电压源型电力推进变频器抵御电网波动的应用研究

黄 易 梁

（ABB船舶及港口中国事业部，上海 201319）

电压源型电力推进变频器抵御电网波动的应用研究

黄 易 梁

（ABB船舶及港口中国事业部，上海 201319）

电压源型变频器的直流母线电压取决于输入电压，当输入电压激烈波动时，母线电压也会剧烈波动，甚至引起变频器故障跳闸。当配电板母线发生短路故障时，系统电压降往往很大，在故障配电板被切除前，变频器面临欠压故障跳闸的风险。目前，要求多段配电板合成一段进行动力定位操作的应用越来越多，一段配电板的电网，短路电流比分段运行时大，故障造成的电压波动将传递到整个电网和在网设备，如果推进变频器及其辅机不能承受瞬时的电网剧烈波动，那么变频器将故障跳闸。由于推进变频器跳闸不能在短时间内恢复运行，这将使全船面临失去定位能力的风险。为了使推进变频器能承受瞬时电压降，需要使用变频器自带“抗扰”功能。经分析“抗扰”功能的原理，并在实船海试过程中验证变频器“抗扰”功能的可靠性。

电压源型变频器；电力推进系统；单点故障；电网质量

0　引 言

船舶电力推进系统相比于一般轴系推进具有高效节能、操纵性强和布置灵活等特点，尤其能满足特种工作船或平台在多变海况下能保持动力定位（DP）的工况要求。由于电推电站系统往往由多台主机和多段配电板组成，在电站管理系统的帮助下，能匹配足够数量在网发电机承担全船负载，使柴油机能在经济工作区域运行，从而达到节能的目的。一般的DP工况，要求各主配电板的母联开关打开，使各分段配电板形成若干个孤岛，从而达到高冗余的要求。目前，在全球环保节能的趋势下，DP工况要求各主配电板能合成一段运行的应用越来越多。一段配电板的电网，短路电流特别大，故障造成的电压波动将传递到整个电网和在网设备，如果推进变频器及其辅机不能承受瞬时的电网剧烈波动，那么变频器将故障跳闸。由于推进变频器跳闸后，不能在短时间内恢复运行，这将使全船面临失去定位能力的风险。目前各主要船级社对有DP2/3要求的船，应能满足单点故障下不失去定位能力，DNV（挪威船级社）更明确要求合排运行的系统中变频器能避免系统短路故障造成的欠压跳闸，并在故障分析报告（FMEA）中进行分析。这些要求对船用推进变频器提出了更高的抗冲击力的需求。电网的波动多大才会引起作为全船最大荷载的推进变频器退出运行呢？这是电力推进系统设计时要考虑的一个重要问题，也是衡量全船电力系统抗风险能力的一个重要指标［1］。

1　船用电压源型变频器对电网的质量要求

目前在船用变频器领域，整流器普遍采用多脉波二极管型。由式（1）可知，此类变频器直流母线电压与输入电压成比例关系。输入电压的波动会引起母线电压的被动波动。输入电压高，则母线电压高；输入电压低，则母线电压低。由于变频器直流母线等效于恒压源，当母线电压波动超过变频器承受的极限值时，将发生故障跳闸。所以，稳定的电网质量是保证变频器持续工作的前提。

以ABB ACS800变频器为例，其对电网具体要求如下：

1） 稳态电压要求额定电压值±10%；

2） 稳态频率要求48～63Hz。

同时，变频器设定的欠压保护值为425VDC，相当于正常值的46%，保护方式为变频器故障跳闸。换句话说，一旦输入电压降低到额定值的46%时，变频器立即跳闸。

对比船级社要求可以发现，各主流船用变频器对电网质量要求均低于船级社允许的电网的波动。当电站正常运行时，变频器可承受电网的波动（见表1、2）。

表1　主要船级社对交流电网质量的要求

表2　ACS800直流母线欠电压保护值

但是，在一些特殊情况下，电网电压和频率仍可能降低到设计值以下。以690V系统为例，当母线发生短路故障时，短路电流主要取决于在网所有旋转电机所贡献的短路电流总和，压降取决于电网容量、短路电流和短路持续时间。当配电板合排运行时，联网发电机数量多；短路时，各发电机贡献的短路电流叠加，使短路点电流很大。极端情况下，母线电压可能瞬时跌落且≈0（见图1、2）。在故障回路被切除前，电压不会恢复。电压波动会传递到在网的所有设备。此时，在网变频器面临的压降将远超出船级社关于电网波动的要求，变频器处于欠压故障退出运行的风险中。虽然这种情况是瞬时的并很罕见，但作为系统设计者，必须考虑这种特殊情况对推进系统的影响。

图1　仿真软件所示配电板母排短路时配电板电压波形（＜0.5s）

图2　仿真软件所示配电板母排短路时变频器直流母线电压波形（＜0.5s）

2　抵抗系统电压降

目前，绝大多数的海工船要求能满足相应船级社DP-2或者DP-3等级要求［2］。以CCS为例，DP2/3要求为系统发生任意单点故障的情况下，动力定位系统（包括舵桨子系统）能够继续保持定位能力或航向［3］。单点故障包括设备本身的故障（或系统故障）。对配电系统而言，系统故障往往包括过电流、欠电压、过电压、欠频率、过频率和接地等故障。为了提高系统的冗余性，从电站系统角度，可使用“多段配电板打开母联开关运行”的解决方案，或者使用具备“抗扰”功能的推进变频器。

2.1多段配电板打开母联开关运行

由于DP船均采用多段母排的电站架构，在DP工况下，大部分船要求各配电板之间的母联开关断开，从而达到分区供电的目的。分区供电由于各段配电板独立工作，极大提高了整个系统的冗余性。某段配电板故障不会影响其他配电板，失去一段配电板也只失去部分的推进能力而已。这种情况下，某段配电板发生短路不会影响其他配电板（见图3）。

2.2使用变频器“抗扰”功能

变频器抗电压扰动的功能又叫Ride Through，简称“抗扰”。抗扰原理是利用推进电机的转动惯能维持变频器直流母线电压，以抵抗瞬时电压降，使电机工作在发电状态。在此过程中，变频器持续运行。

当网侧电压急剧下降、变频器进入抗扰模式后，逆变器将从旋转的电机的转动惯量吸收微弱的负转矩，以转化成能量，存储在直流母线中，等电压恢复后，母线电压将跃升，从而退出抗扰模式；然后逆变器将输出正转矩，电机又回到发电状态。在整个过程中，逆变器吸收的电机转矩和功率将被限制在一个可调范围内（见图4）。以图5为例，如果1号配电板发生短路故障，且产生严重电压降，在网的4台变频器都会各自进入“抗扰”模式，用各自电机的转动惯量发电维持母线电压，等待供电恢复正常。

ABB适合船用的变频器有低压的ACS800和STADT系列产品，中压有ACS1000和ACS6000系列，均具有“抗扰”功能。

使用“抗扰”模式给整个电推系统带来的一大优势是使DP工况下各配电板闭合母联开关而合成一段配电板运行成为可能，从而达到优化在网发电机数量和节能的目的。目前，由于环保和运行经济性的趋势，越来越多的海工船要求DP工况下电站各配电板能合成一段运行。若发生严重的过电流、欠压、过压和欠频的故障，母联开关能打开，达到切除故障配电板的目的。当母线发生短路故障时，由于母联开关的短路保护脱扣延时时间一般设置为＜1s，在网的所有推进变频器将面临巨大的电压降并持续≈1s。在此期间，所有在网设备包括下游配电板电压均可能瞬时跌落到≈0。这对变频器及其辅助设备（散热，控制等）都是一个巨大考验。若推进变频器不能忍受而故障跳闸，那么船将暂时失去所有推进能力，待电站恢复后，需重新启动推进变频器及其辅机，DP和PMS控制系统将不得不重新分配负荷。在推力恢复前，全船面临失去定位能力的风险。

图3　2段配电板母联开关打开运行

图4　“抗扰”功能原理

图5　2段配电板母联开关闭合运行

由图6可知，当变频器保持额定负载，且输入电压≈0后，因为逆变单元还在工作，持续输出功率，直流母线电压将快速≈0（＜40ms），电压值将跌破欠压故障触发值。

图6　仿真软件所示变频器直流母线电压跌落波形（满载）

所以，一段配电板闭合母联开关运行的系统虽然提高了燃油经济性，但却降低了系统的冗余性。DNV 在2012年关于DP2和RP船上闭合母联开关系统的最低要求中指出，在故障分析报告（FMEA）中要考虑如何避免系统短路引起的瞬时电压降造成的重要设备跳闸，包括变频器、电机和泵等［4］。为了使推进变频器能抵御住系统短路所产生的电压降，必须使用具有“抗扰”功能的变频器。

3　实船验证

2014年对“海警2307”号在海试时做了“抗扰”功能试验。海警2307是海监83的姐妹船，排水量3980 t，设计航速18kn，DP-1，入级CCS。

3.1电推系统配置

该船主配电系统电制为690V，50Hz，2段配电板由母联开关连接。3台主发电机，单台容量2250kVA。 2套 Azipod吊舱主推进器，单台功率1860kW。推进变频器采用ACS800-07LC（见图7）。

图7　系统简要单线图

3.2试验方案

抗扰的2个关键工作点分别是推进电机稳定工作在轻载和满载。轻载时，电机转速较低，转动惯量小，回馈能量有限，直流母线能否在短时间能吸收到足够的能量以维持电压。满载时，电机输出转矩大，在电压下降后，进入“抗扰”模式前，母线电压是否能承受瞬时急剧的能量消耗。对此，在试验中特意安排了该两种工况。

试验中，试验人员待电站状态和电机转速稳定后，手动断开配电板进线主开关，这时网侧电压和频率将瞬间降为零，此效果等同于配电板母线发生短路故障。这将迫使变频器进入抗扰模式，等待3s，再手动合上主开关，恢复供电。对变频器而言，相当于电网发生了一次“短路”。此过程中，试验人员监视变频器母线电压、电机实际转速、实际转矩和实际功率等信息。试验中，为了屏蔽变频器对主开关的状态监视，主开关反馈给变频器的状态信号被强制为闭合状态。变频器的440V辅助设备供电（水冷和空冷系统）也随主开关切断而切断，闭合而闭合。变频器和控制单元的控制电源由交流UPS提供，不受外界干扰。

3.2.1试验一：电机轻载抗扰试验

试验开始时，电机实际转速50 r/min（15%额定转速），试验中的监视信息统计及轻载监视数据曲线见表3和图8。试验结果：从主开关分断到闭合，整个时间持续3.6s，变频器在供电切断0.65s后进入“抗扰”模式，并在整个过程中正常运行。变频器可以承受此时间长度的瞬时压降。

表3　抗扰试验监视信息统计

图8　实船抗扰试验轻载监视数据曲线

3.2.2试验二：电机满载抗扰试验

试验开始时，电机实际转速294 r/m in（94%额定转速），抗扰试验监视信息统计见表4，抗扰试验重载监视数据曲线见图9。试验结果：从主开关分断到闭合，整个时间持续3.4s，变频器在供电切断0.06s后进入“抗扰”模式，并在整个过程中正常运行。由于电机实际转速跌落较快（94%到 54%），故恢复供电后，将按预设定的加速率从54%开始加速。变频器可以承受此时间长度的瞬时压降。

表4　抗扰试验监视信息统计

图9　实船抗扰试验重载监视数据曲线

对比轻载和满载试验结果，可以发现ACS800变频器能承受的供电完全切断时间＞3s。大于母联开关短路保护延时动作时间（一般＜1s）。由于变频器输出的转矩的动态响应时间≈2ms，所以变频器能立即使电机从电动态进入发电态。虽然在发电态，变频器吸收的能量不多（＜ 1%），但足以维持直流母线电压较长时间。在供电恢复后，电机又立即回到电动态。在“短路故障”发生中，在网推进变频器持续运行。所以该电压源型变频器能够承受由系统短路故障或大负载直接启动引起的瞬时欠压情况。“抗扰”功能试验成功，符合期望。

4　结 语

电压源型多脉二极管整流变频器因其特性对网侧电压非常敏感。为了满足多段配电板闭合母联开关运行的工况要求，设计者需考虑推进链采用具备“抗扰”功能的合适变频器抵抗系统短路引起的瞬时压降，以满足船级社针对具备动力定位能力的船舶“单点故障”的要求并合理准备FMEA实验。即使针对没有合母联开关要求的电推船，“抗扰”功能也能帮助在独立孤岛电网工作的变频器抵御电网波动，提高持续运行能力。

低压电压源型变频器抵抗电网扰动（ride-through）的功能及应用，可供船电设计人员参考。

［1］ 吴 斌. 大功率变频器及交流传动［M］. 卫三民，译. 北京：机械工业出版社，2007.

［2］ 吴 刚. 电力推进科考船总体设计要点综述［J］. 船舶与海洋工程，2013 （3）： 1-5.

［3］ 中国船级社. CCS钢制海船入级规范2012（第4分册）［S］. 北京：人民交通出版社， 2012.

［4］ Det Norsk Veritas. Rules for classification of ships/high speed， light craft and naval surface craft （Part 4） ［S］. 2013.

Study on Electrical Propulsion Frequency Converter of Voltage Source against Power Grid Fluctuation

HUANG Yi-liang

（ABB Marine China， Shanghai， 201319）

The DC bus voltage of voltage source frequency converter depends on the input voltage. When the input voltage has violent fluctuation， the bus voltage w ill follow suit， and even cause trip failure of the frequency converter. When short circuit failure occurs to the sw itchboard bus， the system voltage w ill drop significantly. Therefore， the frequency converter is facing the risk of trip failure before the faulty sw itchboard is cut out. Nowadays， there is a grow ing demand for the combination of several sw itchboards into one bus-tie to perform the dynamic positioning operation. The short circuit current in bus-tie power grid is larger than that of a separate sw itchboard， and the voltage fluctuation caused by failure w ill transmit to the whole power grid and equipment w ithin. If the propulsion frequency converter and its auxiliary machine cannot bear the transient violent fluctuation， a trip w ill happen. As the propulsion frequency converter cannot be resumed in a short time， the whole ship w ill face the risk of losing dynamic positioning capacity. In order to enable the propulsion frequency converter to bear a transient voltage drop， it is necessary to let the frequency converter to have its own “anti-disturbance” function. The reliability of the “anti-disturbance” function is validated through the analysis of the principle of “anti-disturbance” and the sea trial.

voltage source frequency converter； electrical propulsion system； single point failure； power quality

规范与标准

U665.13

A

2095-4069 （2016） 02-0049-06

10.14056/j.cnki.naoe.2016.02.010

2015-04-15

黄易梁，男，工程师，1982年生。2004年毕业于上海海事大学电气工程及其自动化专业，现从事船舶电力推进系统设计工作。