半潛運輸船雙向變頻電源系統(tǒng)設計

劉　波郜世杰華先亮

（1.海軍駐廣州四二七廠軍代表，廣州510336；2.上海船舶研究設計院，上海201203）

船舶電氣

半潛運輸船雙向變頻電源系統(tǒng)設計

劉波1郜世杰1華先亮2

（1.海軍駐廣州四二七廠軍代表，廣州510336；2.上海船舶研究設計院，上海201203）

海洋工程領域的需求是靈活多變的，介紹了某個半潛運輸船項目中，根據(jù)多類型對外供電裝置和多類型岸電接入設備綜合在一起的需求，介紹了多種可行的設計方案，并進行了綜合比較分析，最后選擇設計出一個最適合的雙向變頻電源系統(tǒng)的設計應用案例，為海洋工程領域電氣設計人員在類似需求項目中提供了一個參考解決方案。

海洋工程；半潛運輸船；雙向變頻電源；有源前端整流

0　前言

隨著電力電子技術的飛速發(fā)展以及新技術的普及應用，變頻電源正廣泛應用于各行各業(yè)。在海洋工程領域，大大小小的變頻電源遍及各類作業(yè)船舶和平臺。

目前應用的大部分變頻電源，無論采用的是“發(fā)電機-電動機”形式的G-M旋轉變頻電源，或是“二極管整流-IGBT逆變”形式的DFE靜態(tài)變頻電源，都是單向供電的變頻電源。這兩種形式的單向變頻電源各有各的優(yōu)勢。

得益于有源前端整流（AFE）技術的廣泛應用，目前的靜態(tài)變頻系統(tǒng)可以拋棄占據(jù)大量空間的移相變壓器，輸出接近完美的正弦波交流電源，并且可以將能量反饋回電網(wǎng)，節(jié)能減排。成熟的AFE技術應用于變頻電源裝置，能夠最大程度減小對電網(wǎng)的諧波影響。

1　項目背景

某新型半潛運輸船，船舶電站電制為AC 450 V-60 Hz，要求在載運重型貨物時對AC 380 V-50 Hz電制或AC 440 V-60 Hz電制的貨物供電。在作為海洋工程作業(yè)的搭載平臺時需要對AC 380 V-50 Hz電制或AC 440 V-60 Hz電制的作業(yè)設備供電，能夠在國內外不同的碼頭接入AC 380 V-50 Hz電制或AC 440 V-60 Hz電制的岸電。不同工作模式時的輸入輸出電壓波動范圍為-10%～+6%。

為此，需要設計一套滿足以上所有要求的綜合電源系統(tǒng)。由于該電源系統(tǒng)需要雙向工作，因此定義為“雙向變頻電源系統(tǒng)”。

2　雙向變頻電源系統(tǒng)設計過程

2.1方案選擇

通過調研，確定滿足該型半潛運輸船載運能力范圍內的絕大部分貨物的電源需求不超過500 kW，因此，本方案選用的變頻裝置容量約650 kVA。其運行模式定義如下（圖1～圖4）。

圖2　模式二　船舶電網(wǎng)對外提供不同電制電源（正向變頻）

圖3　模式三　碼頭給船舶電網(wǎng)提供同電制電源（反向旁路）

圖4　模式四　碼頭給船舶電網(wǎng)提供不同電制電源（反向變頻）

根據(jù)以上容量以及運行模式要求，我們初步設計了以下3種架構的電源裝置：

1）旋轉G-M雙向變頻方案。此方案的基本原理是：50 Hz輸入交流電源→50 Hz電動機→機械傳動裝置→60 Hz發(fā)電機→60 Hz輸出交流電源；反之則為：60 Hz輸入交流電源→60 Hz電動機→機械傳動裝置→50 Hz發(fā)電機→50 Hz輸出交流電源。同電制輸入輸出則通過旁路開關實現(xiàn)。

旋轉G-M雙向變頻電源方案見圖5，采用2臺同軸但極對數(shù)不同的同步電機相連的形式，比如外端為600 r/min-10 P的電機，船端為600 r/min-12 P的電機。2臺同步電機在不同的模式下，可作為發(fā)電機或電動機使用?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)人工選擇的運行模式，來選擇起動其中一端作為驅動端，另一端作為輸出端。同時在兩端控制屏各配置了1套通過輔助繞組進行電壓調整的裝置（VR1和VR2），保證了輸出電源的品質。

圖5　旋轉G-M雙向變頻方案

2）“DFE-轉換開關”雙向變頻方案。方案采用二極管整流和IGBT逆變技術及數(shù)字化處理技術，將380 V-50 Hz和440 V-60 Hz三相電源之間進行雙向轉換。裝置主要由開關切換電路、電壓頻率變換電路兩部分組成，其中電壓頻率變換電路又由輸入有源/無源濾波器、DFE-IGBT變頻器、正弦波濾波器、隔離輸出變壓器、輸出電量檢測單元及相關儀表等組成，其中有源/無源濾波器用于減少整流裝置對電網(wǎng)的諧波干擾，核心的DFE-IGBT變頻器采用SPWM脈寬調制技術及矢量電壓控制技術來進行電源功率變換，正弦濾波器將變頻器輸出的SPWM波形校正，同時濾除逆變器所產(chǎn)生的高次諧波分量，輸出純凈的正弦波，輸出變壓器將三相逆變電壓進行隔離轉換。

DFE雙向變頻方案見圖6，切換電路見圖7，核心的基本電路原理見圖8。

圖6　DFE變頻電源方案

圖7　DFE變頻核心架構

圖8　DFE變頻的核心基本電路原理

圖6中的開關切換電路用于用戶根據(jù)輸入電源的不同選擇相應的工作模式。5個開關滿足一系列嚴格的條件互鎖。當需要從船端給外部提供同電制電源，或從外部給船端提供同電制電源時，S3閉合，S1、S2、S4和S5斷開，系統(tǒng)工作在旁路狀態(tài)，變頻單元不工作在供電模式，但可以進行試驗、維護。當需要從船端給外部提供變頻電源時，S1和S5閉合，S2、S3和S4斷開。當需要從外部給船端提供變頻電源時，S4和S2閉合，S1、S3和S3斷開。圖6中可以看出，S1和S4、S2和S5的開關組合也能實現(xiàn)旁路供電功能，但這兩種組合無法滿足其工作時與變頻單元的隔離。

3）背靠背AFE雙向變頻方案。AFE雙向變頻電源方案由2臺背靠背的IGBT-LCL組合模塊、控制檢測單元及相關儀表等組成，方案見圖9，其核心的基本電路原理見圖10。

圖9　AFE雙向變頻方案

圖10　AFE雙向變頻的核心基本電路原理

AFE的功率器件是IGBT，一般開關頻率3 kHz以上。AFE功率變換器具有雙向功能，當功率從AC輸入傳輸至中間DC電路時，變換器對交流電進行正弦脈寬調制（SPWM），當功率從中間DC電路傳輸至AC時，變換器對直流電進行逆變；LCL濾波器將變換器輸出的SPWM波形校正，同時濾除逆變器所產(chǎn)生的高次諧波分量，輸出純凈的正弦波。

當需要從船端向外端提供變頻電源時，船端的AFE模塊工作在整流模式，外端的AFE模塊工作在逆變模式；當需要從外端向船端提供變頻電源時，外端的AFE模塊工作在整流模式，船端的AFE模塊工作在逆變模式。

2.2方案確定

我們將以上3種方案進行多個指標的比較，結果見表1。

表1　3種變頻電源方案對比結果

基于AFE變頻技術對電網(wǎng)品質影響小、結構簡單、安裝空間小、輸出控制靈活的優(yōu)點，在可接受的成本范圍內，確定選用以AFE框架的變頻單元系統(tǒng)架構。

根據(jù)客戶的具體需求，對外部供電時，單個負載最大800 A，最多同時供4路負載，得到雙向變頻電源裝置的實際架構見圖11，前視圖見圖12。

圖11　AFE雙向變頻電源裝置實際架構

圖12　AFE雙向變頻電源裝置前視圖

裝置能夠在0～55℃環(huán)境溫度中正常工作，采用水-水冷卻方式，通過冷卻水帶走98%的熱損耗，因此安裝場所可以無需安裝空調器，降低了噪音。

2.3系統(tǒng)功能

半潛運輸船每次裝載或作業(yè)的負載可能都不一樣，雙向變頻電源系統(tǒng)的硬件配置需足夠豐富、控制系統(tǒng)軟件需要足夠靈活，來滿足每一次作業(yè)需要達到的設定和保護功能。

1）硬件配置：每個外端開關帶遙控脫扣功能且配電流、電壓互感器，每段匯流排配頻率檢測器。配智能電表對電源輸出頻率、三相電壓平均值、三相電流平均值、三相線（相）電壓、三相線電流、三相不平衡度、有功功率、無功功率、功率因素等參數(shù)顯示并對有功功率電度進行統(tǒng)計計量。

2）設定功能：在控制系統(tǒng)，通過PLC和人機界面，設定每一個外端開關的額定值、報警值、脫扣值。

3）保護功能：對輸入電源有完善的過壓、欠壓、過流、短路、缺相、變頻器和變壓器過熱等保護功能，（保護閾值任意設定）考慮對不同船舶的用電負荷的控制，當輸出負荷容量達到任意設定值時發(fā)出預報警信號，以便限制用電負荷。

比如，當船舶需要給一個 AC 380 V-50 Hz-100kW的設備供電時，計算該設備額定電流約190 A。那么將該設備的供電電纜連接到其中一個400 A開關，然后在控制面板上將該開關的過載報警值設定為200 A，脫扣時間為30 s。PLC采集該開關負載端的電流信號，并根據(jù)設定值實現(xiàn)對開關的切斷動作。

2.4輔助配置

AFE雙向變頻電源裝置需要與碼頭岸電連接，也需要連接至貨物或作業(yè)設備。本項目配備了2臺雙卷筒電纜卷車，總共配備了4根3×95 mm2規(guī)格的軟電纜。每根電纜的一端配300 A航空插頭，根據(jù)負載需要與變頻電源裝置上的4個開關靈活連接，另一端配線叉式接頭。另外配備了4組接頭轉換裝置，可將線叉式接頭轉換為標準的航空接頭，可靈活連接不同連接形式的貨物、作業(yè)設備或碼頭岸電。2臺雙卷筒電纜卷車分別布置在兩舷，在大多數(shù)連接岸電工況，僅需用到其中一舷側電纜卷車上的2根電纜，靈活方便。

2.5實船驗證

在經(jīng)過各項試驗后，雙向變頻電源裝置取得了認證并已裝船交付使用，從其實際應用反饋看，此裝置完全達到了設計要求，得到了用戶的滿意評價。

3　結語

目前，雙向變頻電源應用并不多見，但其在半潛運輸船這類特種船型上可以發(fā)揮其最大的優(yōu)勢。在海洋工程其他類似應用場合也有可適用。

Designing of Reversible Converter Power System for Semi-submersible Heavy Lift Vessel

Liu Bo1Gao Shi-jie1Hua Xian-liang2

（1.Naval Military Representative Office in Guangzhou No.427 Factory，Guangzhou 510336，China；2.Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute，Shanghai 201203，China）

The requirement of offshore engineering was always flexible.This article introduced a design case of a reversible converter power system on a semi-submersible heavy lift vessel project.The design was based on the requirement of a special power system that combined multiple electrical systems feeding out and multiple electrical system shore connections.This case could serve as reference projects with similar requirement.

offshore engineering；semi-submersible heavy lift vessel；reversible converter power system；AFE（Active Front-end Rectifier）

U674.3

A

1001-4624（2015）01-0079-04

2015-04-07；

2015-05-20

劉波（1983—），男，助理工程師，從事船舶電氣方面研究工作。郜世杰（1981—），男，工程師，從事船舶電氣方面研究工作。華先亮（1980—），男，高級工程師，長期從事船舶電氣方面研究工作。