某中壓交流電力推進系統變頻器的設計論證

郭 昂，張京坤，李冬蘭，封海寶

（中國船舶科學研究中心，江蘇無錫 214082）

0 引言

隨著電子電工技術和直流配電技術的日趨成熟和不斷推廣，采用電力推進技術逐漸成為重要的發展趨勢。取消了柴油機與螺旋槳之間的長軸系和齒輪箱，通過電機帶動短軸系直接驅動螺旋槳，變頻器作為電機的驅動端，起著至關重要的作用。它與傳統機械式推進相比具有明顯優勢：艙室布置更為靈活，減振降噪效果明顯，操縱和機動性能較好[1]。

1 船體及主推進系統介紹

1.1 使命任務及船型介紹

本方案涉及的5 000噸級公務船主要用于維護我國海洋權益，保護海洋環境，監督管理海域使用，進行海洋基礎調查，并兼顧海洋資源及海底設施的勘測，是一艘用于遠海海域的海洋綜合調查船。

本船船型為鋼質、長艏樓、前傾首柱、球鼻首的單體船型；全船采用綜合電力推進，配備首側推，具備 DP-2的定位能力，全船生活和工作艙室設中央空調，航區為遠海航區，入CCS船級，并滿足船級社規范3級舒適度指標要求。

1.2 主推進系統介紹

軸系推進采用電力驅動動力系統型式，其單線圖如圖1所示。

圖1 電力推進系統單線圖

全船電站配有4臺2 940 kW/6 600 V中壓主發電機組，設中壓主配電板1座，配有2臺1 400 kVA日用變壓器，通過6 600 V主配電板給400 V配電板供電，2臺變壓器一用一備。此外，全船配功率管理系統（PMS）1套。

全船設主推進系統2套，左右舷對稱布置，推進功率為3 200 kW，采用變頻器驅動，推進電機為低壓永磁電機。主推進系統配置推進控制系統2套。全船設側推系統2套，功率為1 000 kW，采用變頻器驅動，并配置側推進控制系統1套。

對于大功率電力推進系統的船舶而言，變頻器是直流電網與大功率電機的橋梁，屬于推進系統的關鍵重要設備，決定推進系統的成敗，在主推進變頻器方案選擇方面，本文分別從設備配置、價格、諧波控制、可靠性、功率利用率等方面對12脈沖變頻和AFE變頻器進行比對分析，為本船變頻器合理選擇提供參考。

2 原理分析

2.1 12脈沖變頻器

12脈沖變頻器是由6脈沖變頻器疊加形成的（如圖2所示），其內部整流電路由2組二極管整流橋串聯而成，通過輸入變壓器的兩副邊供電（互差30°電角度，星型和三角形方式）。這種整流方式能夠穩定地把整流電路的脈沖數由6脈沖提高到12脈沖，從而大大降低了5次和7次產生的諧波電流。

圖2 12脈沖變頻器整流電路示意圖

2.2 AFE變頻器

AFE變頻器與普通變頻器的區別主要在于其整流環節（active front end），AFE變頻器的整流環節采用自關斷器件IGBT作為其功率器件，并且采用正弦波的脈寬調制技術。AFE變頻器的出現較好地解決普通變頻器存在的電流單向流動、諧波電流較大等問題，同時大大減小了對主電網的沖擊，這是因為其沒有采用傳統的固定橋式二極管整流模式，在整流狀態或回饋狀態下工作時，都是通過切換 IGBT開關狀態以實現相應的功能，從而使得變頻器的網側電流都是正弦波，功率因數也接近于 1，同時諧波很少。整流單元原理如圖3所示。

AFE變頻器的特點如下：

1）采用IGBT功率元件及正弦波的脈寬調制技術，開通/關斷均可控。

2）由于AFE變頻器前端的電壓與電流波形均已濾波成正弦波形，電壓與電流正弦波形間的相位差角可以按需要在一定范圍內設定，因此功率因數可調。

3）控制變頻器的輸入電流的諧波小于5%。

圖3 AFE變頻控制系統的整流單元原理

4）不采用直流電抗器和輸入電抗器也不會對電網產生干擾。

5）AFE整流器抵抗電源電壓偏低的能力很強，容許電源電壓低于電機電壓，可在電網電壓較低或波動較大時保持足夠的轉矩輸出。

6）再生能量可反饋給電網。

目前變頻器主流廠商大部分都有相應的AFE變頻器產品。如 ABB、西門子、VACON、施耐德、Emerson、日立等。

3 12脈沖變頻器和AFE變頻器的對比

3.1 設備配置

傳統的12脈沖、18脈沖或者24脈沖多脈沖變頻方案是通過移相變壓器的組合配置來實現的，從而導致這類多脈沖變壓器體積大、重量大、價格昂貴。而AFE變頻方案，沒有采用移相變壓器，有利于減小體積和重量，節約成本。

變頻器的網側功率因數不足，輸入諧波電流較大，同時對電網帶來干擾，這是普通變頻器采用內部二極管全橋整流的固有缺陷，因此隨著變頻器的功率增加，對電網的沖擊和干擾也就越大，因此在實際的產品研制中，通常會采用在較大功率的變頻器加裝輸入電抗器和直流電抗器的方法，來降低其輸入諧波，并提高網側功率因數。

多脈沖整流變頻方案一般配置制動斬波器和制動電阻，將剎車制動能量轉變為熱功率散發出去，這種方式顯然會造成能源浪費，總體效率降低，且安全性不高。而采用AFE變頻器采用的是PWM 整流器，能量具有雙向移動性，船舶緊急制動引發的較大制動功率可以返回至電網。

3.2 價格

AFE變頻器剛推出的時候，價格十分昂貴，時至今日，這仍是制約AFE變頻器推廣的主要原因之一。但隨著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。目前，同功率的AFE變頻器的價格約為12脈沖變頻器價格的1.3倍～2倍。就3 200 kW，690 V這一檔來說，AFE變頻器的價格約為12脈沖變頻器價格的1.4倍，但因為12脈沖變頻器方案還需要配置移相變壓器和濾波裝置等，因此12脈沖變頻器與AFE變頻器相比，價格優勢已經越來越不明顯。

3.3 諧波控制

3.3.1 諧波危害

在電力推進船舶動力系統中，主要的非線性負載是推進變頻器，對船舶的主電力系統造成極大地諧波危害[2-4]，對推進電機、儀器儀表、通導設備等造成諸多不利影響，其危害主要表現有以下幾個方面：

1）諧波使同一組網中的電氣元件產生附加的諧波損耗，最終降低了發電設備的整體使用效率；同時，大量的3次諧波流經中性線時會有過熱效應，增大了火災的可能性。

2）大量的諧波能夠增加電機設備的振動和噪聲，產生過電壓和過電流效應；能夠使電容器、變壓器等阻性或抗性設備過熱，加劇老化和故障率，影響設備的長期使用安全。

3）諧波會引起繼電保護或其他自動控制裝置的誤動作，使系統整體的可靠性降低，諧波影響儀器儀表的測量精度。

4）諧波會對流經的通信系統產生干擾，影響通信質量。

船舶電站與陸上電站相比功率較小，電站保護完善性較差，所以控制總諧波失真（THD）成為整個電力推進系統和電流組網系統的關鍵點和難點。一般要求低壓配電電網中總電壓諧波失真小于5%，任何單次諧波失真小于3%（船級社對于低壓組網的要求）。

3.3.2 12脈沖變頻器的諧波控制

雖然與6脈沖整流電路結構相比，12脈沖的總諧波電流失真大大下降，但也在10%左右，但IEEE 519—1992標準明確規定：在電網短路電流小于20倍負載電流時，總諧波電流失真小于5%。因此，需采取屏蔽、隔離、接地及濾波等控制措施對12脈沖變頻器的諧波進行大幅度降低，工程應用的技術手段包括：減少回路的阻抗、采用無源或有源濾波器、提升變壓器容量及傳輸線路切斷法等。

3.3.3 AFE變頻器的諧波控制

從圖4可知，AFE變頻器的輸入電壓和輸入電流波形幾乎是無諧波，一般情況下，總電壓諧波失真小于2%，總電流諧波失真小于5%，完全滿足船級社 5%的限制要求。因此，電力推進系統設計時完全可以忽略諧波干擾，也不需要調整移相變壓器短路阻抗和發電機直軸超瞬變電抗。所以，應用AFE變頻器可以直接采用標準的變壓器和常規的發電機，節約了工程成本和時間成本。

圖4 AFE的輸入電壓和輸入電流波形

3.4 可靠性

變頻器的元器件中，自關斷器件 IGBT是故障率較高的元器件，而AFE變頻器除了在逆變環節使用IGBT外，在其整流環節也采用IGBT作為其功率器件，因此相比 12脈沖變頻器，AFE變頻器的故障率稍高。但是考慮到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，也在一定程度上降低了系統的穩定性和可靠性。

3.5 功率利用率

受二極管整流電路高次諧波的影響，發電機及變壓器實際有用功率因數低于95%，剩余功率轉化成熱量散發到空氣中，所以在選擇柴油發電機和移相變壓器時需要充分考慮不利諧波對系統的影響，并對總功率因數留有一定余量。AFE變頻輸入電流諧波極低，類似于一個純電阻性負載，AFE變頻器無需消耗無功功率，功率因數接近1，并且線性可調，設計得當可以得到超前的功率因數，可以對船舶電網無功進行補償，而采用AFE變頻器的發電機的容量能夠得到充分利用。

4 結論

通過上文可以看出，使用AFE變頻器設備配置簡單，占用空間較小，諧波控制好，無需額外的諧波控制設備，功率利用率高；但價格較高，并且設備的可靠性還需經過較長時間的實船驗證。本船機艙空間極為緊張，但初期投資預算和后期維護資金還算充足，同時考慮到公務船兼任著促進工程創新、推進國產化和軍民融合的使命任務，本船選用AFE變頻器。