港口岸電變頻電源涌流分析與抑制方法研究

孫厚濤，伍 迪，駱 健，俞拙非，洪 丹，騰 宇

(1.南瑞集團(國網電力科學研究院)有限公司，南京 211000；2.國網江蘇省電力有限公司，南京 211000)

隨著國際貿易的不斷發展，遠洋船舶已成為世界商品交易過程中不可或缺的重要組成部分。一艘大型游輪貨船其供電容量可高達十幾兆瓦，與一個小型城鎮的供電容量相似，若船舶在靠港停泊期間使用其自身的柴油輔助發動機供電，受船舶自身發電設備質量及船舶電力系統的約束，柴油輔助發動機燃油利用率不高，損耗嚴重，在排放大量廢氣的同時，還會帶來噪聲污染。據統計，由船舶造成的污染比汽車和航空的總和還要多，海運船舶已經是歐盟最大的空氣污染排放源之一[1-2]。隨著“一帶一路”倡議的提出，中國已與世界200多個國家的600多個港口建立航線聯系，港口行業所承擔的投資熱點和對外貿易已經成為新時期中國經濟發展的新引擎[3]。目前，世界前二十大港口中國占十四席，中國已經成為世界上港口吞吐量最大的國家[4]。

船舶電力系統使用的電制分為50 Hz和60 Hz，而世界上各國電網頻率也有50 Hz和60 Hz兩種。為滿足電網對不同頻率船舶的供電需求，過去曾采用變頻發動機的方案來實現對不同電制船舶的岸電供給。但該方案面臨輸出功率不足、效率不高、運行維護費用高等問題，難以普及。

隨著電力電子器件可靠性提高，現在大多采用變流器的方案將不同電制的電網與船舶連接，通過電力電子變頻器將電網電源轉換成適用于船舶負載的電源。當船舶靠港期間，使用電力電子變頻岸電電源替代船舶發電輔機的電能供給，提供船舶在港期間其泵組、通風、照明、通訊等負荷所需的電力[5]。采用岸電供能方式能大大減少區域環境污染，降低靠港船舶用能成本，對提高能源利用效率具有重大意義，是港口節能減排的有效途徑。

然而在使用岸電過程中仍然存在一些問題，變壓器空載合閘產生的勵磁涌流就是其中之一，涌流不僅會影響岸電合閘成功率，而且會對岸電電源的功率開關器件造成嚴重損害。本文首先研究了變壓器不同涌流的產生機理，根據岸電變頻器不同工作階段理論推導出變頻器涌流解析表達式，然后對涌流影響因素進行分析研究，最后文章提出岸電系統的涌流抑制方法，并提出抑制措施與船舶設備匹配的技術要求，為岸電涌流抑制技術的發展提供借鑒。

1 涌流產生機理

1.1 岸電合閘過程分析

圖1 岸電合閘過程Fig.1 On-shore power closing process

岸電合閘過程如圖1所示。船舶到港停泊后，通過電纜在N處建立連接，此時變壓器T1應充電完成達到穩定狀態，開關K1、K2處于斷開狀態。當岸電系統收到合閘指令后，開關K1閉合，K2保持斷開狀態，此時由于變壓器T2空載合閘，T2一次側繞組上會產生勵磁涌流，同時變壓器T1上也會感應出和應涌流，涌流大小可達到額定電流的8～10倍，觸發變頻器自身保護，斷開連接，嚴重時有可能直接損壞開關管。待變壓器T2穩定后，開關K2閉合給船舶供電，岸電切換過程結束[6-7]。

1.2 涌流分析

變壓器涌流主要分為空載合閘時的勵磁涌流，串并聯變壓器感應的和應涌流和變壓器故障切除后的恢復性涌流。

圖2 空載合閘等效電路Fig.2 Unloaded closing equivalent circuit

1.2.1 勵磁涌流

岸電變壓器空載合閘等效電路如圖2所示，為簡化分析，假設當變壓器不飽和時，勵磁電抗很大，而鐵芯中磁滯和渦流損耗很小，因此忽略勵磁支路電阻的影響。

變壓器合閘電壓可表示為

(1)

式中：Um表示電壓幅值；ω表示電網角速度；α為電網初相角；N為變壓器匝數；Φ表示磁通。

從式(1)中可以看出，磁通與電壓是積分關系，其表示為

Φ=-Φmcos(ωt+α)+Φ0

(2)

式中：Φm表示磁通最大幅值；Φ0表示變壓器初始磁通，正負號表示磁通方向。

由于磁通無法突變，當t=0時，磁通表達式(2)中的交變分量會產生一個Φmcosα的反向磁通，為抵消這個磁通，初始磁通Φ0可表示為如下形式

Φ0=Φmcosα+Φr

(3)

式中：Φmcosα稱為偏磁，記為Φb；Φr稱為剩磁。

圖2所示的空載合閘等效電路的暫態方程可表示為

(4)

由于二次側空載，電流i即為磁化電流im，且根據磁通Φ與磁感應強度B和磁場強度H的關系，式(4)可表示為

(5)

由式(5)解出電流i的表達式為

(6)

由式(6)可以看出，涌流大小與勵磁支路飽和程度有關。當鐵芯磁通Φ小于飽和磁通Φsat時，勵磁電感很大，直流分量衰減速度慢，交流穩態分量小，空載電流很??；當鐵芯磁通Φ大于飽和磁通Φsat時，勵磁電感迅速減小，直流分量迅速衰減，交流穩態分量變大，從而產生勵磁涌流。因此，變壓器勵磁涌流與變壓器磁通飽和點Φsat密切相關，但是由于成本及工藝方面的考慮，變壓器的飽和磁通設計的都不會很大，一般Φsat=1.1-1.4p.u.，因此在岸電切換過程中經常會發生涌流現象導致的變頻器保護跳閘。

1.2.2 和應涌流

空載變壓器合閘除了自身會產生勵磁涌流外，還會對導致其他與之串聯或并聯連接的工作變壓器產生涌流，這個涌流稱為和應涌流。和應涌流根據變壓器連接方式，可以分串聯變壓器涌流和并聯變壓器涌流。兩種情況下的等效電路如圖3所示。

圖3 和應涌流等效電路圖Fig.3 Sympathetic inrush current equivalent circuit

變壓器并聯等效電路如圖3-a所示，變壓器T1空載投入后，T1、T2的磁通滿足

(7)

同理，串聯等效電路圖3-b中T1、T2磁通可表示為

(8)

電壓us是周期分量，開關K合閘瞬間，變壓器T2勵磁支路電流很小i2≈0，is≈i1，對式(7)、(8)等式兩邊在一個周期內同時積分，可得并聯支路的磁通變化量為

(9)

同理，串聯支路的磁通變化量為

(10)

由式(9)、(10)可知，并聯變壓器磁通突變量有

(11)

串聯變壓器磁通突變量有

(12)

圖4 變壓器T1、T2磁通變化曲線Fig.4 T1 and T2 magnetic flux curve

因此會在變壓器T2中會產生一個反方向的偏磁來抵消由變壓器T1引起的磁通突變，變壓器T1、T2磁通變化曲線如圖4所示。變壓器T1合閘瞬間初始磁通Φ0為偏磁Φb1和剩磁Φr1之和，合閘后變壓器T1的磁通為Φ1(θ)，當磁通Φ1(θ)大于飽和磁通Φs1時，磁通Φ0迅速衰減，T1的磁通衰減量ΔΦ1會在T2上產生相應的ΔΦ2，待下一個周期磁通反向時，T2磁通變化量ΔΦ2與T2的穩態磁通Φ2(θ)疊加導致T2反向飽和，此時會在T2中流過涌流。待T1的衰減量衰減為0，T2中的反向磁通達到最大，此時T2中的涌流依靠回路中的R2、Rs逐漸衰減。實際上，R2、Rs的衰減作用在T2產生和應涌流的過程中一直存在，但是由于ΔΦ2<ΔΦ1，變壓器T1發生飽和時，衰減時間常數很小，衰減速度快，導致變壓器T2上產生較大的ΔΦ2，R2、Rs的衰減作用不足以抵消ΔΦ2的變化速度。

1.2.3 恢復性涌流

當變壓器二次側發生短路故障時，二次側等效阻抗變為故障時的Rk和Lk，變壓器故障時的等效電路如圖5所示。

圖5 變壓器故障等效電路Fig.5 Transformer fault equivalent circuit

假設變壓器正常運行時，變壓器穩態磁通為Φ(t)=Φmsin(ωt+α)，變壓器外部故障跌落電壓可表示為

uk=kus

(13)

故障前后變壓器磁通不變Φ(0-)=Φ(0+)，則故障后的變壓器磁通可表示為

Φ(t)=kΦmsin(ωt+α)+(1-k)Φmsinα

(14)

Φ(t)=Φmsin(ωt+α)+(1-k)Φm[sinα-sin(ωtk+α)]

(15)

圖6 單相PWM逆變器帶空載變壓器模型Fig.6 One-phase PWM inverter with no-load transformer

式(15)中第二項即為故障恢復產生的變壓器偏磁，偏磁與穩態磁通疊加即可使變壓器磁路飽和產生涌流。

2 變頻器涌流分析

以單相PWM電壓源逆變器為例，其等效電路如圖6所示。

根據PWM原理，可以將涌流過程根據開關管的導通狀態分為閉鎖階段和導通階段，兩個階段交替進行，可分別對兩個階段的涌流進行分析。

2.1 閉鎖階段

圖7 閉鎖階段等效電路圖Fig.7 Blocking stage equivalent circuit

閉鎖階段等效電路如圖7所示。

閉鎖階段LC濾波器與空載變壓器構成獨立回路，涌流iBL由電容放電和電感續流兩部分組成，由于沒有外施電源，涌流iBL持續衰減。假設該階段初始電流為I0，初始電壓為Us0，忽略電阻的影響，則閉鎖階段的涌流可表示為

(16)

式中：ωs為系統角速度。

當變壓器磁路飽和時，勵磁電感Lm很小，衰減時間常數τ=(L1+Lm)/R1很小，涌流快速衰減；當變壓器穩定時，磁路不飽和，勵磁電感Lm很大，電流幾乎不衰減。

根據閉鎖階段電流iBL(t)可得系統電壓us(t)的表達式為

(17)

2.2 導通階段

導通階段等效電路如圖8所示。

圖8 導通階段等效電路圖Fig.8 Conduction stage equivalent circuit

(18)

電容兩端電壓即為系統控制電壓，則電容充電電流應滿足

(19)

式中：Us為變頻器控制的電壓有效值。

根據式(19)可得電流ic(t)的表達式為

(20)

由基爾霍夫定律可知，電流ic(t)和iCO(t)應滿足下式

(21)

(22)

2.3 涌流函數

在PWM的一個開關周期內，開關管交替導通、閉鎖，因此在此周期內的涌流表達式可表示為

(23)

式中：toff為關斷時間；T為開關周期。

在實際發生涌流時，直流電壓很難保持不變，直流電壓與交流電壓存在調制比的關系，如下式

(24)

當直流電壓下降到一定程度時，由于調制比m<1的限制，交流電壓會隨著直流電壓的降低而降低，因此式(20)中Us應滿足

(25)

通過對比推導出的涌流解析表達式(6)與變頻器涌流解析表達式(23)可以看出，變頻器涌流大小除了與電壓有關外，還與開關管的導通狀態與直流電壓有關。

從式(16)中可以看出，處于閉鎖狀態的變頻器涌流由兩個交流衰減分量構成。從式(22)中可以看出，處于導通狀態的變頻器由多個衰減分量和穩態分量構成。對比非變頻器涌流，由于濾波電感L的作用，涌流回路阻抗一般大于非變頻器涌流，其次當發生涌流時變頻器直流電壓會降低，進而影響大交流側電壓，而交流側電壓的降低有助于減小涌流值，因此在相同條件下變頻器涌流值一般小于非變頻器涌流值。

3 變頻岸電涌流影響因素分析

3.1 合閘角與剩磁

不論變壓器合閘瞬間，開關管處于何種狀態，其電流初始值均為0。當開關管處于閉鎖階段時，由式(16)可以看出，勵磁涌流主要由初始電壓Us0和勵磁電感Lm決定；當開關管處于導通階段時，由式(22)可以看出，勵磁涌流主要由電容初始電流ic和勵磁電感Lm決定。電容初始電流與初始電壓Us0有關，而初始電壓又是由合閘角決定的，勵磁電感與變壓器剩磁密切相關，因此對于含變頻器的岸電系統，勵磁涌流影響因素與非變頻岸電系統類似，與初始合閘角與變壓器鐵芯剩磁密切相關。

3.2 容量與電壓等級

交流變壓器容量與額定電壓也是影響涌流大小的因素之一。勵磁涌流是由于變壓器鐵芯飽和導致的鐵芯磁阻迅速降低而產生的，如果提高變壓器額定容量與額定電壓，其鐵芯抗飽和能力將會提高，相應的勵磁涌流也會降低。

采用變頻裝置的岸電電源勵磁涌流還與變頻器額定直流電壓密切相關。根據式(22)可以看出，在變流器處于導通階段時，涌流表達式中疊加有直流分量，直流分量的大小由直流電壓決定，而這個直流分量將直接導致下一個閉鎖階段的初始電流變大，相應的整個變頻器工作階段的勵磁涌流都會增加。

3.3 系統阻抗

岸電電源供電回路的系統阻抗主要對涌流的衰減時間常數產生影響，在不同的工作條件和工作環境下，岸電系統擁有不同的系統阻抗，或減慢或加速系統的磁通衰減速度，進而對涌流的大小產生影響。

3.4 中性點接地方式

圖9 船岸連接系統Fig.9 Shore and ship connection system

變頻岸電勵磁涌流的大小除了受合閘角與變壓器鐵芯剩磁的影響，還與中性點接地方式有關。船舶電網常采用的是三相絕緣系統或高電阻接地系統。當船舶使用岸電時，根據IEC80005的要求，岸側變壓器中性點需要通過電阻或是接地變壓器實現可靠接地，當船岸連接時，船舶與岸電系統應實現等電位連接，船岸連接系統如圖9所示。

對于岸電不接地系統，降低了涌流中的3次分量的含量，但是涌流中的2次分量仍然存在，雖然對于涌流的大小有小幅度的改善，但是仍然需要對涌流進行相應的限制。

4 岸電涌流抑制方法

短時間的涌流對變壓器的影響主要是會導致保護誤動作，而對于變頻器的來說，涌流的沖擊性對變頻器開關器件的安全危害是十分嚴重的。首先變頻器一般采用的是IGBT等電力電子器件，其保護整定方法區別于變壓器等電力設備，瞬時過電流可能損壞電力電子器件[8]，其次變頻器保護是對每個電流采樣點都進行保護，無法通過設置延時時間躲過勵磁涌流。

由于船舶電網的特殊性，岸上電力系統中的一些涌流抑制方法不適用于岸電系統。例如中性點串聯電阻、變壓器預充磁等方法需要對船舶電力系統一次接線進行改動，同時改變了船舶系統的接地方式，這些在實際操作過程中都是不允許的。

4.1 串聯電阻法

回路中串聯電阻是最常見的涌流抑制方法[9]，變壓器合閘之前在岸電與變壓器之間串入電阻，帶合閘穩定后將電阻短接。串聯電阻可以降低產生的涌流幅值，加快涌流衰減速度，但不能完全消除涌流。串聯電阻抑制效果如圖10所示?；芈分形醇尤腚娮钑r，涌流衰減速度很慢，加入電阻后，衰減時間常數τ減小，衰減速度大大提高，從圖10中看出在相同的合閘條件下，串電阻可以有效抑制勵磁涌流，能夠保護開關管，防止過流導致的器件閉鎖。

圖10 串聯電阻抑制效果Fig.10 Series resistance suppression result

串聯電阻法需要增加限流電阻和旁路開關等設備，增加岸電系統的設備成本和安裝成本。其次限流電阻的阻值和額定功率設計方法比較復雜，不同變壓器具有不同的磁感應曲線，電阻值需要根據合閘變壓器進行匹配，由于瞬間勵磁涌流較大，過大的限流電阻上將產生較大的電壓降，導致船上變壓器的端電壓值偏低，觸發船上變壓器的欠壓保護。

4.2 電壓爬坡法

變壓器穩態磁通大小與電壓幅值有關，額定電壓下的穩態磁通小于飽和磁通，導致涌流發生的主要原因是偏磁與剩磁的疊加影響，而岸電變頻電源的輸出電壓具有可控性，在變壓器合閘瞬間，控制變頻電源輸出電壓幅值從零上升到額定電壓值，避免合閘偏磁對變壓器主磁通的影響。若不考慮剩磁，采用該方法時不會發生涌流現象；若考慮剩磁，則該方法有可能產生涌流，產生涌流的波形如圖11所示。

圖11 電壓爬坡涌流波形圖Fig.11 Voltage rising method suppression result

從圖11中可以看出，隨著電壓幅值升高，變壓器出現涌流且大小隨著電壓的升高而增加，同時涌流最大點總是出現在電壓幅值到達額定值之前的第一個電壓過零點處。通常變壓器的飽和磁通設計為1.2 p.u.，若變壓器剩磁小于0.2 p.u.則基本不會產生涌流。實際應用中可以將該方法與變壓器去磁相結合，向變壓器注入正反向直流電流并不斷減小，以縮小鐵芯磁滯回環從而消除剩磁。電壓爬坡法同樣需要和船上變壓器欠壓保護門檻值相配合，電壓爬坡速度需要和保護觸發時間相配合。

4.3 變壓器預充磁

勵磁涌流的大小與變壓器剩磁有關，因此可采用一變比相同，容量小的多的充磁變壓器對主變壓器進行預充磁。此時，主變壓器相當于充磁變壓器的負載，由于充磁變壓器容量小得多，即便產生涌流，其值也遠小于主變壓器產生的涌流，預充磁變壓器連接方法及涌流波形如圖12所示。

圖12 預充磁回路及涌流波形Fig.12 Pre-excitation circuit and suppression result

預充磁變壓器Br1-1合閘，給主變壓器建立穩定磁通后，主變Br1合閘，此時由于主變內部已存在穩定的磁通，不會造成磁通突變，涌流較小。預充磁變壓器可以通過改造船側電力系統加裝，也可由岸側提供預充磁回路。

4.4 分相合閘

圖13 分相合閘涌流波形Fig.13 Sequential closing inrush current

船舶電網通常采用的是三相不接地系統或經高電阻接地系統[10]，該系統零序回路中存在較大的阻抗，對3次分量具有很好的抑制作用，因此可采用分相開關，錯開各相合閘時間，提高涌流中不對稱分量，利用接地電阻對涌流進行抑制。以300 Ω接地電阻為例，三相開關合閘時間分別為0.05 s、0.052 s、0.065 s，分相合閘涌流波形如圖13所示。

從圖13中可以看出，分相合閘對船舶岸電涌流有明顯抑制效果，且該方法對控制、采樣和通信幾乎沒有要求，便于在實際工程中應用。

5 結論

隨著越來越多的岸電電源應用于港口之中，勵磁涌流會對變頻岸電系統的安全運行帶來危害。本文對三種不同的勵磁涌流產生機理進行了詳細的理論推導與分析，針對變頻器的工作特點，理論推導出變頻器開關管在導通和閉鎖階段的勵磁涌流數學解析表達式，根據涌流理論分析，研究了岸電系統在三種典型的拓撲結構和接地方式下的不同特點，詳細分析了常見的岸電系統勵磁涌流抑制方法，針對該方法在岸電系統的適用性，提出了相應的改進建議。