AFE技术在科考船上的应用

刘庆亮， 李宝钢， 徐全香， 邹祥依， 毛洪伟， 甄松刚

(国家深海基地管理中心， 山东 青岛 266237)



AFE技术在科考船上的应用

刘庆亮， 李宝钢， 徐全香， 邹祥依， 毛洪伟， 甄松刚

(国家深海基地管理中心， 山东 青岛 266237)

介绍了先进科考船电力推进上采用的AFE(Active Front End——主动前端)技术，论述了其原理，描述谐波的抑制和谐振的危害，比较虚拟24脉冲和AFE技术变频方案，充分发挥AFE技术变频的优势，基本解决了科考船电力推进系统的谐波干扰和电压降等问题，该技术方案可广泛应用于科考船电力推进中。

AFE技术 科考船 总谐波失真 谐振

0 引言

近几年国家越来越重视海洋科考，集中建造了一批科学考察船。已交付使用的科学考察船有4 000 t级海洋科学综合考察船“科学号”、“向阳红18船”。在建的项目有：海洋地质研究所4 000 t 级海洋科学考察船、国家海洋局极地研究中心的新建极地破冰科考船、国家海洋局海洋一所和海洋三所的4 500 t级海洋科学考察船等。以上科考船基本上都采用了先进的全电力推进系统，该技术已成为新建科考船上的“标准配置”。随着海洋科学研究的进步，海洋科考船作为搭载海上仪器设备的平台，不仅对船的动态和操纵性能的要求越来越高，而且对船平台本身提供的电源电压的谐波等要求也越来越苛刻。而电力推进船舶上配置的推进变频器主要为非线性负载，恰恰是船舶电网谐波污染的主要来源，因此控制总电压谐波干扰值成为目前科考船需重点解决的技术问题。

为了抑制总谐波失真，为推进变频器配置移相干式变压器组成虚拟24脉冲装置。该配置需要提供整个船舶电站的系统谐波计算，相应的谐波控制方案需达到控制指标。此外，还需提供除推进变频器外，其他变频设备的功率和类型。在参数确认后，详细计算谐波干扰结果，优化电网阻抗，以保持在所有正常工作下低于限定值的较低电压谐波干扰。采用AFE(Active Front End——主动前端)技术的变频器，整流器采用PWM控制，使输入电流波形为正弦波，总谐波失真极低，基本解决了谐波污染问题，也使电力系统更为简单且无需使用移相变压器，节省了空间。

1 AFE变频器工作原理

AFE变频器整流部分采用PWM技术，采用正弦信号波和三角波比较的方法对整流电路的IGBT进行正弦脉宽调制(SPWM)，得到SPWM波Uab、 Ubc和Uca(线电压)。电压波中含有与正弦信号波同频且幅值成比例的基波分量以及与三角波载波有关的频率很高的谐波，不含低次谐波。由IGBT组成三相桥式结构，实现了电网与变频器直流母线间能量的双向流动。由于AFE主动前端摒弃了落后的固定桥式二极管整流模式，无论在整流还是在回馈状态下工作时，都是通过IGBT开关状态的切换来实现相应的功能。因此，使用了AFE主动前端后，无论在整流还是在回馈状态下，变频器的网侧电流都是谐波很少的正弦波，功率因数也接近1，显著减小了对电网的干扰。同时，变频器采用了AFE主动前端后，可以实现前端能量的双向流动，因此可以应用于各种需要电机四象限运行的场合中。

由于AFE主动前端的产品拓扑结构实际上等效为一个BOOST逆变器，因此其直流母线电压可以高于电网电压峰值，可以在电网电压较低时或波动较大时保持直流母电压的稳定。AFE变频器主电路如图1所示。

2 AFE变频器对谐波的抑制

不同于传统多脉冲二极管整流器，AFE变频器的整流器利用对IGBT晶闸管的控制对输入电压进行调制解调，从而能够精确地控制直流母线电压，同时显著减少由变频器产生的谐波电流，被誉为“低谐波变频器”。

得益于AFE对输入电流的闭环控制，IBGT整流桥动态调整电流波形，补偿谐波电流。使在任何负载下的总谐波电流控制在5%。二极管整流桥的特性是负荷越大，谐波电流越大，变频器不具备补偿谐波电流的能力，完全是谐波的发生源。AFE变频器却能补偿电网谐波电流，起到“主动滤波器”的作用。所以对于AFE系统而言，谐波不再是使用变频器的阻碍。AFE与传统二极管整流变频器系统特性对比如表1所示。

图1 AFE变频器主电路

表1 AFE与传统二极管整流变频器系统特性对比

3 AFE变频器谐振分析

为了过滤IBGT整流桥产生的高次谐波，AFE变频器输入端需串联LCL滤波器，LCL滤波器与电网中其他感性设备构成了既并联又串联的复杂回路。理论上，在某些频率点，整个网络中电容电感中的能量会形成振荡，即所谓的并联谐振和串联谐振。谐振发生时，系统总阻抗变得极小或极大。该频率下的谐波电流或电压会被放大，造成电压总谐波突然增大，过大的谐波电流也会损坏LCL滤波器。

为了规避谐振频率，某公司利用Matlab等仿真软件进行谐振分析。利用完善的设备参数在Matlab里搭建系统模型，评估在各种工况下发生谐振的可能性。如发现有可能发生谐振，将对设备参数进行调整或者给出合理的工况建议以避免谐振的发生。

4 AFE方案与其他方案的对比

目前，我国已建和在建科考船中，主要采用虚拟24脉冲和AFE两种方案。以载人潜水器支持母船为例，比较两种方案的优缺点，如表2所示。该船的主要电气设备有：2台2 600 kW和2台760 kW的主发电机组，1套690 V的主配电板，2套2 500 kW 的主推进变频系统，1套800 kW可伸缩式全回转推进器和2台1 500 kV配电变压器。

表2 虚拟24脉冲和AFE两种方案性能对比

续表2 虚拟24脉冲和AFE两种方案性能对比

5 应用

为了检验AFE系统在实际工作中的表现，对某采用AFE变频技术的电力推进船进行了详细地检测，发现在最恶劣工况下，电网电压总谐波为2.9%，最大单次谐波为1%。在各工况下，系统没有发生谐振，运行稳定。

6 结论

采用AFE技术的变频器由于具有低谐波、更宽泛的功率范围、更高的输出功率因数、更强的过载能力、更方便的维护功率模块和能量回馈电网等优点，可提高电网的质量，同时满足了调查仪器设备对电网质量的要求。采用该技术的设备，能更好地响应国家建造绿色船舶的政策，符合国家可持续发展的战略，可在我国电力推进科考船上得到更多的认可和应用。

[1] 孙文志. 基于AFE技术改善变频器性能的原理与实践[J].电气自动化，2008，30(5)：32-33.

[2] 孙玉良. 有源前端变频器在船舶电力推进中的应用[J].上海造船，2009，25(2)：30-32.

[3] 龚水迁.AFE在港口起重机中的应用[J].制冷空调与电力机械，2010(4)：96-98.

Application of AFE Technology on the Scientific Research Vessel

Liu Qing-liang， LI Bao-gang， XU Quan-xiang， ZOU Xiang-yi，MAO Hong-wei， ZHEN Song-gang

(National Deep Sea Center, Qingdao Shandong 266237, China)

The application of AFE technology on the scientific research vessel’s electrical propulsion system was introduced, and its principles were expounded. The harmonic suppression and the harm of harmonic was also described. Comparing virtual 24 pulse with AFE technology, and giving full play to the advantages of AFE technology, solving the problem of harmonic interference and voltage drop on the scientific research vessel’s electrical propulsion system. This technology will get more application on the scientific research vessel’s electrical propulsion system.

AFE technology Scientific research vessel Total harmonic distortion Resonance

大洋专项“载人深潜器母船功能需求论证”(编号：BS-DY2012-01)。

刘庆亮(1980-)，男，工程师，主要研究方向为科考船舶的应用。

TP202

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