大功率船舶岸电电源研制

虞风雷安子健

(1金海重工股份有限公司生产保障部浙江舟山610007;2青岛创统科技发展有限公司山东青岛266101)

摘要：针对靠港船舶采用岸电供电的发展趋势，提出了一种采用大功率变频技术的岸电电源设计方案，该方案利用波形预处理器结合逆变变压器的系统结构和基于电压型空间矢量控制的软件控制策略，测试结果表明这种岸电电源具有效率和可靠性高等优点。

关键词：岸电电源空间矢量算法逆变变压器

1．引言

大型船舶特别是油船和集装箱船靠港时通常使用燃油制品(多为重油)发电，来满足船舶用电需求。近年来随着燃油价格屡创新高，船舶发电成本不断升高，而且重油在燃烧过程中产生大量硫化物和氮氧化物，对周边环境造成严重污染，污染后通过气候作用可以传播至数百公里以外的地区。国内外很多港区都集中在城区附近，到港船舶停靠港口产生污染与城区环境保护的矛盾已经越来越突出。如果采用陆地电网对靠港船舶供电，首先可以大幅减少港区环境污染，建设清洁宜人的绿色港口，其次可以降低船舶靠港时运行费用，增加码头港口及发电部门的供电收入，对于节能减排也具有十分重要的意义。这种技术称为船舶岸电系统。

岸电系统主要有三个部分组成：

（1）岸电电源：船舶电网频率大多为60Hz,我国港口岸电电网频率为50Hz。岸电电源主要功能是将我国港口电网380V/50Hz交流电变换成适合于外国船舶440V/60Hz交流电,并且能够实现50Hz/60Hz双频供电；

（2）电缆连接设备：连接岸电接电箱和船上受电装置间的电缆和设备，电缆连接设备必须满足快速连接和储存的要求，不使用的时候储存在岸边或者驳船；

（3）船舶受电系统：在船上固定安装受电系统，可能包括电缆绞车等相关电气管理系统等。

显然岸电电源是岸电系统的核心，对其基本要求是输入侧不能污染电网，输出侧电能质量能满足船舶供电要求，可靠性高，易于维护。本文提出了一种新型的的1MVA(800KW)岸电电源设计方案，其硬件采用高功率因数整流和逆变模块并联技术，软件采用电压矢量控制技术，完全可以满足岸电系统的供电要求。

2．岸电电源的工作原理

岸电电源的主电路原理图如图1所示，三相输入市电接入电源后，首先经过PWM高功率因数整流器变成稳定的直流，采用高功率因数整流器目的是提高网侧功率因数，防止岸电对电网造成污染，整流器采用4套200KW整流模块并联冗余，逆变侧也采用4套200KW逆变模块并联冗余，模块之间采用光纤通讯，逆变器的IGBT受控于空间矢量脉宽调制，其脉冲宽度代表了输出电压幅值。调整脉冲宽度，即调节输出电压。经过IGBT的调制后，直流电源被调制成脉冲波形，此方波通过一个滤波器，变成一个60Hz基波分量的准正弦波。再经逆变变压器进行二次滤波，输出440V/60Hz电压。

3.软件控制策略

本岸电电源逆变器控制采用空间矢量算法，SVPWM的理论基础是平均值等效原理，即在一个开关周期内通过对基本电压矢量加以组合，使其平均值与给定电压矢量相等。在某个时刻，电压矢量旋转到某个区域中，可由组成这个区域的两个相邻的非零矢量和零矢量在时间上的不同组合来得到。通过控制各个电压矢量的作用时间，使电压空间矢量接近按圆轨迹旋转，就可以使逆变器输出近似正弦波电压[5]。将三相相电压ua、ub、uc分别加在空间上互差1200的三相平面静止坐标系上，可以定义三个电压空间矢量ua(t)、ub(t)、uc(t)，它们的方向始终在各相的轴线上，而大小则随时间按正弦规律做变化，时间相位互差1200。假设U为相电压有效值，f为电源频率，则有：

其中，Ur为期望电压矢量；T为采样周期；Tx、Ty、T0分别为对应两个零电压矢量Ux、Uy和零电压矢量U0在一个采样周期的作用时间；其中U0包括了U0和U7两个零矢量。式(3)的意义是矢量Ur在T时间内所产生的积分效果和Ux、Uy以及零矢量作用时间Tx、Ty、T0、T7的积分相加总和值效果相同。

利用坐标变换[5]可将三相静止平面坐标系(a，b，c)中的相电压转换到两相垂直平面坐标系(α、β)中去。转换结果见图3。

4.参数测试及分析

为了验证所设计岸电电源的可行性，对其输出进行了实验测试。网侧输入电压380V/50Hz，带在功率800KW,图4为采用FLUKE32电能质量分析仪实测输出波形图，得到输出电压稳定度为±1%，输出侧电流总谐波含量THD为2.0%，可以看出本岸电电源输出品质很好的60Hz正弦波。另对该岸电电源的其他电气参数进行了实验测试，输出频率稳定度为60HZ±0.1%，突加突减负载时，瞬态电压变化<±5%，转换效率为97%。关于瞬态电压变化，其测试条件为调整负载电流为100%，功率因数COSφ=0.8（滞后）的状态下，从空载至满载再从满载到空载进行记录的。此测试方法模拟了电动机启动时负载特性。关于转换效率，是指输入有功功率与输出有功功率之比。而传统的发电机组转换效率仅为70～85%；轻负载状态下不足70%。

5.结论.

设计了一种船舶岸电电源系统方案，实际运行结果表明该电源能够很好的满族船舶供电要求，且由于采用的是逆变变压器，具有变压、正弦波滤波、电网间电气隔离等多种功能，设备整体效率高，另还具有可靠性高、保护性能好、抗干扰能力强等优点。

参考文献

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[5]张少伟.SVPWM在有源逆变中的研究与应用[D],保定：华北电力大学，2008.

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