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(shè)計(jì)院，上海201203）

船舶電氣

半潛運(yùn)輸船雙向變頻電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)院，上海201203）

海洋工程領(lǐng)域的需求是靈活多變的，介紹了某個(gè)半潛運(yùn)輸船項(xiàng)目中，根據(jù)多類型對(duì)外供電裝置和多類型岸電接入設(shè)備綜合在一起的需求，介紹了多種可行的設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了綜合比較分析，最后選擇設(shè)計(jì)出一個(gè)最適合的雙向變頻電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用案例，為海洋工程領(lǐng)域電氣設(shè)計(jì)人員在類似需求項(xiàng)目中提供了一個(gè)參考解決方案。

海洋工程；半潛運(yùn)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(shù)的飛速發(fā)展以及新技術(shù)的普及應(yīng)用，變頻電源正廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。在海洋工程領(lǐng)域，大大小小的變頻電源遍及各類作業(yè)船舶和平臺(tái)。

目前應(yīng)用的大部分變頻電源，無(wú)論采用的是“發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)”形式的G-M旋轉(zhuǎn)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(shì)。

得益于有源前端整流（AFE）技術(shù)的廣泛應(yīng)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(shù)應(yīng)用于變頻電源裝置，能夠最大程度減小對(duì)電網(wǎng)的諧波影響。

1　項(xiàng)目背景

某新型半潛運(yùn)輸船，船舶電站電制為AC 450 V-60 Hz，要求在載運(yùn)重型貨物時(shí)對(duì)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(tái)時(shí)需要對(duì)AC 380 V-50 Hz電制或AC 440 V-60 Hz電制的作業(yè)設(shè)備供電，能夠在國(guó)內(nèi)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(shí)的輸入輸出電壓波動(dòng)范圍為-10%～+6%。

為此，需要設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)過(guò)程

2.1方案選擇

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

圖2　模式二　船舶電網(wǎng)對(duì)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(yùn)行模式要求，我們初步設(shè)計(jì)了以下3種架構(gòu)的電源裝置：

1）旋轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)→機(jī)械傳動(dòng)裝置→60 Hz發(fā)電機(jī)→60 Hz輸出交流電源；反之則為：60 Hz輸入交流電源→60 Hz電動(dòng)機(jī)→機(jī)械傳動(dòng)裝置→50 Hz發(fā)電機(jī)→50 Hz輸出交流電源。同電制輸入輸出則通過(guò)旁路開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)。

旋轉(zhuǎn)G-M雙向變頻電源方案見(jiàn)圖5，采用2臺(tái)同軸但極對(duì)數(shù)不同的同步電機(jī)相連的形式，比如外端為600 r/min-10 P的電機(jī)，船端為600 r/min-12 P的電機(jī)。2臺(tái)同步電機(jī)在不同的模式下，可作為發(fā)電機(jī)或電動(dòng)機(jī)使用?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)人工選擇的運(yùn)行模式，來(lái)選擇起動(dòng)其中一端作為驅(qū)動(dòng)端，另一端作為輸出端。同時(shí)在兩端控制屏各配置了1套通過(guò)輔助繞組進(jìn)行電壓調(diào)整的裝置（VR1和VR2），保證了輸出電源的品質(zhì)。

圖5　旋轉(zhuǎn)G-M雙向變頻方案

2）“DFE-轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)”雙向變頻方案。方案采用二極管整流和IGBT逆變技術(shù)及數(shù)字化處理技術(shù)，將380 V-50 Hz和440 V-60 Hz三相電源之間進(jìn)行雙向轉(zhuǎn)換。裝置主要由開(kāi)關(guān)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(wú)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(cè)單元及相關(guān)儀表等組成，其中有源/無(wú)源濾波器用于減少整流裝置對(duì)電網(wǎng)的諧波干擾，核心的DFE-IGBT變頻器采用SPWM脈寬調(diào)制技術(shù)及矢量電壓控制技術(shù)來(lái)進(jìn)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(shí)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(jìn)行隔離轉(zhuǎn)換。

DFE雙向變頻方案見(jiàn)圖6，切換電路見(jiàn)圖7，核心的基本電路原理見(jiàn)圖8。

圖6　DFE變頻電源方案

圖7　DFE變頻核心架構(gòu)

圖8　DFE變頻的核心基本電路原理

圖6中的開(kāi)關(guān)切換電路用于用戶根據(jù)輸入電源的不同選擇相應(yīng)的工作模式。5個(gè)開(kāi)關(guān)滿足一系列嚴(yán)格的條件互鎖。當(dāng)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(shí)，S3閉合，S1、S2、S4和S5斷開(kāi)，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(jìn)行試驗(yàn)、維護(hù)。當(dāng)需要從船端給外部提供變頻電源時(shí)，S1和S5閉合，S2、S3和S4斷開(kāi)。當(dāng)需要從外部給船端提供變頻電源時(shí)，S4和S2閉合，S1、S3和S3斷開(kāi)。圖6中可以看出，S1和S4、S2和S5的開(kāi)關(guān)組合也能實(shí)現(xiàn)旁路供電功能，但這兩種組合無(wú)法滿足其工作時(shí)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(tái)背靠背的IGBT-LCL組合模塊、控制檢測(cè)單元及相關(guān)儀表等組成，方案見(jiàn)圖9，其核心的基本電路原理見(jiàn)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(kāi)關(guān)頻率3 kHz以上。AFE功率變換器具有雙向功能，當(dāng)功率從AC輸入傳輸至中間DC電路時(shí)，變換器對(duì)交流電進(jìn)行正弦脈寬調(diào)制（SPWM），當(dāng)功率從中間DC電路傳輸至AC時(shí)，變換器對(duì)直流電進(jìn)行逆變；LCL濾波器將變換器輸出的SPWM波形校正，同時(shí)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(dāng)需要從船端向外端提供變頻電源時(shí)，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(dāng)需要從外端向船端提供變頻電源時(shí)，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(jìn)行多個(gè)指標(biāo)的比較，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　3種變頻電源方案對(duì)比結(jié)果

基于AFE變頻技術(shù)對(duì)電網(wǎng)品質(zhì)影響小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝空間小、輸出控制靈活的優(yōu)點(diǎn)，在可接受的成本范圍內(nèi)，確定選用以AFE框架的變頻單元系統(tǒng)架構(gòu)。

根據(jù)客戶的具體需求，對(duì)外部供電時(shí)，單個(gè)負(fù)載最大800 A，最多同時(shí)供4路負(fù)載，得到雙向變頻電源裝置的實(shí)際架構(gòu)見(jiàn)圖11，前視圖見(jiàn)圖12。

圖11　AFE雙向變頻電源裝置實(shí)際架構(gòu)

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(guò)冷卻水帶走98%的熱損耗，因此安裝場(chǎng)所可以無(wú)需安裝空調(diào)器，降低了噪音。

2.3系統(tǒng)功能

半潛運(yùn)輸船每次裝載或作業(yè)的負(fù)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(lái)滿足每一次作業(yè)需要達(dá)到的設(shè)定和保護(hù)功能。

1）硬件配置：每個(gè)外端開(kāi)關(guān)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(cè)器。配智能電表對(duì)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(wú)功功率、功率因素等參數(shù)顯示并對(duì)有功功率電度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)量。

2）設(shè)定功能：在控制系統(tǒng)，通過(guò)PLC和人機(jī)界面，設(shè)定每一個(gè)外端開(kāi)關(guān)的額定值、報(bào)警值、脫扣值。

3）保護(hù)功能：對(duì)輸入電源有完善的過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、短路、缺相、變頻器和變壓器過(guò)熱等保護(hù)功能，（保護(hù)閾值任意設(shè)定）考慮對(duì)不同船舶的用電負(fù)荷的控制，當(dāng)輸出負(fù)荷容量達(dá)到任意設(shè)定值時(shí)發(fā)出預(yù)報(bào)警信號(hào)，以便限制用電負(fù)荷。

比如，當(dāng)船舶需要給一個(gè) AC 380 V-50 Hz-100kW的設(shè)備供電時(shí)，計(jì)算該設(shè)備額定電流約190 A。那么將該設(shè)備的供電電纜連接到其中一個(gè)400 A開(kāi)關(guān)，然后在控制面板上將該開(kāi)關(guān)的過(guò)載報(bào)警值設(shè)定為200 A，脫扣時(shí)間為30 s。PLC采集該開(kāi)關(guān)負(fù)載端的電流信號(hào)，并根據(jù)設(shè)定值實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)的切斷動(dòng)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(shè)備。本項(xiàng)目配備了2臺(tái)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(fù)載需要與變頻電源裝置上的4個(gè)開(kāi)關(guān)靈活連接，另一端配線叉式接頭。另外配備了4組接頭轉(zhuǎn)換裝置，可將線叉式接頭轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的航空接頭，可靈活連接不同連接形式的貨物、作業(yè)設(shè)備或碼頭岸電。2臺(tái)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(cè)電纜卷車上的2根電纜，靈活方便。

2.5實(shí)船驗(yàn)證

在經(jīng)過(guò)各項(xiàng)試驗(yàn)后，雙向變頻電源裝置取得了認(rèn)證并已裝船交付使用，從其實(shí)際應(yīng)用反饋看，此裝置完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，得到了用戶的滿意評(píng)價(jià)。

3　結(jié)語(yǔ)

目前，雙向變頻電源應(yīng)用并不多見(jiàn)，但其在半潛運(yùn)輸船這類特種船型上可以發(fā)揮其最大的優(yōu)勢(shì)。在海洋工程其他類似應(yīng)用場(chǎng)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(jí)工程師，長(zhǎng)期從事船舶電氣方面研究工作。