大功率变频器供电的岸电供电模型建构

大功率变频器供电的岸电供电模型建构

沈龙辉

福建可门港物流有限责任公司 350002

摘要：岸电系统，就是船舶依靠港口时，由岸上电力系统为停运船舶上的重油发电机供电。特别是大型的船舶，必须将精密测量仪器和大功率作业设备等配备齐全，电能具有很高的可靠性，供电的间隔不能太长。所以，岸电供电的安全性和可靠性必须要提升，恢复停电事故的能力应该加强，对于岸电系统运行具有至关重要的现实意义。

关键词：大功率变频器；岸电供电模型；结构

结合理论，分析和研究大功率变频器供电岸电模型在构建靠港船舶的应用，模拟靠港船舶中运用大功率变频器进行供电时的故障发生，仿真的结果既有效又真实，对于我国港口靠港船舶运用大功率变频器进行供电具有技术参考价值^[1]。

1. 大功率变频器供电的岸电供电的结构

1. 输入变压器

船舶电网接入岸电对陆域电网可能会有一定的影响，所以，静止频率变换器应用移相式变压器作为输入侧隔离变压器，为了达到IEE519-1992谐波抑制标准，将不足于47次的谐波除掉，各个绕组运用延边三角形的接法，使48脉波二极管整流路形成，p×a=360°，脉冲数为p，移相角为a，移相角可以设为26.25^o。

2. 电压升压的方式

该文的单元串联多电平变频器，运用五个功率单元的串联方式，输出6千伏高压。变压器运用延边三角形的联结，五个额定690伏特电压的功率将变频器各相串联而成，最高输出相电压能够达到3450伏特，线电压能够达到6千伏。

3. 功率单元的结构

功率单元，还称为三相逆变器，实际上，一次侧电路由1个三相桥式DC/AC逆变器和1个三相桥式AC/DC整流器构成，不可控器件为整流部分，这样直流侧电压方向就不容易改变，不会使电能反馈至电网中，所以，应用岸电的过程中，运用电压源型号变频器影响电网比较小。主要通过逆变侧开关通断顺序和时间的改变，实现逆变部分电压和输出频率的变换^[2]。

4. 功率单元的脉冲控制

逆变器输出主要运用PWM多电平移相式控制技术，同一相功率单元输出相位基波电压和相同幅值，但是，串联各单元载波间一定的电角度相互错开，使PWM多电平实现，输出电压与正弦波很接近。各个电平台阶，单元直流母线电压的大小，只有du/dt比较小时，才不会影响电动机绝缘，功率单元运用开关频率比较低，使开关损耗减轻，并且吸收电路也不用浪涌，从而使变频器功率得以提升^[3]。变频器为6千伏等级时，每相由五个690伏特功率单元的额定电压串联而成，运用依次相移的五个72^o三角载波及参考波进行比较，PWM控制信号产生，每相的电压一共有十一种电平，见图2所示。峰值电压与8千伏相近。

图2 单相变频输出电压

2. 构建大功率变频器供电的岸电供电模型

1. 模型说明

在逆变器中，运用调制正弦波与三角载波产生的脉冲，对各开关的状态进行控制。控制逆变器的电路，见图3所示。

图3 控制逆变器的电路

同一相中，运用1个正弦波发生器与1个三角载波发生器的关系，对逆变器中4个IGBT/Diode模块通断进行控制。致使输出波形具有一定的规律^[4]。该文由五个功率单元将大功率变频器串联而成，各个功率单元电压输出滞后72^o，三角载波为1050赫兹频率。大功率变频器模型的各相结构，见图4所示，由5个功率模块将各相串联而成。

图4 大功率变频器模型各相结构图

2. 设置仿真

仿真时间设置为10秒，对靠港船舶运用大功率变频器进行供电的过程中船舶用电设备正常的情况下，甲板上浪和用电造成的负载短路情况分别仿真。

其一，正常工况下，大功率变频器运用在靠港船舶上进行供电，电动机带着负载开始运行，100牛顿米为负载转矩。通过多次进行仿真了解到，大功率变频器仿真运行到1.8秒时，电压输出比较稳定。设置仿真系统为3.5秒时，与靠港船舶接入，在船舶电力系统中，3千伏为电动机的初始电压，A相角为0^o，B相角为120^o，C相角为240^o。

从正常状态下，大功率变频器的电压和相电流波形，可以了解到，接入船舶以后，大功率变频器的电压，从9千伏的稳定状态，下降到8千伏，电流从0安培，很快升到70安培，利用2.5秒的时间调整为50安培，才能够达到稳定。船舶的负载合闸电压8千伏时，合闸电流为7.5安培，1.5秒以后，在7千伏时电压比较稳定，6.5安培电流比较稳定。

靠港的期间，正常状态下，电动机A相转子电流和定子电流，2.5秒以后，电动机A相转子电流从100安培稳定到75安培，A相定子电流从110安培稳定到75安培。150牛顿米为启动转矩，8.4秒以后比较稳定。船舶正常用电时，短时间内，系统各处状态都比较稳定，大功率变频器在正常情况下工作

^[5]。

其二，设置4~5秒发生负载的A和B两相短路，从大功率频器在系统中工作的电压电流变化可以了解到，两相短路发生时，大功率变频器的电压下降为0，放大电流的波形。从负载短路发生时，电动机A相转子电流和定子电流可以了解到，变频器出线电流从60安培很快上升到1×10⁵安培。短路冲击电流是正常线路电流1000倍。两相短路的期间，短路电流大约是270安培，三相短路发生时，大功率变频器电压下降为0，出线电流从50安培很快提高到4×10⁴安培，短路冲击电流是正常线路的100倍，相对于两相短路的冲击，电流虽然很小，但是，还是给变频器带来严重的后果^[6]。短路期间，由于变频持续有大电流流过，造成大量发热，若不能及时地消除故障，变频器内部元件就会被烧毁。

参考文献：

1. 陈少林. 基于IGCT两电平电压源型交直交大功率变频器设计[D].湖南大学,2018.

[2]冯华,林朝华,张旭,曲云,田阳,亓学庆,田琪.基于沿海港口的岸电运营系统经济性分析[J].港工技术,2018,55(02):69-73.

[3]刘庆国.港口船舶岸电设施BIM技术研究及设计应用[J].现代制造技术与装备,2017(05):7-8+11.

[4]王雪锋,黎洪光,黄文焘,郭铭海,李玉荣,林亚培.岸电系统网架结构供电可靠性研究[J].港工技术,2017,54(02):57-60+108.

[5]文彬.输气管道大功率变频器失电跨越研究[J].电气时代,2017(07):82-85.

[6]季珊珊,施伟锋,卓金宝,张威.靠港船舶应用大功率变频器供电仿真与分析[J].船电技术,2016,36(06):43-47.