AFE 技術在電動甲板起重機中的應用

夏 群，陳雷陽，徐鵬遠，夏 寅

（南京中船綠洲機器有限公司，南京 210039）

0 引言

近年來，基于高性能電力電子器件的大功率變頻調速技術發展迅速，為船舶起重機系統的電氣化提供了可靠基礎。然而，傳統變頻器大多采用二極管或可控硅整流，給船舶電氣系統帶來以下2個問題。傳統變頻器諧波含量較大，嚴重影響了船舶電氣系統的電能質量。同時，在電動起重機起升機構和變幅機構下降作業過程中，傳統變頻驅動控制往往采用電阻能耗制動控制，無法實現發電狀態再生能量回收利用，從而造成能源浪費。針對上述問題，本文將對AFE技術開展分析，并將其納入到船舶起重機系統應用研究范疇，為其在船用電動甲板起重機電氣系統中諧波抑制和制動能量回收方面的應用提供思路。

1 A FE原理和性能

1.1 AFE原理

主動前端（Active Front End，AFE）相較于

常規的二極管或可控硅整流技術而言，具備很多主動的控制功能，不再是被動完成整流過程。主動前端技術的使用，不但能消除諸多高次諧波，顯著地提高功率因數，還不受電網波動的影響，具備卓越的動態調整特性。

基于AFE 技術的變頻驅動系統，其基本結構如圖1所示，主要由輸入電抗器、自換相可控整流器、電容濾波器和電壓型PWM 逆變器等組成。從結構上來看，由于采用了大功率全控式電力電子器件IGBT，該系統既可作為整流器，又可作為逆變器，可實現能量的雙向流動控制。其運行狀態有2種：1）電網能量由電網側流向直流母線側；2）產生的再生能量從直流母線側回饋到電網側。

圖1 基于AFE 技術的變頻驅動系統結構圖

式中：L為電網側濾波電感；R為電網側等效電阻；C為直流母線電容；Vdc為直流母線電壓；Va、Vb、Vc分別為網側三相電動勢；ia、ib、ic分別為輸入AFE的三相電流；Sa、Sb、Sc分別為AFE的三相開關函數。

通過一定的控制算法對AFE的三相開關進行控制，可以使AFE運行在以下2種狀態：

1）電動工作模式。能量流動方向為電網側至電動機負載。

2）發電工作模式。電動機產生再生能量，能量流動方向為電動機負載側至電網側。

如圖2所示，AFE的工作原理可簡述為：電動工作模式下，電網側供給AFE單元交流正弦波，經濾波、整流后輸出直流電壓，通過直流母線保持所要求的電壓值；發電狀態下，直流母線電壓升高，AFE單元將直流電壓逆變為交流電壓，經濾波消諧反饋至電網。

圖2 AFE 工作原理流程圖

非線性用電設備產生的諧波，正弦電壓施加于非線性負載，基波電流發生畸變使得諧波電網品質變壞，波形失真增大，頻率偏離標稱值，將使電網負擔加重，可用容量下降。高次諧波可能引發電壓諧振，造成線路過電壓等危害。

對于電網損耗而言，不平衡與諧波同時存在所產生的附加損耗大于二者單獨存在時對電網產生的附加損耗之和，而且隨著不平衡與諧波含量的增加，其正相關特性將越來越顯著。電流不平衡程度則從側面反映了系統損耗的增加。電網中諧波不僅增加系統損耗，還會危及網絡中的設備壽命及系統安全。

1.2 傳統整流的性能對比

AFE整流單元濾波電路有效消除各次諧波，與傳統6脈、12脈整流相比具有更加平滑優質的正弦波形，見圖3。

圖3 整流單元電路與整流波形對比

AFE整流單元與普通二極管整流單元最大的區別是AFE的整流部分采用斬波方式，AFE整流在換相豁口、諧波、電源波動等多個方面都有明顯的優勢，具體如表1所示。

表1 AFE 整流與常規整流技術性能對比

整流技術的控制策略主要分為2種，即電流和功率控制。電流控制主要分為間接電流控制和直接電流控制，都是對AFE整流的交流側電流進行控制，從而控制其有功功率、無功功率和功率因數。功率控制則是從能量的角度出發，在交流電壓一定的情況下，通過控制AFE的瞬時有功功率和瞬時無功功率，間接控制瞬時電流。功率控制的主要方式有開關表式直接功率控制和固定開關頻率直接功率控制，具體如表2所示。

表2 AFE 整流技術的控制策略

2 西門子AFE技術

2.1 控制單元的組成和功能

如表3所示，西門子AFE控制單元由有源接口模塊與有源電源模塊共同組成。有源接口模塊，即濾波模塊，具有基本干擾抑制功能，保證電源清潔輸入，配備有預充電回路、電源電壓測量裝置和監控傳感器，通過清潔輸入濾波器可以最大程度地抑制電源諧波。

有源電源模塊是受控的整流/回饋裝置（整流和回饋均采用IGBT元件），可產生一個可控的直流母線電壓，電壓值為額定電壓的1.5倍，與電源模塊相連的逆變模塊可以與電源電壓隔離，進而隔離了電網對電機電壓的影響，提高動態性能，并改善了控制性能。

AFE電源模塊的回饋功能可以將電機端再生電源經過清潔處理反饋至電網，在位能負載下降和制動時較大程度地節約能源。此外，AFE電源模塊還具有無功功率補償的功能，可連接到TN/TT和浮地IT電網。

表3 西門子AFE 控制單元的組成

西門子AFE能將直流母線電壓保持一個恒定值，不僅能夠作為整流器工作，還可作為逆變器進行工作，為電源側的4象限運行。通過恰當的SPWM模式，能夠規避可控硅類功率元件在整流/回饋時因電網側故障而發生的整個單元逆變失敗現象，從而大幅提高交流-直流環節的可靠性。通過控制交流電流的幅值和相位，經前端的波和儲能環節使交流輸入電流接近正弦波。不斷調整功率因數，并以1為中點進行調節。在電機側的制動能量通過逆變單元返回直流母線，直流電壓升高時，控制交流輸入電流的相位與電源電壓相位，使兩者相反，進而達到再生發電運行狀態，并將再生能量回饋到交流電網中；斬控整流器這時工作在有源逆變狀態，對供電側的功率因數進行有源補償。因為直流母線電壓能夠在一定范圍內設定穩壓值，所以AFE整流器補償電源電壓偏低的能力很強，特別適合于供電側電壓長期偏低的情況。

西門子AFE變頻技術不僅可以完成直流母線側的能量再利用，還能將直流側多余的電能逆變到電網上，回饋過程中能夠消除高次諧波，提高功率因數，無需因大功率設備而增設無功補償裝置，再生能量可以清潔高效回饋電網，避免對船舶電網產生污染，而且不受電網波動的影響，具有穩定的直流母線電壓和卓越的動態特性。

2.2 諧波總量指標

基于西門子S120系列變頻器構建的AFE多傳動變頻驅動系統，在弱電網系統中的電流諧波總量不超過2.6%，電壓諧波總量不超過2.3%，滿足船級社規范指標要求。見表4。

表4 西門子AFE諧波含量

3 西門子AFE 技術在電動甲板起重機中的設計思路

AFE技術在船舶領域的應用，按深度可劃分為3個等級：單設備級、群設備級和系統級，其中又以前2種在船上獲得的應用較多。從電網的角度而言，不同級別的應用對于電網構成的影響度是不一樣的，設備級應用僅牽涉到電網的局部配置，而系統級應用則直接決定了電網構型。對應于上述3類應用，AFE配置方案有單整流單驅動型、單整流多驅動型和多整流多驅動型等3種，后2種構型利用了公共直流母線技術。從電力分配的角度而言，共直流母線的優點在于構建了一個共享的電力生態鏈，每個逆變單元所承載的負載能夠共享直流母線的功率容量，并且各負載之間可以依托共直流母線而實現能量的相互流動和再次分配，進而減少有源前端和前置濾波器的數量，降低制動電阻的容量配置，能夠彌補起重船內部空間緊湊的缺點。本文以西門子AFE技術為例，結合某型電動甲板起重機項目應用進行探討。

3.1 某型電動起重機主要控制要求和技術參數

電動甲板起重機主要由起升、變幅和回轉3大機構組成，各機構均以變頻電機作為動力源，驅動起升、變幅和回轉機構實現無級變速運行。主要配置為：起升電機1臺、變幅電機1臺、回轉電機3臺。所有電機電制為3相380 V/50 Hz，配備冷卻風機、熱敏電阻和速度編碼器。

1）根據電機和起重機總體功率分配，將AFE配置方案定為單整流多驅動型。裝置型有源電源模塊1只、有源接口模塊1只，均通過DriveCliQ與CU320控制模塊形成數據通訊。構建AFE變頻驅動系統拓撲結構，如圖5所示。

2）起升機構選擇相匹配的裝置型單軸電機模塊1只，變幅機構選擇相匹配的裝置型單軸電機模塊1只，回轉機構選擇書本型單軸電機模塊3只。各電機模塊通過DriveCliQ與CU320控制模塊形成數據通訊，如圖3所示。

圖5 AFE 變頻驅動系統拓撲結構

在電動運行狀態下，系統由電網供電，AFE作為整流單元輸出直流電源為電機模塊供電，電機模塊作為逆變單元輸出近似正弦交流電驅動電機工作；在發電運行狀態下，電機模塊作為整流單元，反向輸出直流電壓，使得母線電壓升高，形成再生能量，可為母線下其他做電動運行的電機提供電源，同時AFE作為逆變單元，將剩余的再生電源清潔處理后回饋至電網。

4 結論

AFE技術在電機應用場景中節能與抑制諧波的特性，滿足電動甲板起重機高效、節能這2個主要性能指標。AFE技術對具有較大轉動慣量的電動機系統而言，不僅能夠提升其運行性能，還降低電動機的運行溫度，延長其使用壽命，實現能量回收，避免因電阻能耗制動對環境產生熱污染。船舶電網屬于小電網系統，電網容量較小，對大功率設備產生的諧波畸變率要求較高，需充分匹配適用。AFE技術對諧波的抑制特性也使得電網電能質量得到改善，減少對電網中其他設備的影響。本文從AFE的基本結構和原理切入，總結了AFE的多種優點，并以西門子AFE為應用實例，提出了AFE技術在電動甲板起重機應用中的一種設計思路，為AFE技術的進一步推廣提供有效參考。