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        在線式熱退出功能在岸基供電系統(tǒng)中的應(yīng)用

        2018-12-28 05:39:30劉廣財羅文斌楊青
        電動工具 2018年6期
        關(guān)鍵詞:故障系統(tǒng)

        劉廣財,羅文斌,楊青

        ( 1.上海電動工具研究所(集團)有限公司 上海寶準電源科技有限公司,上海 200233;2.上海國際港務(wù)(集團)股份有限公司,上海 200080;3.江南造船(集團)有限責(zé)任公司,上海 201913 )

        0 引言

        當(dāng)前,國家提出系統(tǒng)謀劃并建設(shè)綠色港口,堅持生態(tài)優(yōu)先,綠色發(fā)展,指定實施綠色港口建設(shè)方案。對于船舶而言,靠泊后,停止燃油發(fā)電機進而使用岸側(cè)靜止時變頻岸電系統(tǒng)供電成為綠色港口建設(shè)的一個重要組成部分。停用船舶發(fā)電機而改用岸電系統(tǒng)供電,這就使得岸電系統(tǒng)在控制及主回路冗余上有極高的穩(wěn)定性要求。與此同時,當(dāng)岸電系統(tǒng)持續(xù)供電時,也不可發(fā)生因某個主要部件故障致使整機停止供電的情況。本文從洋山港四期5 MVA岸電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計出發(fā),闡述在線式熱退出功能的作用、實現(xiàn)原理及具備優(yōu)勢,在實際機型上測試了控制波形,進一步模擬故障,測試系統(tǒng)運行效果。

        1 概述

        岸電系統(tǒng)在連船供電過程中,當(dāng)一套功率模塊發(fā)生故障后,自動退出系統(tǒng)并停止運行,剩余功率模塊繼續(xù)維持供電,故障模塊原先承載的負荷將被平均分配至剩余功率模塊,這種在運行過程中實現(xiàn)的主功率模塊自動退出過程稱之為在線式熱退出功能。

        2 設(shè)計

        2.1 變頻電源主回路拓撲結(jié)構(gòu)

        5 MVA岸電系統(tǒng)設(shè)計功率器件拓撲結(jié)構(gòu)時考慮問題如下:

        1)岸電系統(tǒng)達到冗余要求,實現(xiàn)在線式熱退出功能,必須具備IGBT并聯(lián)結(jié)構(gòu),即退出逆變器和剩余逆變器互為旁路,互不影響;

        2) 岸電系統(tǒng)采用并聯(lián)結(jié)構(gòu),考慮單臺逆變器的容量分配以及工作電壓,是否影響線路電流密度;

        3)岸電系統(tǒng)實現(xiàn)在線式熱退出功能時,系統(tǒng)需要極高處理速度以及電壓電流調(diào)整速率,對系統(tǒng)最小控制周期有嚴格要求;

        4)多臺逆變器并聯(lián),為滿足高輸出波形質(zhì)量的要求,逆變器控制方式需采用多電平控制方案。

        綜上,5 MVA岸電系統(tǒng)功率器件部分設(shè)計如下:

        采用T型三電平主逆變器結(jié)構(gòu),每臺逆變器容量1 000 kVA,額定輸出電壓1 000 VAC,逆變器額定輸出電流550 A,可實現(xiàn)線路低電流密度要求;系統(tǒng)采用6臺1 000 kVA逆變器并聯(lián),總逆變器容量達6 000 kVA,在一臺逆變器熱退出情況下,滿足5 000 kVA額定容量要求;在兩臺逆變器熱退出情況下,剩余逆變器容量4 000 kVA,仍可以80%額定容量繼續(xù)維持供電。

        T型三電平主逆變器結(jié)構(gòu)見圖1所示,由上管IGBT、下管IGBT、中性點IGBT組成。通過控制三組IGBT的開關(guān)組合可實現(xiàn)三電平階梯波的輸出。

        圖1 逆變器原理

        5 MVA變頻電源部分主回路拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

        圖2 變頻電源拓撲結(jié)構(gòu)

        為滿足多臺并聯(lián)需求,5 MVA岸電變頻電源采用高—低—高結(jié)構(gòu),即10 kV/50 Hz進線經(jīng)降壓隔離變壓器轉(zhuǎn)換為4路獨立的620 V/50 Hz,經(jīng)過二極管無源整流后得到帶有中性點零電位的三段直流母線電壓,6臺1 000 kVA逆變器并聯(lián)接入三段直流母線,逆變器輸出采用正弦濾波器進行對三電平階梯波的濾波,得到標準正弦波。在正弦濾波器后端,考慮到熱退出逆變器存在承受正弦反壓風(fēng)險,特增加一臺隔離開關(guān)作為熱退出后的自動斷點。

        2.2 變頻電源控制架構(gòu)

        為滿足在線熱退出過程中的高速控制,主控制CPU中斷頻率選擇10 kHz,即單臺逆變器的控制周期為100 μs。每臺逆變器的CPU內(nèi),故障保護啟動時間為10個機器周期,機器周期時間為25 ns,若考慮硬件電容時間常數(shù)及傳感器的反應(yīng)延遲時間,故障發(fā)生后,保護啟動時間小于1 μs。當(dāng)故障發(fā)生后,散熱風(fēng)機損壞或風(fēng)道堵塞造成逆變器過熱,逆變器可在溫度保護達到設(shè)定閾值后1 μs內(nèi)完成過熱故障保護,鎖存故障信號并通過光纖通信上傳中央控制CPU。

        2.2.1 主從CPU之間光纖通訊的實現(xiàn)

        本次通訊設(shè)計中,主控制CPU與每臺逆變器從機CPU采用光纖串聯(lián)模式,光纖收發(fā)器采用飛利浦公司的HF1528和HF2528,最高頻率可達10 MHz。光纖采用安捷倫公司的塑料內(nèi)芯光纖。

        光纖通訊連接方式如圖3所示:

        圖3 主從CPU光纖聯(lián)絡(luò)圖

        光纖通信設(shè)計周期100 μs,每個bit位長度500 ns,計算得到每個周期極限承載數(shù)據(jù):

        由上可得,理論上每次通信最大承載數(shù)據(jù)量為200個,在實際運行中,受物理轉(zhuǎn)換時間及校驗位影響,通訊信息個數(shù)低于200。

        當(dāng)一臺逆變器發(fā)生故障保護后,如在圖3中,1號逆變器發(fā)生過流保護,則本臺逆變器在檢測到保護信號后即停止PWM控制及輸出,逆變器處于故障待機狀態(tài),且不能自動復(fù)位。同時,1號逆變器CPU鎖存故障信號點,在下一通訊周期將故障點按照既定協(xié)議位置存入通訊線路中。故障信號經(jīng)由光纖通信路徑傳至主控CPU,主控制CPU鎖存本信號及該臺逆變器的狀態(tài)信息,發(fā)出告警,其余逆變器繼續(xù)工作。

        2.2.2 逆變器優(yōu)先保護與主控制CPU握手

        單臺逆變器的保護過程應(yīng)獨立、不影響其余逆變器的工作狀態(tài),且故障發(fā)生后應(yīng)即刻做出響應(yīng)以切斷PWM輸出,避免造成核心功率器件損傷。逆變器狀態(tài)信息及故障信息需上報主控CPU,讓系統(tǒng)層面知曉故障點并發(fā)出告警,以便在供電結(jié)束后,點對點故障排查和搶修。

        逆變器進行故障處理時工作流程如圖4所示。發(fā)生過熱、過流、驅(qū)動短路等故障后,由于逆變器CPU的機器周期為25 ns,故障信號采集周期小于1 μs,逆變器可在故障后短時間內(nèi)完成保護并關(guān)斷IGBT,停止PWM的驅(qū)動輸出,同時,CPU在下一次100 μs的通訊周期內(nèi)將故障信號及狀態(tài)信息上傳至主控CPU。

        圖4 單臺逆變器保護及上報流程

        3 樣機與測試

        3.1 逆變器主結(jié)構(gòu)

        單臺逆變器容量為1 000 kVA,采用將兩臺逆變器背向安裝在一臺逆變柜內(nèi),單臺逆變柜容量達到2 000 kVA,5 000 kVA岸電系統(tǒng)的逆變器部分由三臺2 000 kVA逆變柜組成,如圖5所示。上部為三相功率模塊,中間為真空接觸器,額定電壓1 140 V,可滿足帶載分斷,下部是正弦濾波器,本臺逆變柜的輸出為標準正弦波。

        圖5 逆變器主結(jié)構(gòu)

        當(dāng)某臺逆變器發(fā)生故障后,IGBT驅(qū)動立即封鎖PWM波輸出,處于中部的接觸器隨之分斷,達到先保護后隔離目的。

        3.2 光纖通信控制

        由圖6實測主控制CPU與每臺逆變器CPU的光纖通訊波形,單次通信周期為100 μs,每周期段長 72 μs。光纖通信內(nèi)部設(shè)啟動地址位,數(shù)據(jù)地址位,數(shù)據(jù)信息,停止地址位。岸電正常運行供電時,主控制CPU采用每100 μs周期輪詢發(fā)送每臺逆變器的控制信息和地址信息,而逆變器將本臺的狀態(tài)信息存入匹配的地址后發(fā)出至主控制CPU實現(xiàn)數(shù)據(jù)上報。故障發(fā)生后,故障逆變器存入相應(yīng)信息至光纖通訊程序,主控制CPU進行統(tǒng)計和累計,如未達到跳閘值,將保持剩余逆變器繼續(xù)工作。

        圖6 光纖通信控制波形

        4 結(jié)語

        從主回路拓撲結(jié)構(gòu)到控制軟件的架構(gòu)層面設(shè)計了基于三電平逆變器大功率港口岸電電源的在線式熱退出功能,在實際樣機和產(chǎn)品中進行了控制方法的驗證。試驗結(jié)果證明,在線式熱退出功能在大功率高—低—高岸電系統(tǒng)中,通過將故障逆變器自動在線退出系統(tǒng)的方式,提高岸電系統(tǒng)的供電穩(wěn)定性,避免岸基靜止式電力電子電源的故障停機造成的經(jīng)濟損失,為岸電系統(tǒng)的有利推廣提供了靠性的保證。

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