AFE變頻器在海洋救助船上的應用

陳兆錫，樂小龍

應用研究

AFE變頻器在海洋救助船上的應用

陳兆錫1，樂小龍2

（1.交通運輸部東海救助局，上海 200090；2. 上海船舶研究設計院，上海 201203）

本文簡要介紹了AFE變頻器的工作原理，從設備外形尺寸及重量、能量回饋及電磁兼容等方面，對AFE變頻器和DFE變頻器進行了對比。介紹了新型中型海洋救助船主推進系統AFE變頻器的主要參數及應用情況，為后續船型的設計和建造提供了有益參考。

AFE變頻器 海洋救助船 能量回饋 電磁兼容

0 引言

2003年以來，我國交通運輸部確立了救助系統的工作要以海上人命救生為主，促成了我國海洋救助船新船型的誕生[1]，形成了以6000 kW、8000 kW和14000 kW救助船為核心的救助船隊，并具有全天候、大功率、高性能和高航速的特點，極大地提高了海上事故的應急反應、人命救助、環境救助和財產救助的綜合能力。這些救助船均采用常規軸系推進型式，由柴油機通過齒輪箱驅動可調槳，并配有軸帶發電機和主發電機組。

為了更好地適應沿海及島礁等淺水和復雜水域海上應急救助的需要，在實現救助船隊有序更新的基礎上，兼顧救助應急處置的實效性和經濟性，交通運輸部東海救助局于2015年提出研發并建造1艘新型中型海洋救助船。該船（即“東海救151”輪）采用電力推進，于2018年8月開工，2019年底建造完成交付使用。下文在簡述有源前端變頻器（Active Front End，以下簡稱AFE變頻器）原理的基礎上，對AFE變頻器和無源前端變頻器（Diode Front End，以下簡稱DFE變頻器）這兩種電力推進系統進行對比分析，并介紹AFE變頻器在該新型中型海洋救助船上的應用情況。

1 AFE變頻器原理

變頻器主要由整流、濾波、逆變、制動、驅動及檢測控制單元等組成。AFE變頻器的整流前端與輸出端逆變器具有相同的結構，都是采用絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，簡稱IGBT）組成的三相橋式結構，如圖1所示。與傳統的DFE變頻器所采用的二極管整流技術相比，AFE變頻器整流環節不再是被動的將交流轉換成直流，它通過控制IGBT的導通與關斷，可以消除5次和7次等低次諧波，提高功率因數，有效地降低船舶電網側的諧波電流。AFE變頻器具有雙PWM整流特性，能夠抑制推進系統中諧波的產生，同時，能夠實現變頻器母線和電網間的雙向能量流動。

AFE變頻器的工作方式可分為以下2種[2]：

1） 獨立控制

當控制對象的電動機狀態發生突變時，母線電壓首先產生波動，AFE變頻器根據母線波動情況對電網側的功率進行調節，因此直流回路中的電容容量必須足夠大，從而緩解負載側逆變回路和電網側整流回路能量分布不平衡的問題。同時，大電容容量會對整個系統的可靠性和動態性能產生影響。

2） 聯合控制

該方式將負載側功率變化情況提前反饋給AFE功率控制或電流部分，能夠有效提高直流回路的動態響應性能，進而提升AFE變頻器的整體性能。同時，該方式能夠降低直流回路中的電容容量，從而可以降低AFE變頻器的體積和成本。

2 AFE與DFE電力推進系統對比

采用DFE變頻器的電力推進系統中設置了移相變壓器，通過該變壓器副邊的具有不同聯接組別的雙套繞組產生相位不同的電壓波形，再送到DFE變頻器的兩組整流裝置中，從而構成12脈沖或24脈沖整流器。而采用AFE變頻器的電力推進系統中沒有移相變壓器。兩種不同變頻電力推進系統的設備組成對比如圖2所示。下面將從設備布置、能量回饋及電磁兼容等方面對兩種系統進行對比分析。

2.1 設備布置

由圖2可知，DFE變頻電力推進系統中多出了2臺移相變壓器。對于DFE變頻系統而言，由于其整流單元采用的二極管全橋整流，其電網側功率因數不高，輸入諧波電流較大[3]。為了降低DFE變頻系統中的諧波，通常采用增加移相變壓器脈沖數的方法。采用12脈沖甚至更高脈沖數的整流裝置用后，在降低了諧波的同時也付出了相應的代價：增加了移相變壓器和濾波器，增加了初期投資，且空間安裝需求變大；系統在運行時，整體效率會因變壓器等設備的使用而有所降低。但是，我們需要綜合來對比：即把移相變壓器和DFE變頻器加在一起，再來與AFE變頻器進行整體比較。某海洋工程船主推進器額定功率2000 kW，采用了DFE變頻器加移相變壓器方案，將其與同功率的AFE變頻器設備外形尺寸進行了對比，具體如圖3所示。

從上圖可以看出：DFE變頻器加移相變壓器的總長為5000 mm，變頻器重量約為2.5 t，移相變壓器重量約為7 t。AFE變頻器長度為5030 mm，重量約為4 t 。由此可見，兩種不同方式的設備尺寸幾乎相當，但DFE電力推進系統由于多出了2臺移相變壓器，系統總重要大一些。

圖3 AFE變頻器和DFE變頻器+移相變壓器尺寸對比

2.2 能量回饋

AFE變頻器采用IGBT后，其具有能量雙向流動特性：即當大功率負載電動機（例如：吊機）處于二象限（發電狀態）運行時，AFE處于逆變回饋模式，會向電網側回饋電能。在陸地上的無窮大容量電網中，這種回饋能量不會對電網本身產生影響，而且通過加裝合適的儲能裝置還能將其回收利用。在船舶制動過程中，推進電動機也會產生制動功率，這一部分功率也可以經過AFE變頻器回饋至船舶電網，若這一部分制動功率無法泄放，將導致變頻器的直流母線電壓升高，并可能對變頻器造成損害。對于DFE變頻器，其整流單元采用的是二極管，由于其只能單向導通，因此能量不能往電網側輸送，只能在變頻器的直流母線上加裝制動單元和制動電阻來消耗。船上AFE變頻器制動能量的回饋方法有其局限性：當船舶電網的容量較大，特別是推進裝置的功率很大時，制動狀態時的回饋功率瞬時峰值也較高，這對于船舶電站而言是一種沖擊，輕則影響電站運行的穩定性，重則導致機組逆功停機[4]。另外，當船舶發電機組和AFE推進變頻器的容量相差不大，若發電機的調速器參數、勵磁調節器參數與AFE 變頻器的控制器參數設置不合理，也有可能會造成AFE推進變頻器與發電機組之間產生振蕩。

2.3 電磁兼容

IGBT的高頻載波會通過傳導和輻射兩種方式對外界產生電磁干擾[5]。當波段靠近50次諧波時，IGBT的開關頻率約為2～3 kHz。更高的開關頻率，諧波波段會漂移到更高頻次。在許多例子中，遠遠大于50次諧波，甚至一些電力品質分析儀都無法準確測量。輻射干擾會影響信號的正常傳輸，對于模擬量信號，會直接改變信號電參量的大小；對于采用差分傳輸的串行通訊，則會在信號電平上疊加一個共模噪聲，一旦超過允許的范圍，可能導致接口電路燒毀。因此，在線纜敷設時應注意避免信號電纜與變頻電纜近距離平行排布，并且在兩類電纜相交時采取垂直相交方式。在DFE系統中，移相變壓器還能起到隔離作用：若變頻器、電機、或相關電纜發生接地故障，由于變壓器的隔離作用，將不會使接地故障影響到主電網，這也是DFE系統的一個優勢。

3 AFE變頻器實船應用情況

為更好服務“海洋強國”和“21 世紀海上絲綢之路”等重大國家戰略的實施，進一步提升海上人命救生和船舶救助能力，依據中華人民共和國交通運輸部關于新型中型海洋救助船建造項目建議書的批復（交規劃函[2016]405號）和項目可行性研究報告的批復(交規劃函[2017]106號)，同意建造1 艘新型中型海洋救助船。該船采用全電力推進系統，航行于無限航區，用于低海況下沿海水道、島礁等淺水區域人命救生和船舶救助，可兼顧高海況下救助任務，具有DP2 級動力定位能力。下面介紹該船的電力系統組成、AFE變頻器主要參數以及交付使用情況。

3.1 系統組成

該船采用全電力推進系統，配有4臺主柴油發電機組：2臺AC690 V、50 Hz、2600 kW，2臺AC690 V、50 Hz、450 kW。主推進裝置采用AFE變頻器驅動，推進電動機為船用水冷鼠籠型變頻調速交流電動機，額定功率為AC690 V、2000 kW。首部配有2臺管隧式側推，額定功率為680 kW，采用軟起動器。設有2臺AC690 V/400 V、800 kVA日用電力變壓器，為全船日用負載供電。電力系統組成如圖4所示。

圖4 電力系統示意圖

3.2 主要參數

主推進裝置采用2臺AFE變頻器（型號：ACS880-37LC-2390A-7），采用直接轉矩控制，淡水冷卻，防護等級IP54，安裝在船舶平臺甲板尾部的變頻器艙。變頻器整流單元逆變單元均采用IGBT，設置多個功率模塊，每個功率模塊為完整3相逆變單元，發生單一模塊故障時可降功率運行。變頻器前端帶LCL濾波，輸出端配有du/dt電抗器，輸出頻率：0～300Hz。變頻器外形尺寸為長×寬×高=5230×716×2046 mm，重量約4.3 t。另配有2臺剎車電阻（水冷），額定功率400kW。主推進變頻器具有以下功能：過電壓、過電流、低電壓、過載、超溫、絕緣監測等保護功能；轉速控制/功率控制/功率限制功能；能耗制動功能；緊急停車功能等。

3.3 使用情況

該船在航行試驗時發現：1臺主發電機在網和1臺主推進AFE變頻器在網時，側推軟起動器起動后，側推配電板開關立即跳閘，側推起動失敗。經儀表測得數據：在該工況下側推起動電流可以達到5.9倍In，電網壓降21%。與主推進變頻器及側推軟起動器廠家討論分析后認為：軟起動器起動時，其自身的諧波與AFE變頻器的諧波相互作用，軟起動器控制回路受到干擾，導致側推軟啟動器的晶閘管觸發回路紊亂，最終使側推起動失敗。最終，通過調整軟起動器控制板的參數設定，提高其電磁兼容能力，同時調整AFE變頻器的參數設定，規避與軟起動器的干擾諧波頻譜，順利解決了該問題。經測試：側推起動過程中電網THD為6.45%，起動成功后THD為2.4%，諧波測量值如圖5所示。

圖5 側推起動過程諧波測量值

4 結語

對于有半導體變換器裝置運行的網絡，單次諧波至15次的諧波應不超過標稱電壓的5%，其后逐漸減少，在100次諧波時應減少到1%[6]。通常，我們會把注意力主要集中在低頻段諧波，盡量降低總諧波值，很容易忽視高次諧波帶來的危害，當諧波頻率接近電網震蕩頻率時，極易引發諧振。在設計階段，要根據發電機、變壓器和變頻器的電抗參數，以及主干電纜和變頻電纜的分布電抗以及電纜長度等情況，進行諧波及諧振分析計算，確保電力系統穩定運行。

AFE變頻器和傳統的DFE變頻器相比，在外形尺寸、設備重量、諧波抑制等方面各自有優缺點。在項目論證及設計過程中，需要充分考慮設備布置空間和電力系統的可靠性，對于電力推進系統而言，要更加關注諧波干擾和電磁兼容方面的問題，確保電力系統運行穩定和船舶航行安全。

[1] 鄭梓蔭，楊存國等.中國海洋救助船主力船型-8000 kW海洋救助船[J].船舶設計通訊, 2010, (01).

[2] 錢海月，王海洋.AFE變頻器在船舶電力推進電機控制中應用的研究[J].艦船科學技術, 2017, 39(4A): 40-42.

[3] 郭昂, 張京坤等. 某中壓交流電力推進系統變頻器的設計論證[J]. 機電設備, 2020, (01): 57-60.

[4] 何金平. AFE變頻驅動技術實船應用可行性探析[J]. 天津科技, 2020, 47(10): 43-45.

[5] 陸士平, 陳曄. AFE變頻驅動技術在科考船上的應用研究[J]. 船舶, 2017.

[6] 中國船級社. 鋼質海船入級規范[S]. 2021.

Application of AFE converter on ocean rescue vessel

Chen Zhaoxi1, Le Xiaolong2

（1.Donghai Rescue Bureau of The Ministry of Transport, Shanghai 200090, China; 2. Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute，Shanghai 201203，China）

TM921.51

A

1003-4862（2022）02-0012-04

2021-11-16

陳兆錫（1972-），男，輪機長。研究方向：船舶輪機。E-mail: 15005926299@163.com