靠港船舶应用大功率变频器供电仿真与分析

季珊珊，施伟锋，卓金宝，张　威（上海海事大学，上海201306）



靠港船舶应用大功率变频器供电仿真与分析

季珊珊，施伟锋，卓金宝，张威
（上海海事大学，上海201306）

摘要：针对目前的岸电供电趋势，设计了一种大功率变频器供电的岸电供电模型。并根据理论研究在MATLAB/Simulink中搭建船舶岸电供电的仿真模型，对实际应用中靠港船舶应用大功率变频器供电易出现的故障类型进行模拟仿真，得到了靠港船舶供岸电过程中的故障动态参数并对其进行分析，对靠港船舶应用大功率变频器供电的岸电供电技术在我国港口的推广研究很有意义。

关键字：大功率变频器船舶岸电供电电机堵转船舶电力系统绿色港口

0　引言

随着世界航运业的迅猛发展，船舶对环境造成的污染日趋严重，尤其是在靠泊期间其船舶辅机的排放对港口所在城市环境造成了较大的影响，国际一些先进的港口已经采用陆域电源对靠港船舶进行供电（简称岸电），实施效果良好。

我国也积极参与到岸电项目中，进行高压岸电技术的实验，并研制出全球首套高压变频数字化船用岸电系统。此外，神华46000 t系列散货船采用了AC6kV、50Hz的高压岸电系统。

本文在分析岸电供电方案的基础上，研究靠港船舶应用大功率变频器供电过程中由于天气、人为等突发状况下，靠港船舶发生不同故障时对大功率变频器的影响，仿真结果为我国港口推广靠港船舶应用大功率变频器供电提供技术参考。

1　岸电电源的结构

典型的高压船舶高压频率变换方案［6］如图1所示。由10kV/50Hz（或6kV/50Hz）岸电直接输送到高压静止频率变换器中，输出10kV/60Hz（或6kV/60Hz），之后经升压变压器将10kV/60Hz（或6kV/60Hz）升压至6.6kV或11kV，输送到码头岸电箱，并通过船上的高压缆车与船舶岸电配电板相连接。

1.1输入变压器

由于船舶电网接入岸电可能会对陆域电网产生影响，因而静止频率变换器输入侧隔离变压器采用移相式变压器，为满足IEEE519-1992谐波抑制标准，有效消除47次以下谐波［2］，每个绕组采用延边三角形接法，形成48脉波的二极管整流电路，由a×p=360°，a为移相角，p为脉冲数，可将移相角设为26.25°。

图 1高压船舶静止频率变换方案

1.2功率单元结构：

功率单元即为常见的三相逆变器，一次侧电路实际上是由一个三相桥式AC/DC整流器和一个三相桥式DC/AC逆变器组成的，整流部分为不可控器件，使得直流侧的电压方向不易改变，电能不会反馈到电网当中，因而在岸电的应用中，采取电压源型变频器对电网的影响较小。逆变部分是通过改变逆变侧的开关通断顺序以及时间来实现对输出频率和电压的变换。

1.3电压升压方式

本文所用的单元串联多电平变频器采用5个功率单元串联的方式实现6kV高压输出。变压器采用延边三角形联结，变频器每相由5个额定电压为690V的功率单元串联而成［3］，输出相电压最高可达3450V，线电压可达6kV左右。

1.4功率单元的脉冲控制

逆变器输出采用多电平移相式PWM控制技术，同一相的功率单元输出相同幅值和相位的基波电压，但串联各单元的载波之间互相错开一定电角度，实现多电平PWM，输出电压非常接近正弦波。

每个电平台阶只有单元直流母线电压大小，du/dt很小，使得电动机绝缘不会受到影响.功率单元采用较低的开关频率，以降低开关损耗，且可以不用浪涌吸收电路，提高变频器的功率。对于6kV等级的变频器，如前所述，每相由5个额定电压为690V的功率单元串联而成［3］，采用5个依次相移为72°的三角载波和参考波比较，产生PWM控制信号，每相的相电压有0，±U，±2 U，±3U，±4U，±5U共11种电平，如图2所示，峰值电压接近8kV。

图2　单相变频输出电压

2　仿真算例

本文在SIMULINK中建立靠港船舶应用大功率变频器供电的模型［1］，如图3所示。

图3　靠港船舶应用大攻率变频器供岸电模型

陆域电网电压10kV，经移向相变压器降压至760V，供给整流器件。中间滤波电路电容为5e-3F，电感为5e-3H。逆变装置采用单元串联多电平的结构，其一相中各串联功率单元的三角载波信号依次错开72°实现每个功率单元移向72°，参考正弦波相同。ABC三相的参考正弦波初始相位分别为0°、-120°和120°。三角载波频率为1050Hz，经示波器测量，输出至码头前端的线电压约为6kV，通过电缆供给靠港停泊期间船舶使用。船舶电力负荷参考5100箱集装箱船，船舶在靠港停泊期间的主要用电负荷归纳为50 MW纯阻性负载，和一个50 MW纯阻性负载与一个1.492 MW的电动机并联支路。利用三相故障模块设置单相接地故障模拟真实船舶电力系统的单相接地故障和三相接地故障，通过脉冲发生器对电动机负载转矩的控制来模拟真实船舶在夹板机械电动机发生堵转时的故障。

2.1模型说明

逆变器中各开关的状态通过三角载波与正弦波的调制所产生的脉冲来控制。具体的控制电路如图4所示。

图4　逆变器控制电路

在同一相中，通过一个三角载波发生器与正弦波发生器的逻辑关系，控制逆变器中四个IGBT/Diode模块的通断。从而使输出的波形有一定的规律。本案中的大功率变频器是由5个功率单元串联而成，每个功率单元的输出电压滞后72°，三角载波的频率取1050Hz。大功率变频器模型每相的结构如图5所示，每相由五个功率模块串联组成。

图5　高压变频器模型每相的结构图

2.2仿真设置：

设置仿真时间为10s，分别仿真靠港船舶应用大功率变频器供电过程中，船舶用电设备正常用电、甲板上浪导致的负载短路及突发状况下的电机堵转状况

1）首先进行正常工况下靠港船舶应用大功率变频器供电，电动机带负载运行，负载转矩为100 N·m。系统中大功率变频器的工作电压电流变化分别如图6所示。 经多次仿真发现，高压变频器在仿真运行到1.8s时，输出电压趋于稳定。仿真设置系统在3.5s时刻，接入靠港船舶，船舶电力系统中的电动机初始电压为3kV，ABC相的相角分别0°，120°，240°。

图6　正常状态下高压变频器线电压、相电流波形

由图6得：接入船舶后高压变频器的电压由稳定状态时的9kV降至8kV，电流由0 A瞬间升至70 A，经2.5s的时间调整至50 A，随后保持稳定。靠港船舶负载电压电流变化如图7所示。由图7得：船舶负载合闸电压为8kV，合闸电流为7.5 A，经过1.5s后，电压稳定在7kV，电流稳定在6.5 A左右。

图7　正常状态下电阻性负载线电压、相电流波形

图8　正常状态下电动机A相转子电流与定子电流

靠港期间，船舶电动机电流与转矩参数如图8图9所示：由图8图9可以得到：经2.5s后，电动机A相的转子电流由100 A稳定在75 A，A相的定子电流由110 A稳定在75 A。启动转矩为150 N·m，经8.4s后趋于稳定。在船舶正常用电情况下，系统各处状态在短时间内趋于稳定，大功率变频器工作在正常情况下。

图9　电动机的转矩

2）设置4～5s负载发生AB两相短路，7～8s负载发生三相短路，系统中大功率变频器的工作电压电流变化如图10所示：

图10　负载发生短路时高压变频器线电压、相电流波形

由图10可得：发生两相短路时，高压变频器电压降为零，电流波形放大如图11所示。

图2　负载发生短路时高压变频器相电流放大波形

由图13可得：变频器出线电流由60 A瞬间提升至1×105A。短路冲击电流约为正常线路电流的103倍。两相短路期间，短路电流约为270 A，发生三相短路时，高压变频器电压降为零，出线电流由50 A瞬间提升至4×104A，短路冲击电流迅速升高到正常线路电流的100倍左右，虽然比两相短路的冲击电流小得多，但其依然能够对变频器造成严重的后果。综上，短路期间变频器因持续流过大电流导致大量发热，如果故障不能快速消除，将烧毁变频器内部元件。

短路故障发生下，船舶电动机的工作状况如图13图14所示。

由图13可得：由于此时电动机在工作状态，所获取的电力处于不稳定状态，发生两相短路时，电动机的定子电流下降，三相短路时，电动机的定子电流下降至零以下。

图12　负载发生短路时电阻性负载线电压、相电流波形

图13　负载发生短路时电动机A相转子电流与定子电流

图14　负载发生短路时电动机的转矩

由图14可得：发生故障时，电动机转矩突降，电动机出力不足，且转矩未能在一段时间内达到稳定，影响其所承担的工作任务。所以由于负载短路引起的故障，如果不能够及时排除，很可能对系统造成继发性影响，岸、船两方都将产生严重后果。

3）.设置4s后电动机发生堵转，给负载转矩一个5×105的转矩，使得负载转矩瞬间提升数百倍，电动机堵转时大功率变频器线电压、相电流变化如图15所示。

由图15可得：发生堵转时，大功率变频器电压由8kV降至6kV、电流由75 A逐步增大到200 A。 电动机堵转时电阻性负载电压、电流如图16所示。

由图16可得：负载峰值电压降至约6kV，比靠港船舶正常工作情况下的电压低1kV。这主要是由于岸电供电的大功率变频器所提供的电压降低所导致的。船舶用电负载的正常工作将会受到影响，比如照明，制冷等。船舶电动机堵转时电动机的参数变化如图17图18所示。

图15　电动机堵转时高压变频器线电压、相电流波形

图16　电动机堵转时电阻性负载线电压、相电流波形

图17　电动机堵转时电动机A相转子电流与定子电流

由图17可得：电机堵转时转子电流也发生变化，转子电流由200 A逐步增大到1000 A，定子电流由200 A逐步增大到750 A。

由图18可得：电动机的转矩随着堵转时间增加，并没有稳定在某一确定值，而是逐渐增加。

由此可见电机堵转后如不采取保护措施，随着时间增长，定子绕组将流过较大的电流，使得定子快速发热，烧毁绕组；为防止电机堵转烧毁，通常采用过流继电器来进行保护，在电动机发生堵转后一定时间内，若故障未消除，必须从系统中移出电动机，以保证系统其他设备的正常供电。

图18　电动机堵转时电动机的转矩

3　结束语

本文在原理上对大功率变频器的结构进行了分析，并介绍了大功率变频器在船舶岸电供电中的应用。根据理论研究在MATLAB/Simulink中搭建靠港船舶应用大功率变频器供电的模型，对靠港船舶在应用大功率变频器供电时发生的故障进行模拟，仿真结果真实有效，为我国港口推广靠港船舶应用大功率变频器供电提供技术参考。

参考文献：

［1］施伟锋，许晓彦.船舶电力系统建模与控制［M］.北京：电子工业出版社，2012.

［2］王兆安，黄俊.电力电子技术［M］.北京：机械工业出版社，2003.

［3］高玥.多电平高压变频器的拓扑结构分析与研究［J］.电气开关，2011，02：58-60.

［4］万江，侯世英，时文飞.基于MATLAB的高压变频器的建模与仿真［J］.佳木斯大学学报（自然科学版），2006，04：471-475.

［5］孔雪娟.数字控制PWM逆变电源关键技术研究［D］.华中科技大学，2005.

［6］船舶高压岸电系统及其CCS检验指南介绍.

［7］孙永涛.靠港船舶供岸电电源技术及自动并车系统研究［D］.武汉理工大学，2012.

The Simulation and Analysis of High Power Inverter in Ship-to-shore Power Supply

Ji Shanshan，Shi Weifeng，Zhuo Jinbao，Zhang Wei
（Shanghai Maritime University，Shanghai 201306，China）

Abstract:Aimed at the current trend of ship-to-shore power supply，a model of shore-to-ship power supply for high-power inverter is designed and a simulation model is set up by MATLAB/ Simulink according to the theoretical study.It simulates the normal fault occurs in practice.A series of fault data is gained and analyzed，that can give good advice to the construction of shore-to-ship power supply in China’s port.

Keywords:high power converter； shore-to-ship power supply； motor stall； marine power system； green port

中图分类号：TM46

文献标识码：A

文章编号：1003-4862（2016）06-0043-05

收稿日期：2016-03-10

作者简介：季珊珊（1990-），女，硕士生。研究方向：大功率变频器在船舶岸电供电中的应用研究。