AFE变频器在海洋救助船上的应用

陈兆锡，乐小龙

应用研究

AFE变频器在海洋救助船上的应用

陈兆锡1，乐小龙2

（1.交通运输部东海救助局，上海 200090；2. 上海船舶研究设计院，上海 201203）

本文简要介绍了AFE变频器的工作原理，从设备外形尺寸及重量、能量回馈及电磁兼容等方面，对AFE变频器和DFE变频器进行了对比。介绍了新型中型海洋救助船主推进系统AFE变频器的主要参数及应用情况，为后续船型的设计和建造提供了有益参考。

AFE变频器 海洋救助船 能量回馈 电磁兼容

0 引言

2003年以来，我国交通运输部确立了救助系统的工作要以海上人命救生为主，促成了我国海洋救助船新船型的诞生[1]，形成了以6000 kW、8000 kW和14000 kW救助船为核心的救助船队，并具有全天候、大功率、高性能和高航速的特点，极大地提高了海上事故的应急反应、人命救助、环境救助和财产救助的综合能力。这些救助船均采用常规轴系推进型式，由柴油机通过齿轮箱驱动可调桨，并配有轴带发电机和主发电机组。

为了更好地适应沿海及岛礁等浅水和复杂水域海上应急救助的需要，在实现救助船队有序更新的基础上，兼顾救助应急处置的实效性和经济性，交通运输部东海救助局于2015年提出研发并建造1艘新型中型海洋救助船。该船（即“东海救151”轮）采用电力推进，于2018年8月开工，2019年底建造完成交付使用。下文在简述有源前端变频器（Active Front End，以下简称AFE变频器）原理的基础上，对AFE变频器和无源前端变频器（Diode Front End，以下简称DFE变频器）这两种电力推进系统进行对比分析，并介绍AFE变频器在该新型中型海洋救助船上的应用情况。

1 AFE变频器原理

变频器主要由整流、滤波、逆变、制动、驱动及检测控制单元等组成。AFE变频器的整流前端与输出端逆变器具有相同的结构，都是采用绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT）组成的三相桥式结构，如图1所示。与传统的DFE变频器所采用的二极管整流技术相比，AFE变频器整流环节不再是被动的将交流转换成直流，它通过控制IGBT的导通与关断，可以消除5次和7次等低次谐波，提高功率因数，有效地降低船舶电网侧的谐波电流。AFE变频器具有双PWM整流特性，能够抑制推进系统中谐波的产生，同时，能够实现变频器母线和电网间的双向能量流动。

AFE变频器的工作方式可分为以下2种[2]：

1） 独立控制

当控制对象的电动机状态发生突变时，母线电压首先产生波动，AFE变频器根据母线波动情况对电网侧的功率进行调节，因此直流回路中的电容容量必须足够大，从而缓解负载侧逆变回路和电网侧整流回路能量分布不平衡的问题。同时，大电容容量会对整个系统的可靠性和动态性能产生影响。

2） 联合控制

该方式将负载侧功率变化情况提前反馈给AFE功率控制或电流部分，能够有效提高直流回路的动态响应性能，进而提升AFE变频器的整体性能。同时，该方式能够降低直流回路中的电容容量，从而可以降低AFE变频器的体积和成本。

2 AFE与DFE电力推进系统对比

采用DFE变频器的电力推进系统中设置了移相变压器，通过该变压器副边的具有不同联接组别的双套绕组产生相位不同的电压波形，再送到DFE变频器的两组整流装置中，从而构成12脉冲或24脉冲整流器。而采用AFE变频器的电力推进系统中没有移相变压器。两种不同变频电力推进系统的设备组成对比如图2所示。下面将从设备布置、能量回馈及电磁兼容等方面对两种系统进行对比分析。

2.1 设备布置

由图2可知，DFE变频电力推进系统中多出了2台移相变压器。对于DFE变频系统而言，由于其整流单元采用的二极管全桥整流，其电网侧功率因数不高，输入谐波电流较大[3]。为了降低DFE变频系统中的谐波，通常采用增加移相变压器脉冲数的方法。采用12脉冲甚至更高脉冲数的整流装置用后，在降低了谐波的同时也付出了相应的代价：增加了移相变压器和滤波器，增加了初期投资，且空间安装需求变大；系统在运行时，整体效率会因变压器等设备的使用而有所降低。但是，我们需要综合来对比：即把移相变压器和DFE变频器加在一起，再来与AFE变频器进行整体比较。某海洋工程船主推进器额定功率2000 kW，采用了DFE变频器加移相变压器方案，将其与同功率的AFE变频器设备外形尺寸进行了对比，具体如图3所示。

从上图可以看出：DFE变频器加移相变压器的总长为5000 mm，变频器重量约为2.5 t，移相变压器重量约为7 t。AFE变频器长度为5030 mm，重量约为4 t 。由此可见，两种不同方式的设备尺寸几乎相当，但DFE电力推进系统由于多出了2台移相变压器，系统总重要大一些。

图3 AFE变频器和DFE变频器+移相变压器尺寸对比

2.2 能量回馈

AFE变频器采用IGBT后，其具有能量双向流动特性：即当大功率负载电动机（例如：吊机）处于二象限（发电状态）运行时，AFE处于逆变回馈模式，会向电网侧回馈电能。在陆地上的无穷大容量电网中，这种回馈能量不会对电网本身产生影响，而且通过加装合适的储能装置还能将其回收利用。在船舶制动过程中，推进电动机也会产生制动功率，这一部分功率也可以经过AFE变频器回馈至船舶电网，若这一部分制动功率无法泄放，将导致变频器的直流母线电压升高，并可能对变频器造成损害。对于DFE变频器，其整流单元采用的是二极管，由于其只能单向导通，因此能量不能往电网侧输送，只能在变频器的直流母线上加装制动单元和制动电阻来消耗。船上AFE变频器制动能量的回馈方法有其局限性：当船舶电网的容量较大，特别是推进装置的功率很大时，制动状态时的回馈功率瞬时峰值也较高，这对于船舶电站而言是一种冲击，轻则影响电站运行的稳定性，重则导致机组逆功停机[4]。另外，当船舶发电机组和AFE推进变频器的容量相差不大，若发电机的调速器参数、励磁调节器参数与AFE 变频器的控制器参数设置不合理，也有可能会造成AFE推进变频器与发电机组之间产生振荡。

2.3 电磁兼容

IGBT的高频载波会通过传导和辐射两种方式对外界产生电磁干扰[5]。当波段靠近50次谐波时，IGBT的开关频率约为2～3 kHz。更高的开关频率，谐波波段会漂移到更高频次。在许多例子中，远远大于50次谐波，甚至一些电力品质分析仪都无法准确测量。辐射干扰会影响信号的正常传输，对于模拟量信号，会直接改变信号电参量的大小；对于采用差分传输的串行通讯，则会在信号电平上叠加一个共模噪声，一旦超过允许的范围，可能导致接口电路烧毁。因此，在线缆敷设时应注意避免信号电缆与变频电缆近距离平行排布，并且在两类电缆相交时采取垂直相交方式。在DFE系统中，移相变压器还能起到隔离作用：若变频器、电机、或相关电缆发生接地故障，由于变压器的隔离作用，将不会使接地故障影响到主电网，这也是DFE系统的一个优势。

3 AFE变频器实船应用情况

为更好服务“海洋强国”和“21 世纪海上丝绸之路”等重大国家战略的实施，进一步提升海上人命救生和船舶救助能力，依据中华人民共和国交通运输部关于新型中型海洋救助船建造项目建议书的批复（交规划函[2016]405号）和项目可行性研究报告的批复(交规划函[2017]106号)，同意建造1 艘新型中型海洋救助船。该船采用全电力推进系统，航行于无限航区，用于低海况下沿海水道、岛礁等浅水区域人命救生和船舶救助，可兼顾高海况下救助任务，具有DP2 级动力定位能力。下面介绍该船的电力系统组成、AFE变频器主要参数以及交付使用情况。

3.1 系统组成

该船采用全电力推进系统，配有4台主柴油发电机组：2台AC690 V、50 Hz、2600 kW，2台AC690 V、50 Hz、450 kW。主推进装置采用AFE变频器驱动，推进电动机为船用水冷鼠笼型变频调速交流电动机，额定功率为AC690 V、2000 kW。首部配有2台管隧式侧推，额定功率为680 kW，采用软起动器。设有2台AC690 V/400 V、800 kVA日用电力变压器，为全船日用负载供电。电力系统组成如图4所示。

图4 电力系统示意图

3.2 主要参数

主推进装置采用2台AFE变频器（型号：ACS880-37LC-2390A-7），采用直接转矩控制，淡水冷却，防护等级IP54，安装在船舶平台甲板尾部的变频器舱。变频器整流单元逆变单元均采用IGBT，设置多个功率模块，每个功率模块为完整3相逆变单元，发生单一模块故障时可降功率运行。变频器前端带LCL滤波，输出端配有du/dt电抗器，输出频率：0～300Hz。变频器外形尺寸为长×宽×高=5230×716×2046 mm，重量约4.3 t。另配有2台刹车电阻（水冷），额定功率400kW。主推进变频器具有以下功能：过电压、过电流、低电压、过载、超温、绝缘监测等保护功能；转速控制/功率控制/功率限制功能；能耗制动功能；紧急停车功能等。

3.3 使用情况

该船在航行试验时发现：1台主发电机在网和1台主推进AFE变频器在网时，侧推软起动器起动后，侧推配电板开关立即跳闸，侧推起动失败。经仪表测得数据：在该工况下侧推起动电流可以达到5.9倍In，电网压降21%。与主推进变频器及侧推软起动器厂家讨论分析后认为：软起动器起动时，其自身的谐波与AFE变频器的谐波相互作用，软起动器控制回路受到干扰，导致侧推软启动器的晶闸管触发回路紊乱，最终使侧推起动失败。最终，通过调整软起动器控制板的参数设定，提高其电磁兼容能力，同时调整AFE变频器的参数设定，规避与软起动器的干扰谐波频谱，顺利解决了该问题。经测试：侧推起动过程中电网THD为6.45%，起动成功后THD为2.4%，谐波测量值如图5所示。

图5 侧推起动过程谐波测量值

4 结语

对于有半导体变换器装置运行的网络，单次谐波至15次的谐波应不超过标称电压的5%，其后逐渐减少，在100次谐波时应减少到1%[6]。通常，我们会把注意力主要集中在低频段谐波，尽量降低总谐波值，很容易忽视高次谐波带来的危害，当谐波频率接近电网震荡频率时，极易引发谐振。在设计阶段，要根据发电机、变压器和变频器的电抗参数，以及主干电缆和变频电缆的分布电抗以及电缆长度等情况，进行谐波及谐振分析计算，确保电力系统稳定运行。

AFE变频器和传统的DFE变频器相比，在外形尺寸、设备重量、谐波抑制等方面各自有优缺点。在项目论证及设计过程中，需要充分考虑设备布置空间和电力系统的可靠性，对于电力推进系统而言，要更加关注谐波干扰和电磁兼容方面的问题，确保电力系统运行稳定和船舶航行安全。

[1] 郑梓荫，杨存国等.中国海洋救助船主力船型-8000 kW海洋救助船[J].船舶设计通讯, 2010, (01).

[2] 钱海月，王海洋.AFE变频器在船舶电力推进电机控制中应用的研究[J].舰船科学技术, 2017, 39(4A): 40-42.

[3] 郭昂, 张京坤等. 某中压交流电力推进系统变频器的设计论证[J]. 机电设备, 2020, (01): 57-60.

[4] 何金平. AFE变频驱动技术实船应用可行性探析[J]. 天津科技, 2020, 47(10): 43-45.

[5] 陆士平, 陈晔. AFE变频驱动技术在科考船上的应用研究[J]. 船舶, 2017.

[6] 中国船级社. 钢质海船入级规范[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

陈兆锡（1972-），男，轮机长。研究方向：船舶轮机。E-mail: 15005926299@163.com