電抗器，輸出頻率：0～300Hz。變頻器外形尺寸為長(zhǎng)×寬×高=5230×716×2046 mm，重量約4.3 t。另配有2臺(tái)剎車電阻（水冷），額定功率400kW。主推進(jìn)變頻器具有以下功能：過電壓、過電流、低電壓、過載、超溫、絕緣監(jiān)測(cè)等保護(hù)功能；轉(zhuǎn)速控制/功率控制/功率限制功能；能耗制動(dòng)功能；緊急停車功能等。

3.3 使用情況

該船在航行試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)：1臺(tái)主發(fā)電機(jī)在網(wǎng)和1臺(tái)主推進(jìn)AFE變頻器在網(wǎng)時(shí)，側(cè)推軟起動(dòng)器起動(dòng)后，側(cè)推配電板開關(guān)立即跳閘，側(cè)推起動(dòng)失敗。經(jīng)儀表測(cè)得數(shù)據(jù)：在該工況下側(cè)推起動(dòng)電流可以達(dá)到5.9倍In，電網(wǎng)壓降21%。與主推進(jìn)變頻器及側(cè)推軟起動(dòng)器廠家討論分析后認(rèn)為：軟起動(dòng)器起動(dòng)時(shí)，其自身的諧波與AFE變頻器的諧波相互作用，軟起動(dòng)器控制回路受到干擾，導(dǎo)致側(cè)推軟啟動(dòng)器的晶閘管觸發(fā)回路紊亂，最終使側(cè)推起動(dòng)失敗。最終，通過調(diào)整軟起動(dòng)器控制板的參數(shù)設(shè)定，提高其電磁兼容能力，同時(shí)調(diào)整AFE變頻器的參數(shù)設(shè)定，規(guī)避與軟起動(dòng)器的干擾諧波頻譜，順利解決了該問題。經(jīng)測(cè)試：側(cè)推起動(dòng)過程中電網(wǎng)THD為6.45%，起動(dòng)成功后THD為2.4%，諧波測(cè)量值如圖5所示。

圖5 側(cè)推起動(dòng)過程諧波測(cè)量值

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于有半導(dǎo)體變換器裝置運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)，單次諧波至15次的諧波應(yīng)不超過標(biāo)稱電壓的5%，其后逐漸減少，在100次諧波時(shí)應(yīng)減少到1%[6]。通常，我們會(huì)把注意力主要集中在低頻段諧波，盡量降低總諧波值，很容易忽視高次諧波帶來(lái)的危害，當(dāng)諧波頻率接近電網(wǎng)震蕩頻率時(shí)，極易引發(fā)諧振。在設(shè)計(jì)階段，要根據(jù)發(fā)電機(jī)、變壓器和變頻器的電抗參數(shù)，以及主干電纜和變頻電纜的分布電抗以及電纜長(zhǎng)度等情況，進(jìn)行諧波及諧振分析計(jì)算，確保電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

AFE變頻器和傳統(tǒng)的DFE變頻器相比，在外形尺寸、設(shè)備重量、諧波抑制等方面各自有優(yōu)缺點(diǎn)。在項(xiàng)目論證及設(shè)計(jì)過程中，需要充分考慮設(shè)備布置空間和電力系統(tǒng)的可靠性，對(duì)于電力推進(jìn)系統(tǒng)而言，要更加關(guān)注諧波干擾和電磁兼容方面的問題，確保電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定和船舶航行安全。

[1] 鄭梓蔭，楊存國(guó)等.中國(guó)海洋救助船主力船型-8000 kW海洋救助船[J].船舶設(shè)計(jì)通訊, 2010, (01).

[2] 錢海月，王海洋.AFE變頻器在船舶電力推進(jìn)電機(jī)控制中應(yīng)用的研究[J].艦船科學(xué)技術(shù), 2017, 39(4A): 40-42.

[3] 郭昂, 張京坤等. 某中壓交流電力推進(jìn)系統(tǒng)變頻器的設(shè)計(jì)論證[J]. 機(jī)電設(shè)備, 2020, (01): 57-60.

[4] 何金平. AFE變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)實(shí)船應(yīng)用可行性探析[J]. 天津科技, 2020, 47(10): 43-45.

[5] 陸士平, 陳曄. AFE變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)在科考船上的應(yīng)用研究[J]. 船舶, 2017.

[6] 中國(guó)船級(jí)社. 鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范[S]. 2021.

Application of AFE converter on ocean rescue vessel

Chen Zhaoxi1, Le Xiaolong2

（1.Donghai Rescue Bureau of The Ministry of Transport, Shanghai 200090, China; 2. Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute，Shanghai 201203，China）

TM921.51

A

1003-4862（2022）02-0012-04

2021-11-16

陳兆錫（1972-），男，輪機(jī)長(zhǎng)。研究方向：船舶輪機(jī)。E-mail: 15005926299@163.com