變頻驅動技術在風電安裝船電力推進系統上的運用

林創鵬，王飛飛，陳慶俊

（廣州星際海洋工程設計有限公司，廣東廣州 511462）

0 引 言

與傳統的船舶推進方式采用主機驅動螺旋槳技術（見圖1）相比，船舶電力變頻驅動推進（見圖2）因具有調速范圍廣、響應速度快、控制精度高、機械噪聲低和節能環保等優勢，在風電安裝船等各種海工船舶上的推進系統中得到了越來越多的應用。目前，船舶電力推進主要采用電壓源型交-直-交變頻驅動技術，利用變頻驅動裝置，根據各種船舶工況輸出頻率和電壓可變的交流電源，驅動推進電機高效運行。船舶推進驅動變頻器的配置主要采用多脈沖整流前端（Diode Front End，DFE）變頻器和有源前端（Active Front End，AFE）變頻器2 種變頻方案，本文就風電安裝船采用的這2 種變頻驅動電力推進方案的配置和變頻驅動帶來的諧波干擾與抑制等問題進行分析。

圖1 主機驅動螺旋槳推進系統

圖2 變頻驅動電力推進系統

1 規范對變頻驅動電力推進系統諧波的要求

船舶變頻驅動電力推進系統中的變頻器作為系統的核心驅動設備，其功率可占到整個船舶電網容量的70% ～80%，變頻器中的整流器和逆變器電路采用的是大功率二極管、絕緣柵雙極晶體管等非線性電力電子器件，這些電力電子器件在工作過程中會使電源輸入電流中產生諧波電流，形成非正弦波，引起電源內的阻抗產生相應的諧波電壓。這些諧波電壓施加到電網中的電氣設備的電源端，會引起各設備內部產生相應的諧波電流，造成發熱、振動等影響，使儀器儀表產生誤差等。因此，在設計電力推進系統變頻器配置方案時，必須采用有效的諧波抑制措施，保證船舶電網穩定運行。各船級社對船舶電網諧波指標的要求見表1。

表1 各船級社對船舶電網諧波指標的要求

2 電力推進系統變頻驅動技術方案對比

在船舶變頻驅動電力推進系統中，為更好地抑制變頻器產生的諧波，目前在配置電力推進系統變頻器方案時，主要采用DFE變頻和脈寬調制（Pulse Width Modulation，PWM）AFE變頻控制，以使船舶電網總電壓諧波畸變率THD滿足規范的要求。這2 種變頻驅動控制變頻器在重量、體積、控制方式和價格成本等方面存在差異，具體采用哪種變頻驅動推進方案需根據具體項目諧波分析結果，在綜合考慮其他因素之后確定。目前AFE變頻器主要應用在690 V低壓系統的電力推進系統中，DFE變頻器在690 V、3 000 V和6 000 V中低壓系統的電力推進系統中都有運用。

2.1 DFE變頻器

對于船舶電網而言，變頻器就是一個整流裝置，在網側諧波電流次數為

式（1）中：k為正整數，k=1，2，3，…；m為整流裝置整流脈波數。

DFE變頻器主電路圖見圖3，主要由三相全橋整流器（由VD～VD等6 個二極管構成）、直流儲能電容器C和三相IGBT電壓型PWM逆變器（由V～V等構成6 個IGBT管）組成。整流裝置由三相二極管組成橋式整流電路，整流前端輸出的直流電壓在交流電的1 個變化周期內有6 個脈動的波頭（m =6），變頻器網側諧波電流的次數為5，7，11，13，17，19，23，…，導致船舶電網輸入電流高低次諧波含量大，電壓波形總諧波畸變嚴重，輸入功率因數減小，船舶供電品質受到影響。DFE變頻器6 脈沖整流前端輸入電流和輸出直流電壓波形見圖4。

圖3 DFE變頻器主電路圖

圖4 DFE變頻器6脈沖整流前端輸入電流和輸出直流電壓波形

為防止6 脈沖DFE變頻器整流前端諧波過大，降低諧波對船舶電網的影響，目前電力推進系統常在推進變頻器前增加移相變壓器，構成12 脈沖或24 脈沖等多脈沖整流前端，有效抑制變頻器產生的電網諧波。

移相變壓器的工作原理是利用三相變壓器一次側和二次側繞組的不同連接組別實現二次側繞組電壓的不同移相。移相變壓器是一個三繞組變壓器，其原邊采用星形接法；副邊有2 個繞組，分別接成星形和三角形，三角形繞組的輸出電壓與星形繞組的輸出電壓的相位差為30°，這樣副邊就得到了2 組6 個電壓，經過全波整流就得到了12 個脈動波頭的直流電壓。圖5 為DFE變頻器12 脈波整流前端輸入電流和輸出直流電壓波形，在DEF變頻器前增加12 脈波移相變壓器，2 組三相橋式整流并移相30°電角度，整流前端輸出的直流電壓在交流電的1 個變化周期內有12 個脈動的波頭（m=12），12 脈波移相變壓器與2 組三相橋式整流橋構成12 脈波整流，此時諧波電流為11，13，23，25，…，可消除電網側5 次、7 次、17 次、19 次和31 次諧波，電網輸入電流諧波量可減少50%，12 脈波變頻器單側電流諧波THD＜15%。目前，在風電安裝船的DP2電力推進系統配置中，常采用推進器艙左右舷對稱配置1 臺推進器、1 臺移相變壓器和1 臺推進變頻器的配置方案，每套移相變壓器都有2 套三相次級繞組，每套移相變壓器的2 套次級繞組之間存在30°電位移。同時，2 套移相變壓器的原邊繞組相對于電網分別存在+7.5°和-7.5°的電位移，當2 套變頻器同時工作時，形成虛擬24 脈沖整流系統，可消除11 次、13 次、35 次和37 次諧波，電網總諧波進一步減少，總電壓諧波THD的畸變率控制在5%以內。虛擬24 脈沖和真正24 脈沖配置見圖6。

圖5 DFE 變頻器12脈波整流前端輸入電流和輸出直流電壓波形

圖6 虛擬24脈沖和真正24脈沖配置

2.2 AFE變頻器

AFE變頻器主電路圖見圖7，由輸入電抗器X、三相PWM整流器（由V、V、V、V、V和V等6 個IGBT管構成）、直流儲能電容器和三相IGBT電壓型PWM逆變器（由V、V、V、V、V和V等6 個IGBT管構成）組成，也稱雙PWM變頻器。與DFE變頻器不同的是，AFE變頻器整流前端采用IGBT全控制電力電子器件替代不可控二極管組成三相橋式整流電路，通過PWM驅動信號控制IGBT的快速通斷實現整流。當正弦信號的頻率與輸入電源頻率相同時，輸入電流波形為正弦波，波形基本無諧波，能大幅減小電網側諧波電流，系統功率因數也接近于1。通過PWM控制全控型IGBT的通斷，可使前端整流器工作在逆變或回流狀態，當推進電機工作在制動狀態時，PWM整流器處于逆變運行狀態，從而將電能回饋給電網，實現電網能量的雙向流動，起到節能環保的作用。

圖7 AFE變頻器主電路圖

3 DFE變頻器和AFE變頻器在電力推進系統中的應用實例

目前，對于船舶電力推進變頻驅動控制系統，國內外集成商的解決方案主要是采用DFE 變頻器，其在690 V和3 000 V、6 000 V中低壓系統中都有應用，而AFE變頻主要在690 V等低壓系統項目中應用。

圖8為800 t自升式風電作業平臺電力推進系統DFE變頻器方案。該平臺長85.8 m，寬40.0 m，配置3臺1 900 kW的發電機、1 臺760 kW的停泊發電機、2 臺1 200 kW的艉部全回轉推進器、2 臺750 kW的艏部槽道式側推器、1 臺825 kVA的主起重機和1 套液壓插銷式升降系統。該平臺的主要諧波源為主推變頻器、側推變頻器和主起重機，在設計電力推進系統方案前期，根據平臺各工況的電力負荷分析和系統集成商提供的電力系統諧波分析報告，當采用移相變壓器加DFE變頻器時，電網總諧波畸變率最嚴重時690 V和400 V匯流排電壓THD均控制在3%以下，滿足中國船級社規范要求的小于5%。同時，因DFE 變頻器在價格上比AFE變頻器更具優勢，所以在制訂變頻器方案時采用DFE變頻器。

圖8 800 t自升式風電作業平臺電力推進系統DFE變頻器方案

圖9為1 600 t風電安裝平臺電力推進系統AFE變頻器方案。該平臺長102.00 m，寬43.98 m，配置5 臺1 900 kW的發電機、2 臺2 400 kW的艉部全回轉推進器、2 臺1 500 kW的艏部槽道式側推器、1 臺2 000 kW主起重機和1 套液壓插銷式升降系統。該平臺的主要諧波源為主推變頻器、側推變頻器和主起重機，同時為實現節能減排，機艙風機和海水泵控制均采用變頻控制，電網諧波源多，總諧波畸變率高。根據平臺各工況的電力負荷分析和系統集成商提供的電力系統諧波分析報告，當采用移相變壓器加DFE 變頻器時，電網總諧波畸變率最嚴重時690 V和400 V匯流排電壓THD均超過中國船級社規范要求的小于5%，只能采用24脈沖DFE變頻器或AFE變頻器。因24 脈沖DFE變頻器方案中每臺變頻器需配置2 臺三繞組移相變壓器，從設備空間布置、總體重量和價格等方面對比，AFE 變頻器都更具優勢，所以該平臺的電力推進變頻驅動方案選擇采用AFE變頻器。

圖9 1 600 t風電安裝平臺電力推進系統AFE變頻器方案

從上述電力推進系統配置方案中可看出，DFE變頻器方案與AFE 變頻器方案在設備配置上的區別主要在于DFE變頻器前增加了2 套移相推進變壓器，其他設備的配置基本一致。DFE變頻器與AFE變頻器因整流前端控制器件和控制方式等不同，導致設備重量、體積和價格等存在較大的差異。AFE 變頻器相比DFE變頻器和移相變壓器總成本較高，但在提高系統功率因數和抑制電網諧波干擾等方面性能優越。DFE 變頻器與AFE變頻器的結構配置和性能對比見表2。

表2 DFE變頻器與AFE變頻器的結構配置和性能對比

4 結 語

通過以上分析可知，船舶變頻驅動電力推進技術無論是采用移相變壓器加DFE 變頻器組成12 脈沖或24 脈沖變頻裝置，還是采用AFE變頻器，都能有效抑制船舶電網諧波，得到滿足規范要求的控制指標。在已交付的多艘電力推進船舶中，大部分采用的都是由DFE 變頻器和移相變壓器組成的多脈沖變頻驅動方案，AFE變頻器除了價格昂貴之外，在共模干擾和電磁兼容性方面存在不足，易對電網的穩定性和設備的安全可靠運行產生很大的影響，尤其是在高壓配電系統中共模干擾幅值較大。因此，相對于在陸上電網中的廣泛運用，目前AFE變頻器只在低壓電網船舶電力推進中得到一些運用。