AFE变频器在新能源船舶中的应用

潘永德，李明刚

AFE变频器在新能源船舶中的应用

潘永德1，李明刚2

（1. 大连测控技术研究所，大连 116013; 2. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

电力电子变换装置能有效解决新能源在船舶应用中的电制匹配问题，AFE变频器因其能量双向可控的特点，应用于新能源船舶的优势更加明显。本文分析了AFE变频器两种控制模式的基本原理，对比了这两种模式的特点，基于上述原理，设计了一型混合动力推进船舶，详细分析了船舶在不同运行模式下AFE的控制方式及船舶能量流动方向。

AFE变频器 新能源 船舶

0 引言

近年来，新能源在船舶动力系统中发展迅速，特别是电池、超级电容、光伏等以直流输出为表现形式的新型能源在船舶中广泛应用。船舶电网中多为交流负载，应用电力电子变换装置对直流能源进行变换是解决新能源在船舶电力系统中应用的最有效方式。本文主要介绍了有源前端（Active Front End, AFE）变频器在船舶中的应用，重点介绍了AFE变频器双向能量可控的特点在新型能源船舶中应用的优势。

1 AFE变频器的两种控制模式

AFE变频器采用全控型器件，既可作为整流器，也可作为逆变器，可实现能量的双向流动控制，在混合动力船舶应用中具有灵活、高效的特点，本节主要介绍AFE变频器两种典型的控制方式。

1.1 直流母线电压闭环控制

当AFE变频器运行在直流母线电压控制模式下时，变频器用作整流器将交流电变换为直流电。直流母线电压闭环控制是AFE变频器最常用的一种控制模式，直流母线电压可在一定范围内设定，即使在电网波动较大的工况下，直流母线电压控制器仍能恒定的调节电压。

应用于新能源船舶动力系统中，AFE变频器既可作为推进电机调速用的变频器，还可将其直流母线引出作为直流电源给储能设备充电，其只需从接入岸电等交流能源，无需在岸上单独布置充电机，在新能源船应用的成本和改造方面具有独特的优势。

1.2 交流母线电压及频率闭环控制

当AFE变频器运行在交流母线电压及频率闭环控制模式下，变频器实际上可等效为常规的交流发电机组。此时变频器以设定的交流母线电压及频率为控制目标，为船上的交流负载提供稳定的交流电源。变频器工作在有功-频率（-）下垂（图1）和无功-电压（-）下垂（图2）工作模式。

图1 有功-频率（P-f）下垂工作模式

图2 无功-电压（Q-U）下垂工作模式

用电当两台变频器并联运行时，可根据变频器的下垂特性实现稳定的并联与功率分配，如图3。AFE变频器在两种控制模式下的特点对比如下表1所示。

图3 变频器并联运行特性

2 AFE变频器的实船应用

根据AFE变频器双向能量流动可控的特点，设计了一型混合动力推进船舶，本船配置磷酸铁锂动力电池和柴油发电机组两种供电电源，动力系统单线图如下图4所示，全船设柴电、电池和充电三种运行模式。

表1 两种控制模式对比

图4 混动动力游船单线图

2.1 柴电模式

在柴电模式下，两条电池支路的接触器全部断开，岸电开关断开，全船由柴油发电机组进行供电，主柴油发电机组为交流母线提供三相电源。通过交流母线为两条推进支路以及船舶日用负载提供电能。此时，AFE变频器工作在有源整流模式，推进支路从交流母线取电，驱动推进电机运行，此时系统简化示意图以及能量流向如5所示。

图5 柴电模式动力系统能量流向示意图

2.2 电池模式

电池模式下，柴油机组开关断开，由动力锂电池组为整船供电。此时，AFE变频器工作在回馈逆变模式，两组电池通过两条支路的AFE变频器实现逆变并网，通过两台变频器的下垂特性实现两条支路的功率平均分配。推进支路从直流母线取电，经过逆变模块驱动推进电机运行，此时系统简化示意图以及能量流向如图6所示。

图6 纯电模式电力推进系统能量流向示意图

2.3 岸电模式

在岸电供电模式下，发电机组、推进支路和锂电池组主开关均断开，岸电向交流母线供电，同时可通过AFE变频器将交流电源整流为直流电源向动力锂电池组充电，此时系统简化示意图以及能量流向如图7所示。

[1] 浅海月, 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(08).

[2] 张志强, 马继坤等. 渔业科考船电力推进系统概述与分析[J]. 船电技术, 2015(08).

[3] 秦琦, 王宥臻. 全球新能源（清洁）船舶及相关智能技术发展[J]. 船舶, 2018.

Application of AFE Inverter in New Energy Ships

Pan Yongde1, Li Minggang2

(1. Dalian Institute of Measurement and Control Technology, Dalian 116013, Liaoning, China; 2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM612

A

1003-4862（2019）05-0036-03

2019-02-22

潘永德（1989-），男，助理工程师。研究方向：从事船舶电气相关专业。