靠港船舶應用大功率變頻器供電仿真與分析

季珊珊，施偉鋒，卓金寶，張　威（上海海事大學，上海201306）

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靠港船舶應用大功率變頻器供電仿真與分析

季珊珊，施偉鋒，卓金寶，張威
（上海海事大學，上海201306）

摘要：針對目前的岸電供電趨勢，設計了一種大功率變頻器供電的岸電供電模型。并根據理論研究在MATLAB/Simulink中搭建船舶岸電供電的仿真模型，對實際應用中靠港船舶應用大功率變頻器供電易出現的故障類型進行模擬仿真，得到了靠港船舶供岸電過程中的故障動態參數并對其進行分析，對靠港船舶應用大功率變頻器供電的岸電供電技術在我國港口的推廣研究很有意義。

關鍵字：大功率變頻器船舶岸電供電電機堵轉船舶電力系統綠色港口

0　引言

隨著世界航運業的迅猛發展，船舶對環境造成的污染日趨嚴重，尤其是在靠泊期間其船舶輔機的排放對港口所在城市環境造成了較大的影響，國際一些先進的港口已經采用陸域電源對靠港船舶進行供電（簡稱岸電），實施效果良好。

我國也積極參與到岸電項目中，進行高壓岸電技術的實驗，并研制出全球首套高壓變頻數字化船用岸電系統。此外，神華46000 t系列散貨船采用了AC6kV、50Hz的高壓岸電系統。

本文在分析岸電供電方案的基礎上，研究靠港船舶應用大功率變頻器供電過程中由于天氣、人為等突發狀況下，靠港船舶發生不同故障時對大功率變頻器的影響，仿真結果為我國港口推廣靠港船舶應用大功率變頻器供電提供技術參考。

1　岸電電源的結構

典型的高壓船舶高壓頻率變換方案［6］如圖1所示。由10kV/50Hz（或6kV/50Hz）岸電直接輸送到高壓靜止頻率變換器中，輸出10kV/60Hz（或6kV/60Hz），之后經升壓變壓器將10kV/60Hz（或6kV/60Hz）升壓至6.6kV或11kV，輸送到碼頭岸電箱，并通過船上的高壓纜車與船舶岸電配電板相連接。

1.1輸入變壓器

由于船舶電網接入岸電可能會對陸域電網產生影響，因而靜止頻率變換器輸入側隔離變壓器采用移相式變壓器，為滿足IEEE519-1992諧波抑制標準，有效消除47次以下諧波［2］，每個繞組采用延邊三角形接法，形成48脈波的二極管整流電路，由a×p=360°，a為移相角，p為脈沖數，可將移相角設為26.25°。

圖 1高壓船舶靜止頻率變換方案

1.2功率單元結構：

功率單元即為常見的三相逆變器，一次側電路實際上是由一個三相橋式AC/DC整流器和一個三相橋式DC/AC逆變器組成的，整流部分為不可控器件，使得直流側的電壓方向不易改變，電能不會反饋到電網當中，因而在岸電的應用中，采取電壓源型變頻器對電網的影響較小。逆變部分是通過改變逆變側的開關通斷順序以及時間來實現對輸出頻率和電壓的變換。

1.3電壓升壓方式

本文所用的單元串聯多電平變頻器采用5個功率單元串聯的方式實現6kV高壓輸出。變壓器采用延邊三角形聯結，變頻器每相由5個額定電壓為690V的功率單元串聯而成［3］，輸出相電壓最高可達3450V，線電壓可達6kV左右。

1.4功率單元的脈沖控制

逆變器輸出采用多電平移相式PWM控制技術，同一相的功率單元輸出相同幅值和相位的基波電壓，但串聯各單元的載波之間互相錯開一定電角度，實現多電平PWM，輸出電壓非常接近正弦波。

每個電平臺階只有單元直流母線電壓大小，du/dt很小，使得電動機絕緣不會受到影響.功率單元采用較低的開關頻率，以降低開關損耗，且可以不用浪涌吸收電路，提高變頻器的功率。對于6kV等級的變頻器，如前所述，每相由5個額定電壓為690V的功率單元串聯而成［3］，采用5個依次相移為72°的三角載波和參考波比較，產生PWM控制信號，每相的相電壓有0，±U，±2 U，±3U，±4U，±5U共11種電平，如圖2所示，峰值電壓接近8kV。

圖2　單相變頻輸出電壓

2　仿真算例

本文在SIMULINK中建立靠港船舶應用大功率變頻器供電的模型［1］，如圖3所示。

圖3　靠港船舶應用大攻率變頻器供岸電模型

陸域電網電壓10kV，經移向相變壓器降壓至760V，供給整流器件。中間濾波電路電容為5e-3F，電感為5e-3H。逆變裝置采用單元串聯多電平的結構，其一相中各串聯功率單元的三角載波信號依次錯開72°實現每個功率單元移向72°，參考正弦波相同。ABC三相的參考正弦波初始相位分別為0°、-120°和120°。三角載波頻率為1050Hz，經示波器測量，輸出至碼頭前端的線電壓約為6kV，通過電纜供給靠港停泊期間船舶使用。船舶電力負荷參考5100箱集裝箱船，船舶在靠港停泊期間的主要用電負荷歸納為50 MW純阻性負載，和一個50 MW純阻性負載與一個1.492 MW的電動機并聯支路。利用三相故障模塊設置單相接地故障模擬真實船舶電力系統的單相接地故障和三相接地故障，通過脈沖發生器對電動機負載轉矩的控制來模擬真實船舶在夾板機械電動機發生堵轉時的故障。

2.1模型說明

逆變器中各開關的狀態通過三角載波與正弦波的調制所產生的脈沖來控制。具體的控制電路如圖4所示。

圖4　逆變器控制電路

在同一相中，通過一個三角載波發生器與正弦波發生器的邏輯關系，控制逆變器中四個IGBT/Diode模塊的通斷。從而使輸出的波形有一定的規律。本案中的大功率變頻器是由5個功率單元串聯而成，每個功率單元的輸出電壓滯后72°，三角載波的頻率取1050Hz。大功率變頻器模型每相的結構如圖5所示，每相由五個功率模塊串聯組成。

圖5　高壓變頻器模型每相的結構圖

2.2仿真設置：

設置仿真時間為10s，分別仿真靠港船舶應用大功率變頻器供電過程中，船舶用電設備正常用電、甲板上浪導致的負載短路及突發狀況下的電機堵轉狀況

1）首先進行正常工況下靠港船舶應用大功率變頻器供電，電動機帶負載運行，負載轉矩為100 N·m。系統中大功率變頻器的工作電壓電流變化分別如圖6所示。 經多次仿真發現，高壓變頻器在仿真運行到1.8s時，輸出電壓趨于穩定。仿真設置系統在3.5s時刻，接入靠港船舶，船舶電力系統中的電動機初始電壓為3kV，ABC相的相角分別0°，120°，240°。

圖6　正常狀態下高壓變頻器線電壓、相電流波形

由圖6得：接入船舶后高壓變頻器的電壓由穩定狀態時的9kV降至8kV，電流由0 A瞬間升至70 A，經2.5s的時間調整至50 A，隨后保持穩定。靠港船舶負載電壓電流變化如圖7所示。由圖7得：船舶負載合閘電壓為8kV，合閘電流為7.5 A，經過1.5s后，電壓穩定在7kV，電流穩定在6.5 A左右。

圖7　正常狀態下電阻性負載線電壓、相電流波形

圖8　正常狀態下電動機A相轉子電流與定子電流

靠港期間，船舶電動機電流與轉矩參數如圖8圖9所示：由圖8圖9可以得到：經2.5s后，電動機A相的轉子電流由100 A穩定在75 A，A相的定子電流由110 A穩定在75 A。啟動轉矩為150 N·m，經8.4s后趨于穩定。在船舶正常用電情況下，系統各處狀態在短時間內趨于穩定，大功率變頻器工作在正常情況下。

圖9　電動機的轉矩

2）設置4～5s負載發生AB兩相短路，7～8s負載發生三相短路，系統中大功率變頻器的工作電壓電流變化如圖10所示：

圖10　負載發生短路時高壓變頻器線電壓、相電流波形

由圖10可得：發生兩相短路時，高壓變頻器電壓降為零，電流波形放大如圖11所示。

圖2　負載發生短路時高壓變頻器相電流放大波形

由圖13可得：變頻器出線電流由60 A瞬間提升至1×105A。短路沖擊電流約為正常線路電流的103倍。兩相短路期間，短路電流約為270 A，發生三相短路時，高壓變頻器電壓降為零，出線電流由50 A瞬間提升至4×104A，短路沖擊電流迅速升高到正常線路電流的100倍左右，雖然比兩相短路的沖擊電流小得多，但其依然能夠對變頻器造成嚴重的后果。綜上，短路期間變頻器因持續流過大電流導致大量發熱，如果故障不能快速消除，將燒毀變頻器內部元件。

短路故障發生下，船舶電動機的工作狀況如圖13圖14所示。

由圖13可得：由于此時電動機在工作狀態，所獲取的電力處于不穩定狀態，發生兩相短路時，電動機的定子電流下降，三相短路時，電動機的定子電流下降至零以下。

圖12　負載發生短路時電阻性負載線電壓、相電流波形

圖13　負載發生短路時電動機A相轉子電流與定子電流

圖14　負載發生短路時電動機的轉矩

由圖14可得：發生故障時，電動機轉矩突降，電動機出力不足，且轉矩未能在一段時間內達到穩定，影響其所承擔的工作任務。所以由于負載短路引起的故障，如果不能夠及時排除，很可能對系統造成繼發性影響，岸、船兩方都將產生嚴重后果。

3）.設置4s后電動機發生堵轉，給負載轉矩一個5×105的轉矩，使得負載轉矩瞬間提升數百倍，電動機堵轉時大功率變頻器線電壓、相電流變化如圖15所示。

由圖15可得：發生堵轉時，大功率變頻器電壓由8kV降至6kV、電流由75 A逐步增大到200 A。 電動機堵轉時電阻性負載電壓、電流如圖16所示。

由圖16可得：負載峰值電壓降至約6kV，比靠港船舶正常工作情況下的電壓低1kV。這主要是由于岸電供電的大功率變頻器所提供的電壓降低所導致的。船舶用電負載的正常工作將會受到影響，比如照明，制冷等。船舶電動機堵轉時電動機的參數變化如圖17圖18所示。

圖15　電動機堵轉時高壓變頻器線電壓、相電流波形

圖16　電動機堵轉時電阻性負載線電壓、相電流波形

圖17　電動機堵轉時電動機A相轉子電流與定子電流

由圖17可得：電機堵轉時轉子電流也發生變化，轉子電流由200 A逐步增大到1000 A，定子電流由200 A逐步增大到750 A。

由圖18可得：電動機的轉矩隨著堵轉時間增加，并沒有穩定在某一確定值，而是逐漸增加。

由此可見電機堵轉后如不采取保護措施，隨著時間增長，定子繞組將流過較大的電流，使得定子快速發熱，燒毀繞組；為防止電機堵轉燒毀，通常采用過流繼電器來進行保護，在電動機發生堵轉后一定時間內，若故障未消除，必須從系統中移出電動機，以保證系統其他設備的正常供電。

圖18　電動機堵轉時電動機的轉矩

3　結束語

本文在原理上對大功率變頻器的結構進行了分析，并介紹了大功率變頻器在船舶岸電供電中的應用。根據理論研究在MATLAB/Simulink中搭建靠港船舶應用大功率變頻器供電的模型，對靠港船舶在應用大功率變頻器供電時發生的故障進行模擬，仿真結果真實有效，為我國港口推廣靠港船舶應用大功率變頻器供電提供技術參考。

參考文獻：

［1］施偉鋒，許曉彥.船舶電力系統建模與控制［M］.北京：電子工業出版社，2012.

［2］王兆安，黃俊.電力電子技術［M］.北京：機械工業出版社，2003.

［3］高玥.多電平高壓變頻器的拓撲結構分析與研究［J］.電氣開關，2011，02：58-60.

［4］萬江，侯世英，時文飛.基于MATLAB的高壓變頻器的建模與仿真［J］.佳木斯大學學報（自然科學版），2006，04：471-475.

［5］孔雪娟.數字控制PWM逆變電源關鍵技術研究［D］.華中科技大學，2005.

［6］船舶高壓岸電系統及其CCS檢驗指南介紹.

［7］孫永濤.靠港船舶供岸電電源技術及自動并車系統研究［D］.武漢理工大學，2012.

The Simulation and Analysis of High Power Inverter in Ship-to-shore Power Supply

Ji Shanshan，Shi Weifeng，Zhuo Jinbao，Zhang Wei
（Shanghai Maritime University，Shanghai 201306，China）

Abstract:Aimed at the current trend of ship-to-shore power supply，a model of shore-to-ship power supply for high-power inverter is designed and a simulation model is set up by MATLAB/ Simulink according to the theoretical study.It simulates the normal fault occurs in practice.A series of fault data is gained and analyzed，that can give good advice to the construction of shore-to-ship power supply in China’s port.

Keywords:high power converter； shore-to-ship power supply； motor stall； marine power system； green port

中圖分類號：TM46

文獻標識碼：A

文章編號：1003-4862（2016）06-0043-05

收稿日期：2016-03-10

作者簡介：季珊珊（1990-），女，碩士生。研究方向：大功率變頻器在船舶岸電供電中的應用研究。