潘永德,李明剛
AFE變頻器在新能源船舶中的應(yīng)用
潘永德1,李明剛2
(1. 大連測(cè)控技術(shù)研究所,大連 116013; 2. 武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所,武漢 430064)
電力電子變換裝置能有效解決新能源在船舶應(yīng)用中的電制匹配問題,AFE變頻器因其能量雙向可控的特點(diǎn),應(yīng)用于新能源船舶的優(yōu)勢(shì)更加明顯。本文分析了AFE變頻器兩種控制模式的基本原理,對(duì)比了這兩種模式的特點(diǎn),基于上述原理,設(shè)計(jì)了一型混合動(dòng)力推進(jìn)船舶,詳細(xì)分析了船舶在不同運(yùn)行模式下AFE的控制方式及船舶能量流動(dòng)方向。
AFE變頻器 新能源 船舶
近年來,新能源在船舶動(dòng)力系統(tǒng)中發(fā)展迅速,特別是電池、超級(jí)電容、光伏等以直流輸出為表現(xiàn)形式的新型能源在船舶中廣泛應(yīng)用。船舶電網(wǎng)中多為交流負(fù)載,應(yīng)用電力電子變換裝置對(duì)直流能源進(jìn)行變換是解決新能源在船舶電力系統(tǒng)中應(yīng)用的最有效方式。本文主要介紹了有源前端(Active Front End, AFE)變頻器在船舶中的應(yīng)用,重點(diǎn)介紹了AFE變頻器雙向能量可控的特點(diǎn)在新型能源船舶中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。
AFE變頻器采用全控型器件,既可作為整流器,也可作為逆變器,可實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)控制,在混合動(dòng)力船舶應(yīng)用中具有靈活、高效的特點(diǎn),本節(jié)主要介紹AFE變頻器兩種典型的控制方式。
當(dāng)AFE變頻器運(yùn)行在直流母線電壓控制模式下時(shí),變頻器用作整流器將交流電變換為直流電。直流母線電壓閉環(huán)控制是AFE變頻器最常用的一種控制模式,直流母線電壓可在一定范圍內(nèi)設(shè)定,即使在電網(wǎng)波動(dòng)較大的工況下,直流母線電壓控制器仍能恒定的調(diào)節(jié)電壓。
應(yīng)用于新能源船舶動(dòng)力系統(tǒng)中,AFE變頻器既可作為推進(jìn)電機(jī)調(diào)速用的變頻器,還可將其直流母線引出作為直流電源給儲(chǔ)能設(shè)備充電,其只需從接入岸電等交流能源,無需在岸上單獨(dú)布置充電機(jī),在新能源船應(yīng)用的成本和改造方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。
當(dāng)AFE變頻器運(yùn)行在交流母線電壓及頻率閉環(huán)控制模式下,變頻器實(shí)際上可等效為常規(guī)的交流發(fā)電機(jī)組。此時(shí)變頻器以設(shè)定的交流母線電壓及頻率為控制目標(biāo),為船上的交流負(fù)載提供穩(wěn)定的交流電源。變頻器工作在有功-頻率(-)下垂(圖1)和無功-電壓(-)下垂(圖2)工作模式。
圖1 有功-頻率(P-f)下垂工作模式
圖2 無功-電壓(Q-U)下垂工作模式
用電當(dāng)兩臺(tái)變頻器并聯(lián)運(yùn)行時(shí),可根據(jù)變頻器的下垂特性實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的并聯(lián)與功率分配,如圖3。AFE變頻器在兩種控制模式下的特點(diǎn)對(duì)比如下表1所示。
圖3 變頻器并聯(lián)運(yùn)行特性
根據(jù)AFE變頻器雙向能量流動(dòng)可控的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一型混合動(dòng)力推進(jìn)船舶,本船配置磷酸鐵鋰動(dòng)力電池和柴油發(fā)電機(jī)組兩種供電電源,動(dòng)力系統(tǒng)單線圖如下圖4所示,全船設(shè)柴電、電池和充電三種運(yùn)行模式。
表1 兩種控制模式對(duì)比
圖4 混動(dòng)動(dòng)力游船單線圖
在柴電模式下,兩條電池支路的接觸器全部斷開,岸電開關(guān)斷開,全船由柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行供電,主柴油發(fā)電機(jī)組為交流母線提供三相電源。通過交流母線為兩條推進(jìn)支路以及船舶日用負(fù)載提供電能。此時(shí),AFE變頻器工作在有源整流模式,推進(jìn)支路從交流母線取電,驅(qū)動(dòng)推進(jìn)電機(jī)運(yùn)行,此時(shí)系統(tǒng)簡(jiǎn)化示意圖以及能量流向如5所示。
圖5 柴電模式動(dòng)力系統(tǒng)能量流向示意圖
電池模式下,柴油機(jī)組開關(guān)斷開,由動(dòng)力鋰電池組為整船供電。此時(shí),AFE變頻器工作在回饋逆變模式,兩組電池通過兩條支路的AFE變頻器實(shí)現(xiàn)逆變并網(wǎng),通過兩臺(tái)變頻器的下垂特性實(shí)現(xiàn)兩條支路的功率平均分配。推進(jìn)支路從直流母線取電,經(jīng)過逆變模塊驅(qū)動(dòng)推進(jìn)電機(jī)運(yùn)行,此時(shí)系統(tǒng)簡(jiǎn)化示意圖以及能量流向如圖6所示。
圖6 純電模式電力推進(jìn)系統(tǒng)能量流向示意圖
在岸電供電模式下,發(fā)電機(jī)組、推進(jìn)支路和鋰電池組主開關(guān)均斷開,岸電向交流母線供電,同時(shí)可通過AFE變頻器將交流電源整流為直流電源向動(dòng)力鋰電池組充電,此時(shí)系統(tǒng)簡(jiǎn)化示意圖以及能量流向如圖7所示。
[1] 淺海月, 王海洋. AFE變頻器在船舶電力推進(jìn)電機(jī)控制中應(yīng)用的研究[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2017(08).
[2] 張志強(qiáng), 馬繼坤等. 漁業(yè)科考船電力推進(jìn)系統(tǒng)概述與分析[J]. 船電技術(shù), 2015(08).
[3] 秦琦, 王宥臻. 全球新能源(清潔)船舶及相關(guān)智能技術(shù)發(fā)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,助理工程師。研究方向:從事船舶電氣相關(guān)專業(yè)。