某中压交流电力推进系统变频器的设计论证

郭 昂，张京坤，李冬兰，封海宝

（中国船舶科学研究中心，江苏无锡 214082）

0 引言

随着电子电工技术和直流配电技术的日趋成熟和不断推广，采用电力推进技术逐渐成为重要的发展趋势。取消了柴油机与螺旋桨之间的长轴系和齿轮箱，通过电机带动短轴系直接驱动螺旋桨，变频器作为电机的驱动端，起着至关重要的作用。它与传统机械式推进相比具有明显优势：舱室布置更为灵活，减振降噪效果明显，操纵和机动性能较好[1]。

1 船体及主推进系统介绍

1.1 使命任务及船型介绍

本方案涉及的5 000吨级公务船主要用于维护我国海洋权益，保护海洋环境，监督管理海域使用，进行海洋基础调查，并兼顾海洋资源及海底设施的勘测，是一艘用于远海海域的海洋综合调查船。

本船船型为钢质、长艏楼、前倾首柱、球鼻首的单体船型；全船采用综合电力推进，配备首侧推，具备 DP-2的定位能力，全船生活和工作舱室设中央空调，航区为远海航区，入CCS船级，并满足船级社规范3级舒适度指标要求。

1.2 主推进系统介绍

轴系推进采用电力驱动动力系统型式，其单线图如图1所示。

图1 电力推进系统单线图

全船电站配有4台2 940 kW/6 600 V中压主发电机组，设中压主配电板1座，配有2台1 400 kVA日用变压器，通过6 600 V主配电板给400 V配电板供电，2台变压器一用一备。此外，全船配功率管理系统（PMS）1套。

全船设主推进系统2套，左右舷对称布置，推进功率为3 200 kW，采用变频器驱动，推进电机为低压永磁电机。主推进系统配置推进控制系统2套。全船设侧推系统2套，功率为1 000 kW，采用变频器驱动，并配置侧推进控制系统1套。

对于大功率电力推进系统的船舶而言，变频器是直流电网与大功率电机的桥梁，属于推进系统的关键重要设备，决定推进系统的成败，在主推进变频器方案选择方面，本文分别从设备配置、价格、谐波控制、可靠性、功率利用率等方面对12脉冲变频和AFE变频器进行比对分析，为本船变频器合理选择提供参考。

2 原理分析

2.1 12脉冲变频器

12脉冲变频器是由6脉冲变频器叠加形成的（如图2所示），其内部整流电路由2组二极管整流桥串联而成，通过输入变压器的两副边供电（互差30°电角度，星型和三角形方式）。这种整流方式能够稳定地把整流电路的脉冲数由6脉冲提高到12脉冲，从而大大降低了5次和7次产生的谐波电流。

图2 12脉冲变频器整流电路示意图

2.2 AFE变频器

AFE变频器与普通变频器的区别主要在于其整流环节（active front end），AFE变频器的整流环节采用自关断器件IGBT作为其功率器件，并且采用正弦波的脉宽调制技术。AFE变频器的出现较好地解决普通变频器存在的电流单向流动、谐波电流较大等问题，同时大大减小了对主电网的冲击，这是因为其没有采用传统的固定桥式二极管整流模式，在整流状态或回馈状态下工作时，都是通过切换 IGBT开关状态以实现相应的功能，从而使得变频器的网侧电流都是正弦波，功率因数也接近于 1，同时谐波很少。整流单元原理如图3所示。

AFE变频器的特点如下：

1）采用IGBT功率元件及正弦波的脉宽调制技术，开通/关断均可控。

2）由于AFE变频器前端的电压与电流波形均已滤波成正弦波形，电压与电流正弦波形间的相位差角可以按需要在一定范围内设定，因此功率因数可调。

3）控制变频器的输入电流的谐波小于5%。

图3 AFE变频控制系统的整流单元原理

4）不采用直流电抗器和输入电抗器也不会对电网产生干扰。

5）AFE整流器抵抗电源电压偏低的能力很强，容许电源电压低于电机电压，可在电网电压较低或波动较大时保持足够的转矩输出。

6）再生能量可反馈给电网。

目前变频器主流厂商大部分都有相应的AFE变频器产品。如 ABB、西门子、VACON、施耐德、Emerson、日立等。

3 12脉冲变频器和AFE变频器的对比

3.1 设备配置

传统的12脉冲、18脉冲或者24脉冲多脉冲变频方案是通过移相变压器的组合配置来实现的，从而导致这类多脉冲变压器体积大、重量大、价格昂贵。而AFE变频方案，没有采用移相变压器，有利于减小体积和重量，节约成本。

变频器的网侧功率因数不足，输入谐波电流较大，同时对电网带来干扰，这是普通变频器采用内部二极管全桥整流的固有缺陷，因此随着变频器的功率增加，对电网的冲击和干扰也就越大，因此在实际的产品研制中，通常会采用在较大功率的变频器加装输入电抗器和直流电抗器的方法，来降低其输入谐波，并提高网侧功率因数。

多脉冲整流变频方案一般配置制动斩波器和制动电阻，将刹车制动能量转变为热功率散发出去，这种方式显然会造成能源浪费，总体效率降低，且安全性不高。而采用AFE变频器采用的是PWM 整流器，能量具有双向移动性，船舶紧急制动引发的较大制动功率可以返回至电网。

3.2 价格

AFE变频器刚推出的时候，价格十分昂贵，时至今日，这仍是制约AFE变频器推广的主要原因之一。但随着AFE变频技术的不断成熟，AFE变频器的成本和价格也在不断下降。目前，同功率的AFE变频器的价格约为12脉冲变频器价格的1.3倍～2倍。就3 200 kW，690 V这一档来说，AFE变频器的价格约为12脉冲变频器价格的1.4倍，但因为12脉冲变频器方案还需要配置移相变压器和滤波装置等，因此12脉冲变频器与AFE变频器相比，价格优势已经越来越不明显。

3.3 谐波控制

3.3.1 谐波危害

在电力推进船舶动力系统中，主要的非线性负载是推进变频器，对船舶的主电力系统造成极大地谐波危害[2-4]，对推进电机、仪器仪表、通导设备等造成诸多不利影响，其危害主要表现有以下几个方面：

1）谐波使同一组网中的电气元件产生附加的谐波损耗，最终降低了发电设备的整体使用效率；同时，大量的3次谐波流经中性线时会有过热效应，增大了火灾的可能性。

2）大量的谐波能够增加电机设备的振动和噪声，产生过电压和过电流效应；能够使电容器、变压器等阻性或抗性设备过热，加剧老化和故障率，影响设备的长期使用安全。

3）谐波会引起继电保护或其他自动控制装置的误动作，使系统整体的可靠性降低，谐波影响仪器仪表的测量精度。

4）谐波会对流经的通信系统产生干扰，影响通信质量。

船舶电站与陆上电站相比功率较小，电站保护完善性较差，所以控制总谐波失真（THD）成为整个电力推进系统和电流组网系统的关键点和难点。一般要求低压配电电网中总电压谐波失真小于5%，任何单次谐波失真小于3%（船级社对于低压组网的要求）。

3.3.2 12脉冲变频器的谐波控制

虽然与6脉冲整流电路结构相比，12脉冲的总谐波电流失真大大下降，但也在10%左右，但IEEE 519—1992标准明确规定：在电网短路电流小于20倍负载电流时，总谐波电流失真小于5%。因此，需采取屏蔽、隔离、接地及滤波等控制措施对12脉冲变频器的谐波进行大幅度降低，工程应用的技术手段包括：减少回路的阻抗、采用无源或有源滤波器、提升变压器容量及传输线路切断法等。

3.3.3 AFE变频器的谐波控制

从图4可知，AFE变频器的输入电压和输入电流波形几乎是无谐波，一般情况下，总电压谐波失真小于2%，总电流谐波失真小于5%，完全满足船级社 5%的限制要求。因此，电力推进系统设计时完全可以忽略谐波干扰，也不需要调整移相变压器短路阻抗和发电机直轴超瞬变电抗。所以，应用AFE变频器可以直接采用标准的变压器和常规的发电机，节约了工程成本和时间成本。

图4 AFE的输入电压和输入电流波形

3.4 可靠性

变频器的元器件中，自关断器件 IGBT是故障率较高的元器件，而AFE变频器除了在逆变环节使用IGBT外，在其整流环节也采用IGBT作为其功率器件，因此相比 12脉冲变频器，AFE变频器的故障率稍高。但是考虑到12脉冲变频器方案需要配置移相变压器、滤波装置等，整套系统复杂程度增加，也在一定程度上降低了系统的稳定性和可靠性。

3.5 功率利用率

受二极管整流电路高次谐波的影响，发电机及变压器实际有用功率因数低于95%，剩余功率转化成热量散发到空气中，所以在选择柴油发电机和移相变压器时需要充分考虑不利谐波对系统的影响，并对总功率因数留有一定余量。AFE变频输入电流谐波极低，类似于一个纯电阻性负载，AFE变频器无需消耗无功功率，功率因数接近1，并且线性可调，设计得当可以得到超前的功率因数，可以对船舶电网无功进行补偿，而采用AFE变频器的发电机的容量能够得到充分利用。

4 结论

通过上文可以看出，使用AFE变频器设备配置简单，占用空间较小，谐波控制好，无需额外的谐波控制设备，功率利用率高；但价格较高，并且设备的可靠性还需经过较长时间的实船验证。本船机舱空间极为紧张，但初期投资预算和后期维护资金还算充足，同时考虑到公务船兼任着促进工程创新、推进国产化和军民融合的使命任务，本船选用AFE变频器。