变频驱动技术在风电安装船电力推进系统上的运用

林创鹏，王飞飞，陈庆俊

（广州星际海洋工程设计有限公司，广东广州 511462）

0 引 言

与传统的船舶推进方式采用主机驱动螺旋桨技术（见图1）相比，船舶电力变频驱动推进（见图2）因具有调速范围广、响应速度快、控制精度高、机械噪声低和节能环保等优势，在风电安装船等各种海工船舶上的推进系统中得到了越来越多的应用。目前，船舶电力推进主要采用电压源型交-直-交变频驱动技术，利用变频驱动装置，根据各种船舶工况输出频率和电压可变的交流电源，驱动推进电机高效运行。船舶推进驱动变频器的配置主要采用多脉冲整流前端（Diode Front End，DFE）变频器和有源前端（Active Front End，AFE）变频器2 种变频方案，本文就风电安装船采用的这2 种变频驱动电力推进方案的配置和变频驱动带来的谐波干扰与抑制等问题进行分析。

图1 主机驱动螺旋桨推进系统

图2 变频驱动电力推进系统

1 规范对变频驱动电力推进系统谐波的要求

船舶变频驱动电力推进系统中的变频器作为系统的核心驱动设备，其功率可占到整个船舶电网容量的70% ～80%，变频器中的整流器和逆变器电路采用的是大功率二极管、绝缘栅双极晶体管等非线性电力电子器件，这些电力电子器件在工作过程中会使电源输入电流中产生谐波电流，形成非正弦波，引起电源内的阻抗产生相应的谐波电压。这些谐波电压施加到电网中的电气设备的电源端，会引起各设备内部产生相应的谐波电流，造成发热、振动等影响，使仪器仪表产生误差等。因此，在设计电力推进系统变频器配置方案时，必须采用有效的谐波抑制措施，保证船舶电网稳定运行。各船级社对船舶电网谐波指标的要求见表1。

表1 各船级社对船舶电网谐波指标的要求

2 电力推进系统变频驱动技术方案对比

在船舶变频驱动电力推进系统中，为更好地抑制变频器产生的谐波，目前在配置电力推进系统变频器方案时，主要采用DFE变频和脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）AFE变频控制，以使船舶电网总电压谐波畸变率THD满足规范的要求。这2 种变频驱动控制变频器在重量、体积、控制方式和价格成本等方面存在差异，具体采用哪种变频驱动推进方案需根据具体项目谐波分析结果，在综合考虑其他因素之后确定。目前AFE变频器主要应用在690 V低压系统的电力推进系统中，DFE变频器在690 V、3 000 V和6 000 V中低压系统的电力推进系统中都有运用。

2.1 DFE变频器

对于船舶电网而言，变频器就是一个整流装置，在网侧谐波电流次数为

式（1）中：k为正整数，k=1，2，3，…；m为整流装置整流脉波数。

DFE变频器主电路图见图3，主要由三相全桥整流器（由VD～VD等6 个二极管构成）、直流储能电容器C和三相IGBT电压型PWM逆变器（由V～V等构成6 个IGBT管）组成。整流装置由三相二极管组成桥式整流电路，整流前端输出的直流电压在交流电的1 个变化周期内有6 个脉动的波头（m =6），变频器网侧谐波电流的次数为5，7，11，13，17，19，23，…，导致船舶电网输入电流高低次谐波含量大，电压波形总谐波畸变严重，输入功率因数减小，船舶供电品质受到影响。DFE变频器6 脉冲整流前端输入电流和输出直流电压波形见图4。

图3 DFE变频器主电路图

图4 DFE变频器6脉冲整流前端输入电流和输出直流电压波形

为防止6 脉冲DFE变频器整流前端谐波过大，降低谐波对船舶电网的影响，目前电力推进系统常在推进变频器前增加移相变压器，构成12 脉冲或24 脉冲等多脉冲整流前端，有效抑制变频器产生的电网谐波。

移相变压器的工作原理是利用三相变压器一次侧和二次侧绕组的不同连接组别实现二次侧绕组电压的不同移相。移相变压器是一个三绕组变压器，其原边采用星形接法；副边有2 个绕组，分别接成星形和三角形，三角形绕组的输出电压与星形绕组的输出电压的相位差为30°，这样副边就得到了2 组6 个电压，经过全波整流就得到了12 个脉动波头的直流电压。图5 为DFE变频器12 脉波整流前端输入电流和输出直流电压波形，在DEF变频器前增加12 脉波移相变压器，2 组三相桥式整流并移相30°电角度，整流前端输出的直流电压在交流电的1 个变化周期内有12 个脉动的波头（m=12），12 脉波移相变压器与2 组三相桥式整流桥构成12 脉波整流，此时谐波电流为11，13，23，25，…，可消除电网侧5 次、7 次、17 次、19 次和31 次谐波，电网输入电流谐波量可减少50%，12 脉波变频器单侧电流谐波THD＜15%。目前，在风电安装船的DP2电力推进系统配置中，常采用推进器舱左右舷对称配置1 台推进器、1 台移相变压器和1 台推进变频器的配置方案，每套移相变压器都有2 套三相次级绕组，每套移相变压器的2 套次级绕组之间存在30°电位移。同时，2 套移相变压器的原边绕组相对于电网分别存在+7.5°和-7.5°的电位移，当2 套变频器同时工作时，形成虚拟24 脉冲整流系统，可消除11 次、13 次、35 次和37 次谐波，电网总谐波进一步减少，总电压谐波THD的畸变率控制在5%以内。虚拟24 脉冲和真正24 脉冲配置见图6。

图5 DFE 变频器12脉波整流前端输入电流和输出直流电压波形

图6 虚拟24脉冲和真正24脉冲配置

2.2 AFE变频器

AFE变频器主电路图见图7，由输入电抗器X、三相PWM整流器（由V、V、V、V、V和V等6 个IGBT管构成）、直流储能电容器和三相IGBT电压型PWM逆变器（由V、V、V、V、V和V等6 个IGBT管构成）组成，也称双PWM变频器。与DFE变频器不同的是，AFE变频器整流前端采用IGBT全控制电力电子器件替代不可控二极管组成三相桥式整流电路，通过PWM驱动信号控制IGBT的快速通断实现整流。当正弦信号的频率与输入电源频率相同时，输入电流波形为正弦波，波形基本无谐波，能大幅减小电网侧谐波电流，系统功率因数也接近于1。通过PWM控制全控型IGBT的通断，可使前端整流器工作在逆变或回流状态，当推进电机工作在制动状态时，PWM整流器处于逆变运行状态，从而将电能回馈给电网，实现电网能量的双向流动，起到节能环保的作用。

图7 AFE变频器主电路图

3 DFE变频器和AFE变频器在电力推进系统中的应用实例

目前，对于船舶电力推进变频驱动控制系统，国内外集成商的解决方案主要是采用DFE 变频器，其在690 V和3 000 V、6 000 V中低压系统中都有应用，而AFE变频主要在690 V等低压系统项目中应用。

图8为800 t自升式风电作业平台电力推进系统DFE变频器方案。该平台长85.8 m，宽40.0 m，配置3台1 900 kW的发电机、1 台760 kW的停泊发电机、2 台1 200 kW的艉部全回转推进器、2 台750 kW的艏部槽道式侧推器、1 台825 kVA的主起重机和1 套液压插销式升降系统。该平台的主要谐波源为主推变频器、侧推变频器和主起重机，在设计电力推进系统方案前期，根据平台各工况的电力负荷分析和系统集成商提供的电力系统谐波分析报告，当采用移相变压器加DFE变频器时，电网总谐波畸变率最严重时690 V和400 V汇流排电压THD均控制在3%以下，满足中国船级社规范要求的小于5%。同时，因DFE 变频器在价格上比AFE变频器更具优势，所以在制订变频器方案时采用DFE变频器。

图8 800 t自升式风电作业平台电力推进系统DFE变频器方案

图9为1 600 t风电安装平台电力推进系统AFE变频器方案。该平台长102.00 m，宽43.98 m，配置5 台1 900 kW的发电机、2 台2 400 kW的艉部全回转推进器、2 台1 500 kW的艏部槽道式侧推器、1 台2 000 kW主起重机和1 套液压插销式升降系统。该平台的主要谐波源为主推变频器、侧推变频器和主起重机，同时为实现节能减排，机舱风机和海水泵控制均采用变频控制，电网谐波源多，总谐波畸变率高。根据平台各工况的电力负荷分析和系统集成商提供的电力系统谐波分析报告，当采用移相变压器加DFE 变频器时，电网总谐波畸变率最严重时690 V和400 V汇流排电压THD均超过中国船级社规范要求的小于5%，只能采用24脉冲DFE变频器或AFE变频器。因24 脉冲DFE变频器方案中每台变频器需配置2 台三绕组移相变压器，从设备空间布置、总体重量和价格等方面对比，AFE 变频器都更具优势，所以该平台的电力推进变频驱动方案选择采用AFE变频器。

图9 1 600 t风电安装平台电力推进系统AFE变频器方案

从上述电力推进系统配置方案中可看出，DFE变频器方案与AFE 变频器方案在设备配置上的区别主要在于DFE变频器前增加了2 套移相推进变压器，其他设备的配置基本一致。DFE变频器与AFE变频器因整流前端控制器件和控制方式等不同，导致设备重量、体积和价格等存在较大的差异。AFE 变频器相比DFE变频器和移相变压器总成本较高，但在提高系统功率因数和抑制电网谐波干扰等方面性能优越。DFE 变频器与AFE变频器的结构配置和性能对比见表2。

表2 DFE变频器与AFE变频器的结构配置和性能对比

4 结 语

通过以上分析可知，船舶变频驱动电力推进技术无论是采用移相变压器加DFE 变频器组成12 脉冲或24 脉冲变频装置，还是采用AFE变频器，都能有效抑制船舶电网谐波，得到满足规范要求的控制指标。在已交付的多艘电力推进船舶中，大部分采用的都是由DFE 变频器和移相变压器组成的多脉冲变频驱动方案，AFE变频器除了价格昂贵之外，在共模干扰和电磁兼容性方面存在不足，易对电网的稳定性和设备的安全可靠运行产生很大的影响，尤其是在高压配电系统中共模干扰幅值较大。因此，相对于在陆上电网中的广泛运用，目前AFE变频器只在低压电网船舶电力推进中得到一些运用。