劉廣財，羅文斌，楊青

（ 1.上海電動工具研究所（集團(tuán)）有限公司 上海寶準(zhǔn)電源科技有限公司，上海 200233；2.上海國際港務(wù)（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200080；3.江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，上海 201913 ）

0 引言

當(dāng)前，國家提出系統(tǒng)謀劃并建設(shè)綠色港口，堅持生態(tài)優(yōu)先，綠色發(fā)展，指定實施綠色港口建設(shè)方案。對于船舶而言，靠泊后，停止燃油發(fā)電機(jī)進(jìn)而使用岸側(cè)靜止時變頻岸電系統(tǒng)供電成為綠色港口建設(shè)的一個重要組成部分。停用船舶發(fā)電機(jī)而改用岸電系統(tǒng)供電，這就使得岸電系統(tǒng)在控制及主回路冗余上有極高的穩(wěn)定性要求。與此同時，當(dāng)岸電系統(tǒng)持續(xù)供電時，也不可發(fā)生因某個主要部件故障致使整機(jī)停止供電的情況。本文從洋山港四期5 MVA岸電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計出發(fā)，闡述在線式熱退出功能的作用、實現(xiàn)原理及具備優(yōu)勢，在實際機(jī)型上測試了控制波形，進(jìn)一步模擬故障，測試系統(tǒng)運(yùn)行效果。

1 概述

岸電系統(tǒng)在連船供電過程中，當(dāng)一套功率模塊發(fā)生故障后，自動退出系統(tǒng)并停止運(yùn)行，剩余功率模塊繼續(xù)維持供電，故障模塊原先承載的負(fù)荷將被平均分配至剩余功率模塊，這種在運(yùn)行過程中實現(xiàn)的主功率模塊自動退出過程稱之為在線式熱退出功能。

2 設(shè)計

2.1 變頻電源主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

5 MVA岸電系統(tǒng)設(shè)計功率器件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時考慮問題如下：

1）岸電系統(tǒng)達(dá)到冗余要求，實現(xiàn)在線式熱退出功能，必須具備IGBT并聯(lián)結(jié)構(gòu)，即退出逆變器和剩余逆變器互為旁路，互不影響；

2） 岸電系統(tǒng)采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，考慮單臺逆變器的容量分配以及工作電壓，是否影響線路電流密度；

3）岸電系統(tǒng)實現(xiàn)在線式熱退出功能時，系統(tǒng)需要極高處理速度以及電壓電流調(diào)整速率，對系統(tǒng)最小控制周期有嚴(yán)格要求；

4）多臺逆變器并聯(lián)，為滿足高輸出波形質(zhì)量的要求，逆變器控制方式需采用多電平控制方案。

綜上，5 MVA岸電系統(tǒng)功率器件部分設(shè)計如下：

采用T型三電平主逆變器結(jié)構(gòu)，每臺逆變器容量1 000 kVA，額定輸出電壓1 000 VAC，逆變器額定輸出電流550 A，可實現(xiàn)線路低電流密度要求；系統(tǒng)采用6臺1 000 kVA逆變器并聯(lián)，總逆變器容量達(dá)6 000 kVA，在一臺逆變器熱退出情況下，滿足5 000 kVA額定容量要求；在兩臺逆變器熱退出情況下，剩余逆變器容量4 000 kVA，仍可以80%額定容量繼續(xù)維持供電。

T型三電平主逆變器結(jié)構(gòu)見圖1所示，由上管IGBT、下管IGBT、中性點(diǎn)IGBT組成。通過控制三組IGBT的開關(guān)組合可實現(xiàn)三電平階梯波的輸出。

圖1 逆變器原理

5 MVA變頻電源部分主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 變頻電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為滿足多臺并聯(lián)需求，5 MVA岸電變頻電源采用高—低—高結(jié)構(gòu)，即10 kV/50 Hz進(jìn)線經(jīng)降壓隔離變壓器轉(zhuǎn)換為4路獨(dú)立的620 V/50 Hz，經(jīng)過二極管無源整流后得到帶有中性點(diǎn)零電位的三段直流母線電壓，6臺1 000 kVA逆變器并聯(lián)接入三段直流母線，逆變器輸出采用正弦濾波器進(jìn)行對三電平階梯波的濾波，得到標(biāo)準(zhǔn)正弦波。在正弦濾波器后端，考慮到熱退出逆變器存在承受正弦反壓風(fēng)險，特增加一臺隔離開關(guān)作為熱退出后的自動斷點(diǎn)。

2.2 變頻電源控制架構(gòu)

為滿足在線熱退出過程中的高速控制，主控制CPU中斷頻率選擇10 kHz，即單臺逆變器的控制周期為100 μs。每臺逆變器的CPU內(nèi)，故障保護(hù)啟動時間為10個機(jī)器周期，機(jī)器周期時間為25 ns，若考慮硬件電容時間常數(shù)及傳感器的反應(yīng)延遲時間，故障發(fā)生后，保護(hù)啟動時間小于1 μs。當(dāng)故障發(fā)生后，散熱風(fēng)機(jī)損壞或風(fēng)道堵塞造成逆變器過熱，逆變器可在溫度保護(hù)達(dá)到設(shè)定閾值后1 μs內(nèi)完成過熱故障保護(hù)，鎖存故障信號并通過光纖通信上傳中央控制CPU。

2.2.1 主從CPU之間光纖通訊的實現(xiàn)

本次通訊設(shè)計中，主控制CPU與每臺逆變器從機(jī)CPU采用光纖串聯(lián)模式，光纖收發(fā)器采用飛利浦公司的HF1528和HF2528，最高頻率可達(dá)10 MHz。光纖采用安捷倫公司的塑料內(nèi)芯光纖。

光纖通訊連接方式如圖3所示：

圖3 主從CPU光纖聯(lián)絡(luò)圖

光纖通信設(shè)計周期100 μs，每個bit位長度500 ns，計算得到每個周期極限承載數(shù)據(jù)：

由上可得，理論上每次通信最大承載數(shù)據(jù)量為200個，在實際運(yùn)行中，受物理轉(zhuǎn)換時間及校驗位影響，通訊信息個數(shù)低于200。

當(dāng)一臺逆變器發(fā)生故障保護(hù)后，如在圖3中，1號逆變器發(fā)生過流保護(hù)，則本臺逆變器在檢測到保護(hù)信號后即停止PWM控制及輸出，逆變器處于故障待機(jī)狀態(tài)，且不能自動復(fù)位。同時，1號逆變器CPU鎖存故障信號點(diǎn)，在下一通訊周期將故障點(diǎn)按照既定協(xié)議位置存入通訊線路中。故障信號經(jīng)由光纖通信路徑傳至主控CPU，主控制CPU鎖存本信號及該臺逆變器的狀態(tài)信息，發(fā)出告警，其余逆變器繼續(xù)工作。

2.2.2 逆變器優(yōu)先保護(hù)與主控制CPU握手

單臺逆變器的保護(hù)過程應(yīng)獨(dú)立、不影響其余逆變器的工作狀態(tài)，且故障發(fā)生后應(yīng)即刻做出響應(yīng)以切斷PWM輸出，避免造成核心功率器件損傷。逆變器狀態(tài)信息及故障信息需上報主控CPU，讓系統(tǒng)層面知曉故障點(diǎn)并發(fā)出告警，以便在供電結(jié)束后，點(diǎn)對點(diǎn)故障排查和搶修。

逆變器進(jìn)行故障處理時工作流程如圖4所示。發(fā)生過熱、過流、驅(qū)動短路等故障后，由于逆變器CPU的機(jī)器周期為25 ns，故障信號采集周期小于1 μs，逆變器可在故障后短時間內(nèi)完成保護(hù)并關(guān)斷IGBT，停止PWM的驅(qū)動輸出，同時，CPU在下一次100 μs的通訊周期內(nèi)將故障信號及狀態(tài)信息上傳至主控CPU。

圖4 單臺逆變器保護(hù)及上報流程

3 樣機(jī)與測試

3.1 逆變器主結(jié)構(gòu)

單臺逆變器容量為1 000 kVA，采用將兩臺逆變器背向安裝在一臺逆變柜內(nèi)，單臺逆變柜容量達(dá)到2 000 kVA，5 000 kVA岸電系統(tǒng)的逆變器部分由三臺2 000 kVA逆變柜組成，如圖5所示。上部為三相功率模塊，中間為真空接觸器，額定電壓1 140 V，可滿足帶載分?jǐn)?，下部是正弦濾波器，本臺逆變柜的輸出為標(biāo)準(zhǔn)正弦波。

圖5 逆變器主結(jié)構(gòu)

當(dāng)某臺逆變器發(fā)生故障后，IGBT驅(qū)動立即封鎖PWM波輸出，處于中部的接觸器隨之分?jǐn)?，達(dá)到先保護(hù)后隔離目的。

3.2 光纖通信控制

由圖6實測主控制CPU與每臺逆變器CPU的光纖通訊波形，單次通信周期為100 μs，每周期段長 72 μs。光纖通信內(nèi)部設(shè)啟動地址位，數(shù)據(jù)地址位，數(shù)據(jù)信息，停止地址位。岸電正常運(yùn)行供電時，主控制CPU采用每100 μs周期輪詢發(fā)送每臺逆變器的控制信息和地址信息，而逆變器將本臺的狀態(tài)信息存入匹配的地址后發(fā)出至主控制CPU實現(xiàn)數(shù)據(jù)上報。故障發(fā)生后，故障逆變器存入相應(yīng)信息至光纖通訊程序，主控制CPU進(jìn)行統(tǒng)計和累計，如未達(dá)到跳閘值，將保持剩余逆變器繼續(xù)工作。

圖6 光纖通信控制波形

4 結(jié)語

從主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)到控制軟件的架構(gòu)層面設(shè)計了基于三電平逆變器大功率港口岸電電源的在線式熱退出功能，在實際樣機(jī)和產(chǎn)品中進(jìn)行了控制方法的驗證。試驗結(jié)果證明，在線式熱退出功能在大功率高—低—高岸電系統(tǒng)中，通過將故障逆變器自動在線退出系統(tǒng)的方式，提高岸電系統(tǒng)的供電穩(wěn)定性，避免岸基靜止式電力電子電源的故障停機(jī)造成的經(jīng)濟(jì)損失，為岸電系統(tǒng)的有利推廣提供了靠性的保證。