變頻驅(qū)動技術(shù)在風(fēng)電安裝船電力推進(jìn)系統(tǒng)上的運用

林創(chuàng)鵬，王飛飛，陳慶俊

（廣州星際海洋工程設(shè)計有限公司，廣東廣州 511462）

0 引 言

與傳統(tǒng)的船舶推進(jìn)方式采用主機驅(qū)動螺旋槳技術(shù)（見圖1）相比，船舶電力變頻驅(qū)動推進(jìn)（見圖2）因具有調(diào)速范圍廣、響應(yīng)速度快、控制精度高、機械噪聲低和節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢，在風(fēng)電安裝船等各種海工船舶上的推進(jìn)系統(tǒng)中得到了越來越多的應(yīng)用。目前，船舶電力推進(jìn)主要采用電壓源型交-直-交變頻驅(qū)動技術(shù)，利用變頻驅(qū)動裝置，根據(jù)各種船舶工況輸出頻率和電壓可變的交流電源，驅(qū)動推進(jìn)電機高效運行。船舶推進(jìn)驅(qū)動變頻器的配置主要采用多脈沖整流前端（Diode Front End，DFE）變頻器和有源前端（Active Front End，AFE）變頻器2 種變頻方案，本文就風(fēng)電安裝船采用的這2 種變頻驅(qū)動電力推進(jìn)方案的配置和變頻驅(qū)動帶來的諧波干擾與抑制等問題進(jìn)行分析。

圖1 主機驅(qū)動螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)

圖2 變頻驅(qū)動電力推進(jìn)系統(tǒng)

1 規(guī)范對變頻驅(qū)動電力推進(jìn)系統(tǒng)諧波的要求

船舶變頻驅(qū)動電力推進(jìn)系統(tǒng)中的變頻器作為系統(tǒng)的核心驅(qū)動設(shè)備，其功率可占到整個船舶電網(wǎng)容量的70% ～80%，變頻器中的整流器和逆變器電路采用的是大功率二極管、絕緣柵雙極晶體管等非線性電力電子器件，這些電力電子器件在工作過程中會使電源輸入電流中產(chǎn)生諧波電流，形成非正弦波，引起電源內(nèi)的阻抗產(chǎn)生相應(yīng)的諧波電壓。這些諧波電壓施加到電網(wǎng)中的電氣設(shè)備的電源端，會引起各設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生相應(yīng)的諧波電流，造成發(fā)熱、振動等影響，使儀器儀表產(chǎn)生誤差等。因此，在設(shè)計電力推進(jìn)系統(tǒng)變頻器配置方案時，必須采用有效的諧波抑制措施，保證船舶電網(wǎng)穩(wěn)定運行。各船級社對船舶電網(wǎng)諧波指標(biāo)的要求見表1。

表1 各船級社對船舶電網(wǎng)諧波指標(biāo)的要求

2 電力推進(jìn)系統(tǒng)變頻驅(qū)動技術(shù)方案對比

在船舶變頻驅(qū)動電力推進(jìn)系統(tǒng)中，為更好地抑制變頻器產(chǎn)生的諧波，目前在配置電力推進(jìn)系統(tǒng)變頻器方案時，主要采用DFE變頻和脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）AFE變頻控制，以使船舶電網(wǎng)總電壓諧波畸變率THD滿足規(guī)范的要求。這2 種變頻驅(qū)動控制變頻器在重量、體積、控制方式和價格成本等方面存在差異，具體采用哪種變頻驅(qū)動推進(jìn)方案需根據(jù)具體項目諧波分析結(jié)果，在綜合考慮其他因素之后確定。目前AFE變頻器主要應(yīng)用在690 V低壓系統(tǒng)的電力推進(jìn)系統(tǒng)中，DFE變頻器在690 V、3 000 V和6 000 V中低壓系統(tǒng)的電力推進(jìn)系統(tǒng)中都有運用。

2.1 DFE變頻器

對于船舶電網(wǎng)而言，變頻器就是一個整流裝置，在網(wǎng)側(cè)諧波電流次數(shù)為

式（1）中：k為正整數(shù)，k=1，2，3，…；m為整流裝置整流脈波數(shù)。

DFE變頻器主電路圖見圖3，主要由三相全橋整流器（由VD～VD等6 個二極管構(gòu)成）、直流儲能電容器C和三相IGBT電壓型PWM逆變器（由V～V等構(gòu)成6 個IGBT管）組成。整流裝置由三相二極管組成橋式整流電路，整流前端輸出的直流電壓在交流電的1 個變化周期內(nèi)有6 個脈動的波頭（m =6），變頻器網(wǎng)側(cè)諧波電流的次數(shù)為5，7，11，13，17，19，23，…，導(dǎo)致船舶電網(wǎng)輸入電流高低次諧波含量大，電壓波形總諧波畸變嚴(yán)重，輸入功率因數(shù)減小，船舶供電品質(zhì)受到影響。DFE變頻器6 脈沖整流前端輸入電流和輸出直流電壓波形見圖4。

圖3 DFE變頻器主電路圖

圖4 DFE變頻器6脈沖整流前端輸入電流和輸出直流電壓波形

為防止6 脈沖DFE變頻器整流前端諧波過大，降低諧波對船舶電網(wǎng)的影響，目前電力推進(jìn)系統(tǒng)常在推進(jìn)變頻器前增加移相變壓器，構(gòu)成12 脈沖或24 脈沖等多脈沖整流前端，有效抑制變頻器產(chǎn)生的電網(wǎng)諧波。

移相變壓器的工作原理是利用三相變壓器一次側(cè)和二次側(cè)繞組的不同連接組別實現(xiàn)二次側(cè)繞組電壓的不同移相。移相變壓器是一個三繞組變壓器，其原邊采用星形接法；副邊有2 個繞組，分別接成星形和三角形，三角形繞組的輸出電壓與星形繞組的輸出電壓的相位差為30°，這樣副邊就得到了2 組6 個電壓，經(jīng)過全波整流就得到了12 個脈動波頭的直流電壓。圖5 為DFE變頻器12 脈波整流前端輸入電流和輸出直流電壓波形，在DEF變頻器前增加12 脈波移相變壓器，2 組三相橋式整流并移相30°電角度，整流前端輸出的直流電壓在交流電的1 個變化周期內(nèi)有12 個脈動的波頭（m=12），12 脈波移相變壓器與2 組三相橋式整流橋構(gòu)成12 脈波整流，此時諧波電流為11，13，23，25，…，可消除電網(wǎng)側(cè)5 次、7 次、17 次、19 次和31 次諧波，電網(wǎng)輸入電流諧波量可減少50%，12 脈波變頻器單側(cè)電流諧波THD＜15%。目前，在風(fēng)電安裝船的DP2電力推進(jìn)系統(tǒng)配置中，常采用推進(jìn)器艙左右舷對稱配置1 臺推進(jìn)器、1 臺移相變壓器和1 臺推進(jìn)變頻器的配置方案，每套移相變壓器都有2 套三相次級繞組，每套移相變壓器的2 套次級繞組之間存在30°電位移。同時，2 套移相變壓器的原邊繞組相對于電網(wǎng)分別存在+7.5°和-7.5°的電位移，當(dāng)2 套變頻器同時工作時，形成虛擬24 脈沖整流系統(tǒng)，可消除11 次、13 次、35 次和37 次諧波，電網(wǎng)總諧波進(jìn)一步減少，總電壓諧波THD的畸變率控制在5%以內(nèi)。虛擬24 脈沖和真正24 脈沖配置見圖6。

圖5 DFE 變頻器12脈波整流前端輸入電流和輸出直流電壓波形

圖6 虛擬24脈沖和真正24脈沖配置

2.2 AFE變頻器

AFE變頻器主電路圖見圖7，由輸入電抗器X、三相PWM整流器（由V、V、V、V、V和V等6 個IGBT管構(gòu)成）、直流儲能電容器和三相IGBT電壓型PWM逆變器（由V、V、V、V、V和V等6 個IGBT管構(gòu)成）組成，也稱雙PWM變頻器。與DFE變頻器不同的是，AFE變頻器整流前端采用IGBT全控制電力電子器件替代不可控二極管組成三相橋式整流電路，通過PWM驅(qū)動信號控制IGBT的快速通斷實現(xiàn)整流。當(dāng)正弦信號的頻率與輸入電源頻率相同時，輸入電流波形為正弦波，波形基本無諧波，能大幅減小電網(wǎng)側(cè)諧波電流，系統(tǒng)功率因數(shù)也接近于1。通過PWM控制全控型IGBT的通斷，可使前端整流器工作在逆變或回流狀態(tài)，當(dāng)推進(jìn)電機工作在制動狀態(tài)時，PWM整流器處于逆變運行狀態(tài)，從而將電能回饋給電網(wǎng)，實現(xiàn)電網(wǎng)能量的雙向流動，起到節(jié)能環(huán)保的作用。

圖7 AFE變頻器主電路圖

3 DFE變頻器和AFE變頻器在電力推進(jìn)系統(tǒng)中的應(yīng)用實例

目前，對于船舶電力推進(jìn)變頻驅(qū)動控制系統(tǒng)，國內(nèi)外集成商的解決方案主要是采用DFE 變頻器，其在690 V和3 000 V、6 000 V中低壓系統(tǒng)中都有應(yīng)用，而AFE變頻主要在690 V等低壓系統(tǒng)項目中應(yīng)用。

圖8為800 t自升式風(fēng)電作業(yè)平臺電力推進(jìn)系統(tǒng)DFE變頻器方案。該平臺長85.8 m，寬40.0 m，配置3臺1 900 kW的發(fā)電機、1 臺760 kW的停泊發(fā)電機、2 臺1 200 kW的艉部全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器、2 臺750 kW的艏部槽道式側(cè)推器、1 臺825 kVA的主起重機和1 套液壓插銷式升降系統(tǒng)。該平臺的主要諧波源為主推變頻器、側(cè)推變頻器和主起重機，在設(shè)計電力推進(jìn)系統(tǒng)方案前期，根據(jù)平臺各工況的電力負(fù)荷分析和系統(tǒng)集成商提供的電力系統(tǒng)諧波分析報告，當(dāng)采用移相變壓器加DFE變頻器時，電網(wǎng)總諧波畸變率最嚴(yán)重時690 V和400 V匯流排電壓THD均控制在3%以下，滿足中國船級社規(guī)范要求的小于5%。同時，因DFE 變頻器在價格上比AFE變頻器更具優(yōu)勢，所以在制訂變頻器方案時采用DFE變頻器。

圖8 800 t自升式風(fēng)電作業(yè)平臺電力推進(jìn)系統(tǒng)DFE變頻器方案

圖9為1 600 t風(fēng)電安裝平臺電力推進(jìn)系統(tǒng)AFE變頻器方案。該平臺長102.00 m，寬43.98 m，配置5 臺1 900 kW的發(fā)電機、2 臺2 400 kW的艉部全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器、2 臺1 500 kW的艏部槽道式側(cè)推器、1 臺2 000 kW主起重機和1 套液壓插銷式升降系統(tǒng)。該平臺的主要諧波源為主推變頻器、側(cè)推變頻器和主起重機，同時為實現(xiàn)節(jié)能減排，機艙風(fēng)機和海水泵控制均采用變頻控制，電網(wǎng)諧波源多，總諧波畸變率高。根據(jù)平臺各工況的電力負(fù)荷分析和系統(tǒng)集成商提供的電力系統(tǒng)諧波分析報告，當(dāng)采用移相變壓器加DFE 變頻器時，電網(wǎng)總諧波畸變率最嚴(yán)重時690 V和400 V匯流排電壓THD均超過中國船級社規(guī)范要求的小于5%，只能采用24脈沖DFE變頻器或AFE變頻器。因24 脈沖DFE變頻器方案中每臺變頻器需配置2 臺三繞組移相變壓器，從設(shè)備空間布置、總體重量和價格等方面對比，AFE 變頻器都更具優(yōu)勢，所以該平臺的電力推進(jìn)變頻驅(qū)動方案選擇采用AFE變頻器。

圖9 1 600 t風(fēng)電安裝平臺電力推進(jìn)系統(tǒng)AFE變頻器方案

從上述電力推進(jìn)系統(tǒng)配置方案中可看出，DFE變頻器方案與AFE 變頻器方案在設(shè)備配置上的區(qū)別主要在于DFE變頻器前增加了2 套移相推進(jìn)變壓器，其他設(shè)備的配置基本一致。DFE變頻器與AFE變頻器因整流前端控制器件和控制方式等不同，導(dǎo)致設(shè)備重量、體積和價格等存在較大的差異。AFE 變頻器相比DFE變頻器和移相變壓器總成本較高，但在提高系統(tǒng)功率因數(shù)和抑制電網(wǎng)諧波干擾等方面性能優(yōu)越。DFE 變頻器與AFE變頻器的結(jié)構(gòu)配置和性能對比見表2。

表2 DFE變頻器與AFE變頻器的結(jié)構(gòu)配置和性能對比

4 結(jié) 語

通過以上分析可知，船舶變頻驅(qū)動電力推進(jìn)技術(shù)無論是采用移相變壓器加DFE 變頻器組成12 脈沖或24 脈沖變頻裝置，還是采用AFE變頻器，都能有效抑制船舶電網(wǎng)諧波，得到滿足規(guī)范要求的控制指標(biāo)。在已交付的多艘電力推進(jìn)船舶中，大部分采用的都是由DFE 變頻器和移相變壓器組成的多脈沖變頻驅(qū)動方案，AFE變頻器除了價格昂貴之外，在共模干擾和電磁兼容性方面存在不足，易對電網(wǎng)的穩(wěn)定性和設(shè)備的安全可靠運行產(chǎn)生很大的影響，尤其是在高壓配電系統(tǒng)中共模干擾幅值較大。因此，相對于在陸上電網(wǎng)中的廣泛運用，目前AFE變頻器只在低壓電網(wǎng)船舶電力推進(jìn)中得到一些運用。