劉維閆志偉

（1.中國船級社質(zhì)量認(rèn)證公司秦皇島分公司，2.大船集團(tuán)山船重工設(shè)計(jì)所，河北 秦皇島 066000）

1 研究背景和意義

隨著能源與環(huán)境壓力的增加，清潔可再生的新能源近年受到普遍重視，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)相對比較成熟，具有廣闊的市場前景。風(fēng)電安裝平臺主要用于海上風(fēng)力發(fā)電設(shè)備安裝，而電力推進(jìn)系統(tǒng)作為平臺推進(jìn)和定位的動力系統(tǒng)是風(fēng)電安裝平臺最核心的系統(tǒng)之一，常規(guī)平臺艉部和艏部各配置2套變頻電機(jī)驅(qū)動的全回轉(zhuǎn)電力推進(jìn)系統(tǒng)，該推進(jìn)系統(tǒng)變頻方案有兩種：一種是虛擬24脈沖DFE整流變頻，另一種是有源前端AFE變頻。這兩種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，本文對此系統(tǒng)方案選擇進(jìn)行了研究，從技術(shù)原理分析、建造成本、后期維護(hù)費(fèi)用等方面進(jìn)行深入剖析，旨在為企業(yè)或投資者提供科學(xué)合理的技術(shù)方案選擇。

2 DFE變頻和AFE變頻原理及構(gòu)成技術(shù)研究

2．1 DFE(非主動整流前端)變頻原理及構(gòu)成

根據(jù)技術(shù)的發(fā)展和變頻構(gòu)成的復(fù)雜程度，DFE整流分為普通6脈整流、12脈整流以及24脈整流。普通6脈整流由線電抗器、二極管整流橋模塊、直流回路電容器、IGBT逆變器模塊、輸出du/dt濾波器組成，詳細(xì)可見圖1。

12脈沖變頻器是在普通6脈沖變頻器基礎(chǔ)上，其整流電路由2組二極管整流橋串聯(lián)而成，分別由輸入變壓器的2組副邊(星型和三角形，互差30電角度)供電。

12脈沖變頻器包含：線電抗器、二極管整流橋模塊、快速熔斷器、直流回路電抗器、直流回路電容器、IGBT逆變器模塊、輸出du/dt濾波器。

24脈是由2條分別移相±7.5°的推進(jìn)支路之間同時工作構(gòu)成24脈沖整流形式。

圖1

24脈沖變頻器包含：移相變壓器、線電抗器、二極管整流橋模塊、快速熔斷器、直流回路電抗器、直流回路電容器、IGBT逆變器模塊、輸出du/dt濾波器。詳細(xì)可參考圖2。

圖2

2臺12脈變壓器，形成虛擬24脈整流，減小諧波對電網(wǎng)影響。

圖3

圖3分別為6脈、12脈、24脈整流后的效果圖，可以很直觀地看出整流后的諧波根據(jù)整流的復(fù)雜程度也在減少。

DFE采用線電抗器和二極管整流模塊，整體可靠性比較高。采用12脈沖移項(xiàng)變壓器，諧波含量可控，在同段母線上如有其它12脈動設(shè)備，將組成虛擬24脈動或更高，有效減小諧波干擾。從系統(tǒng)角度分析，12脈沖變頻器方案需要配置移相變壓器、濾波裝置等，整套系統(tǒng)復(fù)雜程度增加，又在一定程度上降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。另外，12脈沖整流變壓器體積較大，對船上空間及重量要求較高的船型不適用。

2．2 AFE（主動整流前端）變頻原理及構(gòu)成

AFE采用有源濾波器加IGBT整流，利用對IGBT晶閘管的控制實(shí)現(xiàn)對輸入電壓進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，從而能夠精確控制直流母線電壓，同時大大減少了由變頻器產(chǎn)生的諧波電流，被譽(yù)為 低諧波變頻器 。AFE變頻器包含：進(jìn)線LCL濾波器、IGBT整流橋模塊、快速熔斷器、直流回路電抗器、直流回路電容器、IGBT逆變器模塊、輸出du/dt濾波器。單套系統(tǒng)相比12脈動DFE整流諧波控制更好。為了過濾IGBT整流橋產(chǎn)生的高次諧波，AFE變頻器輸入端需串聯(lián)LCL濾波器，LCL濾波器與電網(wǎng)中其他感性設(shè)備構(gòu)成了即并聯(lián)又串聯(lián)的復(fù)雜回路。理論上，在某些頻率點(diǎn)，整個網(wǎng)絡(luò)的電容電感中的能量會形成振蕩，即所謂的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振。諧振發(fā)生時，系統(tǒng)總阻抗變得極小或極大。該頻率下的諧波電流或電壓會被放大，造成電壓總諧波突然增大，過大的諧波電流也會損壞LCL濾波器。因此AFE變頻系統(tǒng)為避免諧振影響，系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面需進(jìn)行更多匹配計(jì)算，有效控制諧振。

3 最優(yōu)選型方案分析研究

3．1 AFE與DFE技術(shù)對比分析

(1)由于采用新型可關(guān)斷可控功率器件，與DFE中二極管或可控整流相比，主動前端不再是被動地將交流變?yōu)橹绷?，而是具備了很多的主動控制功能，具有卓越的動態(tài)性能。(2)AFE整流單元及濾波附加電路確保從電網(wǎng)吸取及反饋回電網(wǎng)的只有正弦波電壓或電流，而不會產(chǎn)生通常二極管整流橋不可消除的5、7、11及13次諧波。AFE單元產(chǎn)生的總諧波畸變率<1%,即便是對于惡劣的電網(wǎng)也不例外。(3)AFE可主動控制及調(diào)整直流環(huán)節(jié)的電壓，即便電網(wǎng)波動很大，也仍然保證直流電壓額定，保持良好的控制性能。(4)采用AFE之后，其功率因數(shù)在“1”左右較大的范圍內(nèi)通過參數(shù)設(shè)定可調(diào)，不僅可做到本身近乎為“1”的完美的功率因數(shù)，而且不必另外配備外部補(bǔ)償設(shè)備，甚至還可以補(bǔ)償電網(wǎng)上其它負(fù)載產(chǎn)生的無功功率。(5)DFE技術(shù)較為成熟，24脈整流后諧波可以滿足使用要求，但設(shè)備較大需要船舶空間較大，對空間使用較緊張的船舶不方便布置。(6)DFE整流方案無諧振問題，AFE方案有諧振對設(shè)備的相關(guān)參數(shù)的精確度要求較高。(7)AFE為新技術(shù)，成本較高，后期維護(hù)對技術(shù)人員要求較高。

3．2 建造成本分析研究

由于AFE采用IGBT整流，相比較傳統(tǒng)的DFE變頻系統(tǒng)，價(jià)格還是有差距的。AFE變頻器剛推出的時候，價(jià)格十分昂貴，但是隨著AFE變頻技術(shù)的不斷成熟，AFE變頻器的成本和價(jià)格也在不斷下降，粗略估計(jì)不同變頻驅(qū)動系統(tǒng)的價(jià)格差異如表1所示。

表1

3．3 后期維護(hù)成本分析研究

DFE整流結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便，故障率低。但是DFE變頻系統(tǒng)放入功率元件和驅(qū)動模板是一種可控硅（二極管）與IGBT（三極管，GTO）的混合，需要的維護(hù)保養(yǎng)計(jì)劃不一致。另外對于整個驅(qū)動系統(tǒng)來說，DFE變頻系統(tǒng)配置變壓器，增加了維護(hù)保養(yǎng)工作量。AFE變頻器功率和逆變器模塊基于兼容的硬件，從而降低備件需求，維護(hù)保養(yǎng)工作量較少。同時AFE變頻器輸出電源品質(zhì)較高，電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)性好一些，對于電機(jī)的使用維護(hù)有益。但是AFE由于采用IGBT整流，備品備件價(jià)格較高，而且維護(hù)技術(shù)難度較高。

4 研究綜述

通過研究可知，DFE方案實(shí)船案例多、技術(shù)相對成熟、投資少，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備多、占用空間大。而AFE方案結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)備少，但為新興技術(shù)，實(shí)船案例相對少、投資相對多且存在諧振對設(shè)備的相關(guān)參數(shù)的精確度要求較高。所以變頻方案的選擇，若主要考慮電力系統(tǒng)諧波要求以及船舶艙室布置的空間，則AFE變頻系統(tǒng)較合適。若船舶艙室空間較充裕，同時對設(shè)備價(jià)格較為敏感，則可以考慮DFE變頻系統(tǒng)，因?yàn)槠溆懈墒鞆V泛的應(yīng)用，價(jià)格有一定優(yōu)勢。