AFE變頻器在新能源船舶中的應(yīng)用

潘永德，李明剛

AFE變頻器在新能源船舶中的應(yīng)用

潘永德1，李明剛2

（1. 大連測(cè)控技術(shù)研究所，大連 116013; 2. 武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

電力電子變換裝置能有效解決新能源在船舶應(yīng)用中的電制匹配問(wèn)題，AFE變頻器因其能量雙向可控的特點(diǎn)，應(yīng)用于新能源船舶的優(yōu)勢(shì)更加明顯。本文分析了AFE變頻器兩種控制模式的基本原理，對(duì)比了這兩種模式的特點(diǎn)，基于上述原理，設(shè)計(jì)了一型混合動(dòng)力推進(jìn)船舶，詳細(xì)分析了船舶在不同運(yùn)行模式下AFE的控制方式及船舶能量流動(dòng)方向。

AFE變頻器 新能源 船舶

0 引言

近年來(lái)，新能源在船舶動(dòng)力系統(tǒng)中發(fā)展迅速，特別是電池、超級(jí)電容、光伏等以直流輸出為表現(xiàn)形式的新型能源在船舶中廣泛應(yīng)用。船舶電網(wǎng)中多為交流負(fù)載，應(yīng)用電力電子變換裝置對(duì)直流能源進(jìn)行變換是解決新能源在船舶電力系統(tǒng)中應(yīng)用的最有效方式。本文主要介紹了有源前端（Active Front End, AFE）變頻器在船舶中的應(yīng)用，重點(diǎn)介紹了AFE變頻器雙向能量可控的特點(diǎn)在新型能源船舶中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。

1 AFE變頻器的兩種控制模式

AFE變頻器采用全控型器件，既可作為整流器，也可作為逆變器，可實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)控制，在混合動(dòng)力船舶應(yīng)用中具有靈活、高效的特點(diǎn)，本節(jié)主要介紹AFE變頻器兩種典型的控制方式。

1.1 直流母線電壓閉環(huán)控制

當(dāng)AFE變頻器運(yùn)行在直流母線電壓控制模式下時(shí)，變頻器用作整流器將交流電變換為直流電。直流母線電壓閉環(huán)控制是AFE變頻器最常用的一種控制模式，直流母線電壓可在一定范圍內(nèi)設(shè)定，即使在電網(wǎng)波動(dòng)較大的工況下，直流母線電壓控制器仍能恒定的調(diào)節(jié)電壓。

應(yīng)用于新能源船舶動(dòng)力系統(tǒng)中，AFE變頻器既可作為推進(jìn)電機(jī)調(diào)速用的變頻器，還可將其直流母線引出作為直流電源給儲(chǔ)能設(shè)備充電，其只需從接入岸電等交流能源，無(wú)需在岸上單獨(dú)布置充電機(jī)，在新能源船應(yīng)用的成本和改造方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

1.2 交流母線電壓及頻率閉環(huán)控制

當(dāng)AFE變頻器運(yùn)行在交流母線電壓及頻率閉環(huán)控制模式下，變頻器實(shí)際上可等效為常規(guī)的交流發(fā)電機(jī)組。此時(shí)變頻器以設(shè)定的交流母線電壓及頻率為控制目標(biāo)，為船上的交流負(fù)載提供穩(wěn)定的交流電源。變頻器工作在有功-頻率（-）下垂（圖1）和無(wú)功-電壓（-）下垂（圖2）工作模式。

圖1 有功-頻率（P-f）下垂工作模式

圖2 無(wú)功-電壓（Q-U）下垂工作模式

用電當(dāng)兩臺(tái)變頻器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，可根據(jù)變頻器的下垂特性實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的并聯(lián)與功率分配，如圖3。AFE變頻器在兩種控制模式下的特點(diǎn)對(duì)比如下表1所示。

圖3 變頻器并聯(lián)運(yùn)行特性

2 AFE變頻器的實(shí)船應(yīng)用

根據(jù)AFE變頻器雙向能量流動(dòng)可控的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一型混合動(dòng)力推進(jìn)船舶，本船配置磷酸鐵鋰動(dòng)力電池和柴油發(fā)電機(jī)組兩種供電電源，動(dòng)力系統(tǒng)單線圖如下圖4所示，全船設(shè)柴電、電池和充電三種運(yùn)行模式。

表1 兩種控制模式對(duì)比

圖4 混動(dòng)動(dòng)力游船單線圖

2.1 柴電模式

在柴電模式下，兩條電池支路的接觸器全部斷開(kāi)，岸電開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，全船由柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行供電，主柴油發(fā)電機(jī)組為交流母線提供三相電源。通過(guò)交流母線為兩條推進(jìn)支路以及船舶日用負(fù)載提供電能。此時(shí)，AFE變頻器工作在有源整流模式，推進(jìn)支路從交流母線取電，驅(qū)動(dòng)推進(jìn)電機(jī)運(yùn)行，此時(shí)系統(tǒng)簡(jiǎn)化示意圖以及能量流向如5所示。

圖5 柴電模式動(dòng)力系統(tǒng)能量流向示意圖

2.2 電池模式

電池模式下，柴油機(jī)組開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，由動(dòng)力鋰電池組為整船供電。此時(shí)，AFE變頻器工作在回饋逆變模式，兩組電池通過(guò)兩條支路的AFE變頻器實(shí)現(xiàn)逆變并網(wǎng)，通過(guò)兩臺(tái)變頻器的下垂特性實(shí)現(xiàn)兩條支路的功率平均分配。推進(jìn)支路從直流母線取電，經(jīng)過(guò)逆變模塊驅(qū)動(dòng)推進(jìn)電機(jī)運(yùn)行，此時(shí)系統(tǒng)簡(jiǎn)化示意圖以及能量流向如圖6所示。

圖6 純電模式電力推進(jìn)系統(tǒng)能量流向示意圖

2.3 岸電模式

在岸電供電模式下，發(fā)電機(jī)組、推進(jìn)支路和鋰電池組主開(kāi)關(guān)均斷開(kāi)，岸電向交流母線供電，同時(shí)可通過(guò)AFE變頻器將交流電源整流為直流電源向動(dòng)力鋰電池組充電，此時(shí)系統(tǒng)簡(jiǎn)化示意圖以及能量流向如圖7所示。

[1] 淺海月, 王海洋. AFE變頻器在船舶電力推進(jìn)電機(jī)控制中應(yīng)用的研究[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2017(08).

[2] 張志強(qiáng), 馬繼坤等. 漁業(yè)科考船電力推進(jìn)系統(tǒng)概述與分析[J]. 船電技術(shù), 2015(08).

[3] 秦琦, 王宥臻. 全球新能源（清潔）船舶及相關(guān)智能技術(shù)發(fā)展[J]. 船舶, 2018.

Application of AFE Inverter in New Energy Ships

Pan Yongde1, Li Minggang2

(1. Dalian Institute of Measurement and Control Technology, Dalian 116013, Liaoning, China; 2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM612

A

1003-4862（2019）05-0036-03

2019-02-22

潘永德（1989-），男，助理工程師。研究方向：從事船舶電氣相關(guān)專(zhuān)業(yè)。