半潜运输船双向变频电源系统设计

刘　波郜世杰华先亮

（1.海军驻广州四二七厂军代表，广州510336；2.上海船舶研究设计院，上海201203）

船舶电气

半潜运输船双向变频电源系统设计

刘波1郜世杰1华先亮2

（1.海军驻广州四二七厂军代表，广州510336；2.上海船舶研究设计院，上海201203）

海洋工程领域的需求是灵活多变的，介绍了某个半潜运输船项目中，根据多类型对外供电装置和多类型岸电接入设备综合在一起的需求，介绍了多种可行的设计方案，并进行了综合比较分析，最后选择设计出一个最适合的双向变频电源系统的设计应用案例，为海洋工程领域电气设计人员在类似需求项目中提供了一个参考解决方案。

海洋工程；半潜运输船；双向变频电源；有源前端整流

0　前言

随着电力电子技术的飞速发展以及新技术的普及应用，变频电源正广泛应用于各行各业。在海洋工程领域，大大小小的变频电源遍及各类作业船舶和平台。

目前应用的大部分变频电源，无论采用的是“发电机-电动机”形式的G-M旋转变频电源，或是“二极管整流-IGBT逆变”形式的DFE静态变频电源，都是单向供电的变频电源。这两种形式的单向变频电源各有各的优势。

得益于有源前端整流（AFE）技术的广泛应用，目前的静态变频系统可以抛弃占据大量空间的移相变压器，输出接近完美的正弦波交流电源，并且可以将能量反馈回电网，节能减排。成熟的AFE技术应用于变频电源装置，能够最大程度减小对电网的谐波影响。

1　项目背景

某新型半潜运输船，船舶电站电制为AC 450 V-60 Hz，要求在载运重型货物时对AC 380 V-50 Hz电制或AC 440 V-60 Hz电制的货物供电。在作为海洋工程作业的搭载平台时需要对AC 380 V-50 Hz电制或AC 440 V-60 Hz电制的作业设备供电，能够在国内外不同的码头接入AC 380 V-50 Hz电制或AC 440 V-60 Hz电制的岸电。不同工作模式时的输入输出电压波动范围为-10%～+6%。

为此，需要设计一套满足以上所有要求的综合电源系统。由于该电源系统需要双向工作，因此定义为“双向变频电源系统”。

2　双向变频电源系统设计过程

2.1方案选择

通过调研，确定满足该型半潜运输船载运能力范围内的绝大部分货物的电源需求不超过500 kW，因此，本方案选用的变频装置容量约650 kVA。其运行模式定义如下（图1～图4）。

图2　模式二　船舶电网对外提供不同电制电源（正向变频）

图3　模式三　码头给船舶电网提供同电制电源（反向旁路）

图4　模式四　码头给船舶电网提供不同电制电源（反向变频）

根据以上容量以及运行模式要求，我们初步设计了以下3种架构的电源装置：

1）旋转G-M双向变频方案。此方案的基本原理是：50 Hz输入交流电源→50 Hz电动机→机械传动装置→60 Hz发电机→60 Hz输出交流电源；反之则为：60 Hz输入交流电源→60 Hz电动机→机械传动装置→50 Hz发电机→50 Hz输出交流电源。同电制输入输出则通过旁路开关实现。

旋转G-M双向变频电源方案见图5，采用2台同轴但极对数不同的同步电机相连的形式，比如外端为600 r/min-10 P的电机，船端为600 r/min-12 P的电机。2台同步电机在不同的模式下，可作为发电机或电动机使用。控制系统根据人工选择的运行模式，来选择起动其中一端作为驱动端，另一端作为输出端。同时在两端控制屏各配置了1套通过辅助绕组进行电压调整的装置（VR1和VR2），保证了输出电源的品质。

图5　旋转G-M双向变频方案

2）“DFE-转换开关”双向变频方案。方案采用二极管整流和IGBT逆变技术及数字化处理技术，将380 V-50 Hz和440 V-60 Hz三相电源之间进行双向转换。装置主要由开关切换电路、电压频率变换电路两部分组成，其中电压频率变换电路又由输入有源/无源滤波器、DFE-IGBT变频器、正弦波滤波器、隔离输出变压器、输出电量检测单元及相关仪表等组成，其中有源/无源滤波器用于减少整流装置对电网的谐波干扰，核心的DFE-IGBT变频器采用SPWM脉宽调制技术及矢量电压控制技术来进行电源功率变换，正弦滤波器将变频器输出的SPWM波形校正，同时滤除逆变器所产生的高次谐波分量，输出纯净的正弦波，输出变压器将三相逆变电压进行隔离转换。

DFE双向变频方案见图6，切换电路见图7，核心的基本电路原理见图8。

图6　DFE变频电源方案

图7　DFE变频核心架构

图8　DFE变频的核心基本电路原理

图6中的开关切换电路用于用户根据输入电源的不同选择相应的工作模式。5个开关满足一系列严格的条件互锁。当需要从船端给外部提供同电制电源，或从外部给船端提供同电制电源时，S3闭合，S1、S2、S4和S5断开，系统工作在旁路状态，变频单元不工作在供电模式，但可以进行试验、维护。当需要从船端给外部提供变频电源时，S1和S5闭合，S2、S3和S4断开。当需要从外部给船端提供变频电源时，S4和S2闭合，S1、S3和S3断开。图6中可以看出，S1和S4、S2和S5的开关组合也能实现旁路供电功能，但这两种组合无法满足其工作时与变频单元的隔离。

3）背靠背AFE双向变频方案。AFE双向变频电源方案由2台背靠背的IGBT-LCL组合模块、控制检测单元及相关仪表等组成，方案见图9，其核心的基本电路原理见图10。

图9　AFE双向变频方案

图10　AFE双向变频的核心基本电路原理

AFE的功率器件是IGBT，一般开关频率3 kHz以上。AFE功率变换器具有双向功能，当功率从AC输入传输至中间DC电路时，变换器对交流电进行正弦脉宽调制（SPWM），当功率从中间DC电路传输至AC时，变换器对直流电进行逆变；LCL滤波器将变换器输出的SPWM波形校正，同时滤除逆变器所产生的高次谐波分量，输出纯净的正弦波。

当需要从船端向外端提供变频电源时，船端的AFE模块工作在整流模式，外端的AFE模块工作在逆变模式；当需要从外端向船端提供变频电源时，外端的AFE模块工作在整流模式，船端的AFE模块工作在逆变模式。

2.2方案确定

我们将以上3种方案进行多个指标的比较，结果见表1。

表1　3种变频电源方案对比结果

基于AFE变频技术对电网品质影响小、结构简单、安装空间小、输出控制灵活的优点，在可接受的成本范围内，确定选用以AFE框架的变频单元系统架构。

根据客户的具体需求，对外部供电时，单个负载最大800 A，最多同时供4路负载，得到双向变频电源装置的实际架构见图11，前视图见图12。

图11　AFE双向变频电源装置实际架构

图12　AFE双向变频电源装置前视图

装置能够在0～55℃环境温度中正常工作，采用水-水冷却方式，通过冷却水带走98%的热损耗，因此安装场所可以无需安装空调器，降低了噪音。

2.3系统功能

半潜运输船每次装载或作业的负载可能都不一样，双向变频电源系统的硬件配置需足够丰富、控制系统软件需要足够灵活，来满足每一次作业需要达到的设定和保护功能。

1）硬件配置：每个外端开关带遥控脱扣功能且配电流、电压互感器，每段汇流排配频率检测器。配智能电表对电源输出频率、三相电压平均值、三相电流平均值、三相线（相）电压、三相线电流、三相不平衡度、有功功率、无功功率、功率因素等参数显示并对有功功率电度进行统计计量。

2）设定功能：在控制系统，通过PLC和人机界面，设定每一个外端开关的额定值、报警值、脱扣值。

3）保护功能：对输入电源有完善的过压、欠压、过流、短路、缺相、变频器和变压器过热等保护功能，（保护阈值任意设定）考虑对不同船舶的用电负荷的控制，当输出负荷容量达到任意设定值时发出预报警信号，以便限制用电负荷。

比如，当船舶需要给一个 AC 380 V-50 Hz-100kW的设备供电时，计算该设备额定电流约190 A。那么将该设备的供电电缆连接到其中一个400 A开关，然后在控制面板上将该开关的过载报警值设定为200 A，脱扣时间为30 s。PLC采集该开关负载端的电流信号，并根据设定值实现对开关的切断动作。

2.4辅助配置

AFE双向变频电源装置需要与码头岸电连接，也需要连接至货物或作业设备。本项目配备了2台双卷筒电缆卷车，总共配备了4根3×95 mm2规格的软电缆。每根电缆的一端配300 A航空插头，根据负载需要与变频电源装置上的4个开关灵活连接，另一端配线叉式接头。另外配备了4组接头转换装置，可将线叉式接头转换为标准的航空接头，可灵活连接不同连接形式的货物、作业设备或码头岸电。2台双卷筒电缆卷车分别布置在两舷，在大多数连接岸电工况，仅需用到其中一舷侧电缆卷车上的2根电缆，灵活方便。

2.5实船验证

在经过各项试验后，双向变频电源装置取得了认证并已装船交付使用，从其实际应用反馈看，此装置完全达到了设计要求，得到了用户的满意评价。

3　结语

目前，双向变频电源应用并不多见，但其在半潜运输船这类特种船型上可以发挥其最大的优势。在海洋工程其他类似应用场合也有可适用。

Designing of Reversible Converter Power System for Semi-submersible Heavy Lift Vessel

Liu Bo1Gao Shi-jie1Hua Xian-liang2

（1.Naval Military Representative Office in Guangzhou No.427 Factory，Guangzhou 510336，China；2.Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute，Shanghai 201203，China）

The requirement of offshore engineering was always flexible.This article introduced a design case of a reversible converter power system on a semi-submersible heavy lift vessel project.The design was based on the requirement of a special power system that combined multiple electrical systems feeding out and multiple electrical system shore connections.This case could serve as reference projects with similar requirement.

offshore engineering；semi-submersible heavy lift vessel；reversible converter power system；AFE（Active Front-end Rectifier）

U674.3

A

1001-4624（2015）01-0079-04

2015-04-07；

2015-05-20

刘波（1983—），男，助理工程师，从事船舶电气方面研究工作。郜世杰（1981—），男，工程师，从事船舶电气方面研究工作。华先亮（1980—），男，高级工程师，长期从事船舶电气方面研究工作。