風電安裝平臺電力推進變頻系統選型方案研究

劉維閆志偉

（1.中國船級社質量認證公司秦皇島分公司，2.大船集團山船重工設計所，河北 秦皇島 066000）

1 研究背景和意義

隨著能源與環境壓力的增加，清潔可再生的新能源近年受到普遍重視，風力發電技術相對比較成熟，具有廣闊的市場前景。風電安裝平臺主要用于海上風力發電設備安裝，而電力推進系統作為平臺推進和定位的動力系統是風電安裝平臺最核心的系統之一，常規平臺艉部和艏部各配置2套變頻電機驅動的全回轉電力推進系統，該推進系統變頻方案有兩種：一種是虛擬24脈沖DFE整流變頻，另一種是有源前端AFE變頻。這兩種方案各有優缺點，本文對此系統方案選擇進行了研究，從技術原理分析、建造成本、后期維護費用等方面進行深入剖析，旨在為企業或投資者提供科學合理的技術方案選擇。

2 DFE變頻和AFE變頻原理及構成技術研究

2．1 DFE(非主動整流前端)變頻原理及構成

根據技術的發展和變頻構成的復雜程度，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，詳細可見圖1。

12脈沖變頻器是在普通6脈沖變頻器基礎上，其整流電路由2組二極管整流橋串聯而成，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°的推進支路之間同時工作構成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整流的復雜程度也在減少。

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脈沖移項變壓器，諧波含量可控，在同段母線上如有其它12脈動設備，將組成虛擬24脈動或更高，有效減小諧波干擾。從系統角度分析，12脈沖變頻器方案需要配置移相變壓器、濾波裝置等，整套系統復雜程度增加，又在一定程度上降低了系統的穩定性和可靠性。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）變頻原理及構成

AFE采用有源濾波器加IGBT整流，利用對IGBT晶閘管的控制實現對輸入電壓進行調制解調，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生的諧波電流，被譽為 低諧波變頻器 。AFE變頻器包含：進線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。單套系統相比12脈動DFE整流諧波控制更好。為了過濾IGBT整流橋產生的高次諧波，AFE變頻器輸入端需串聯LCL濾波器，LCL濾波器與電網中其他感性設備構成了即并聯又串聯的復雜回路。理論上，在某些頻率點，整個網絡的電容電感中的能量會形成振蕩，即所謂的并聯諧振和串聯諧振。諧振發生時，系統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變頻系統為避免諧振影響，系統設計方面需進行更多匹配計算，有效控制諧振。

3 最優選型方案分析研究

3．1 AFE與DFE技術對比分析

(1)由于采用新型可關斷可控功率器件，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為直流，而是具備了很多的主動控制功能，具有卓越的動態性能。(2)AFE整流單元及濾波附加電路確保從電網吸取及反饋回電網的只有正弦波電壓或電流，而不會產生通常二極管整流橋不可消除的5、7、11及13次諧波。AFE單元產生的總諧波畸變率<1%,即便是對于惡劣的電網也不例外。(3)AFE可主動控制及調整直流環節的電壓，即便電網波動很大，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，其功率因數在“1”左右較大的范圍內通過參數設定可調，不僅可做到本身近乎為“1”的完美的功率因數，而且不必另外配備外部補償設備，甚至還可以補償電網上其它負載產生的無功功率。(5)DFE技術較為成熟，24脈整流后諧波可以滿足使用要求，但設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方案有諧振對設備的相關參數的精確度要求較高。(7)AFE為新技術，成本較高，后期維護對技術人員要求較高。

3．2 建造成本分析研究

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

表1

3．3 后期維護成本分析研究

DFE整流結構簡單，維護方便，故障率低。但是DFE變頻系統放入功率元件和驅動模板是一種可控硅（二極管）與IGBT（三極管，GTO）的混合，需要的維護保養計劃不一致。另外對于整個驅動系統來說，DFE變頻系統配置變壓器，增加了維護保養工作量。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，維護保養工作量較少。同時AFE變頻器輸出電源品質較高，電機運行平穩性好一些，對于電機的使用維護有益。但是AFE由于采用IGBT整流，備品備件價格較高，而且維護技術難度較高。

4 研究綜述

通過研究可知，DFE方案實船案例多、技術相對成熟、投資少，但結構復雜、設備多、占用空間大。而AFE方案結構簡單、設備少，但為新興技術，實船案例相對少、投資相對多且存在諧振對設備的相關參數的精確度要求較高。所以變頻方案的選擇，若主要考慮電力系統諧波要求以及船舶艙室布置的空間，則AFE變頻系統較合適。若船舶艙室空間較充裕，同時對設備價格較為敏感，則可以考慮DFE變頻系統，因為其有更成熟廣泛的應用，價格有一定優勢。