风电安装平台电力推进变频系统选型方案研究

刘维闫志伟

（1.中国船级社质量认证公司秦皇岛分公司，2.大船集团山船重工设计所，河北 秦皇岛 066000）

1 研究背景和意义

随着能源与环境压力的增加，清洁可再生的新能源近年受到普遍重视，风力发电技术相对比较成熟，具有广阔的市场前景。风电安装平台主要用于海上风力发电设备安装，而电力推进系统作为平台推进和定位的动力系统是风电安装平台最核心的系统之一，常规平台艉部和艏部各配置2套变频电机驱动的全回转电力推进系统，该推进系统变频方案有两种：一种是虚拟24脉冲DFE整流变频，另一种是有源前端AFE变频。这两种方案各有优缺点，本文对此系统方案选择进行了研究，从技术原理分析、建造成本、后期维护费用等方面进行深入剖析，旨在为企业或投资者提供科学合理的技术方案选择。

2 DFE变频和AFE变频原理及构成技术研究

2．1 DFE(非主动整流前端)变频原理及构成

根据技术的发展和变频构成的复杂程度，DFE整流分为普通6脉整流、12脉整流以及24脉整流。普通6脉整流由线电抗器、二极管整流桥模块、直流回路电容器、IGBT逆变器模块、输出du/dt滤波器组成，详细可见图1。

12脉冲变频器是在普通6脉冲变频器基础上，其整流电路由2组二极管整流桥串联而成，分别由输入变压器的2组副边(星型和三角形，互差30电角度)供电。

12脉冲变频器包含：线电抗器、二极管整流桥模块、快速熔断器、直流回路电抗器、直流回路电容器、IGBT逆变器模块、输出du/dt滤波器。

24脉是由2条分别移相±7.5°的推进支路之间同时工作构成24脉冲整流形式。

图1

24脉冲变频器包含：移相变压器、线电抗器、二极管整流桥模块、快速熔断器、直流回路电抗器、直流回路电容器、IGBT逆变器模块、输出du/dt滤波器。详细可参考图2。

图2

2台12脉变压器，形成虚拟24脉整流，减小谐波对电网影响。

图3

图3分别为6脉、12脉、24脉整流后的效果图，可以很直观地看出整流后的谐波根据整流的复杂程度也在减少。

DFE采用线电抗器和二极管整流模块，整体可靠性比较高。采用12脉冲移项变压器，谐波含量可控，在同段母线上如有其它12脉动设备，将组成虚拟24脉动或更高，有效减小谐波干扰。从系统角度分析，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，又在一定程度上降低了系统的稳定性和可靠性。另外，12脉冲整流变压器体积较大，对船上空间及重量要求较高的船型不适用。

2．2 AFE（主动整流前端）变频原理及构成

AFE采用有源滤波器加IGBT整流，利用对IGBT晶闸管的控制实现对输入电压进行调制解调，从而能够精确控制直流母线电压，同时大大减少了由变频器产生的谐波电流，被誉为 低谐波变频器 。AFE变频器包含：进线LCL滤波器、IGBT整流桥模块、快速熔断器、直流回路电抗器、直流回路电容器、IGBT逆变器模块、输出du/dt滤波器。单套系统相比12脉动DFE整流谐波控制更好。为了过滤IGBT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即并联又串联的复杂回路。理论上，在某些频率点，整个网络的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。因此AFE变频系统为避免谐振影响，系统设计方面需进行更多匹配计算，有效控制谐振。

3 最优选型方案分析研究

3．1 AFE与DFE技术对比分析

(1)由于采用新型可关断可控功率器件，与DFE中二极管或可控整流相比，主动前端不再是被动地将交流变为直流，而是具备了很多的主动控制功能，具有卓越的动态性能。(2)AFE整流单元及滤波附加电路确保从电网吸取及反馈回电网的只有正弦波电压或电流，而不会产生通常二极管整流桥不可消除的5、7、11及13次谐波。AFE单元产生的总谐波畸变率<1%,即便是对于恶劣的电网也不例外。(3)AFE可主动控制及调整直流环节的电压，即便电网波动很大，也仍然保证直流电压额定，保持良好的控制性能。(4)采用AFE之后，其功率因数在“1”左右较大的范围内通过参数设定可调，不仅可做到本身近乎为“1”的完美的功率因数，而且不必另外配备外部补偿设备，甚至还可以补偿电网上其它负载产生的无功功率。(5)DFE技术较为成熟，24脉整流后谐波可以满足使用要求，但设备较大需要船舶空间较大，对空间使用较紧张的船舶不方便布置。(6)DFE整流方案无谐振问题，AFE方案有谐振对设备的相关参数的精确度要求较高。(7)AFE为新技术，成本较高，后期维护对技术人员要求较高。

3．2 建造成本分析研究

由于AFE采用IGBT整流，相比较传统的DFE变频系统，价格还是有差距的。AFE变频器刚推出的时候，价格十分昂贵，但是随着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，粗略估计不同变频驱动系统的价格差异如表1所示。

表1

3．3 后期维护成本分析研究

DFE整流结构简单，维护方便，故障率低。但是DFE变频系统放入功率元件和驱动模板是一种可控硅（二极管）与IGBT（三极管，GTO）的混合，需要的维护保养计划不一致。另外对于整个驱动系统来说，DFE变频系统配置变压器，增加了维护保养工作量。AFE变频器功率和逆变器模块基于兼容的硬件，从而降低备件需求，维护保养工作量较少。同时AFE变频器输出电源品质较高，电机运行平稳性好一些，对于电机的使用维护有益。但是AFE由于采用IGBT整流，备品备件价格较高，而且维护技术难度较高。

4 研究综述

通过研究可知，DFE方案实船案例多、技术相对成熟、投资少，但结构复杂、设备多、占用空间大。而AFE方案结构简单、设备少，但为新兴技术，实船案例相对少、投资相对多且存在谐振对设备的相关参数的精确度要求较高。所以变频方案的选择，若主要考虑电力系统谐波要求以及船舶舱室布置的空间，则AFE变频系统较合适。若船舶舱室空间较充裕，同时对设备价格较为敏感，则可以考虑DFE变频系统，因为其有更成熟广泛的应用，价格有一定优势。