大功率船舶岸电电源研制

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

中图分类号：TM917 文献标识码：A

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及主要结构

2.1岸电电源的主电路原理

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。

图2 主电路原理图

Fig.2 Main circuit diagram

2.2岸电电源结构

本岸电电源采用逆变器+波形预处理器+逆变变压器结构，其结构框图如图1所示。包括交流电抗器、电子开关、IGBT整流器、直流电抗器、直流滤波器、三相桥式逆变器、校正电抗器、逆变变压器等。

图1新型岸电电源结构图

Fig.1 New Shore Power Supply diagram

在三相电源输入端加装交流电抗器，可有效改善输入功率因数，同时防止谐波电流回馈电源，尽可能使干扰降到最小；电子开关可防止刚开始对滤波电容充电时所产生的大电流冲击，对设备的器件起到有效保护作用，同时减轻对电网的影响。采用三相全桥IGBT式整流电路，输出直流电压，且使输入功率因数接近于1；直流电抗器用以保持整流电流连续性，并减少电流脉动；直流滤波器采用额定的耐压与足够大容量的电解电容器，以平滑经滤波电抗器输出的脉动直流电压，使其达到标准要求；三相桥式逆变器的工作方式是将直流电变换成交流电，整个变换过程由数字信号处理器DSP进行控制，当电网输入电压降低或负载电流增加时，SPWM波（正弦脉宽调制）就会调宽，使输出电压保持稳定；校正电抗器可以将逆变输出的SPWM波形校正为准正弦波，同时吸收逆变器所产生的各种多次谐波分量，防止逆变变压器发热；逆变变压器能将三相电压升到440V后经过波形校正电路将波形进一步校正，得到电压值为440V±2.5%，波形失真度≤5%的稳压电源。

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：

(1)

则三相电压空间矢量相加的合成空间矢量u(t)就可以表示为：

(2)

可见u(t)是一个旋转的空间矢量，它的幅值不变，为相电压峰值，且以角频率ω=2πf按逆时针方向匀速旋转，其在三相坐标轴(a，b，c)上的投影就是对称的三相正弦量。

三相逆变器的开关信号(Sa、Sb、Sc)可以产生8种基本工作状态，即：100、110、010、011、001、101、111、000。利用这8种基本工作状态可以求出对应8种输出电压状态，可分别命名为U0(000)、U1 (001)、U2(010)、U3(011)、U4(100)、U5(101)、U6(1l0)、U7(111)，其中U0、U7称为零矢量，其余六个基本电压矢量是有效的，称做非零矢量。图4给出了八个基本电压空间矢量的大小和位置。其中非零矢量的幅值相同，相邻的矢量间隔600，而两个零矢量幅值为零，位于中心。在每一个扇区，选择相邻的两个电压矢量以及零矢量，按照伏秒平衡的原则来合成每个扇区内的任意电压矢量，即：

(3)

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。

图3 八个基本电压矢量分布图

Fig.3 eight basic voltage vector distribution

图4电压空间矢量图

Fig.4 Voltage space vector

由于三相正弦波电压在电压空间向量中合成一个等效的旋转电压，其旋转速度是输入电源角频率，等效旋转电压的轨迹将是如图4所示的圆形。所以要产生三相正弦波电压，可以利用电压向量合成技术，将设定的电压向量由U4(100)位置开始，每一次增加一个小增量，每一个小增量设定电压向量可以用该区中相邻的两个基本非零向量与零电压向量予以合成，如此所得到的设定电压向量就等效于一个在电压空间向量平面上平滑旋转的电压空间向量，从而达到电压空间向量脉宽调制的目的。

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5(a)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

（a）输出三相电压波形

(b)输出波形谐波含量

图5输出电压的实测波形

Fig.5 output voltage waveform

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：

[1] 李学文，孙可平.船舶接用岸电技术研究[J],上海海事大学学报,2006,27(3):10-14

LI Xuewen, SUN Keping. On shore-side power for vessels in ports[J], Journal of shanghal maritime university, 2006,27(3):10-14

[2] 苗凤娟.防治到港船舶污染的岸电技术研究[D],上海：上海海事大学，2006

MIAO fengjuan.Research of shore power Prevention ship pollution in ports[D] ,shanghal maritime university,

[3] 常瑞增. 60Hz电子静止式岸电电源在船厂和港口的应用[J],港工技术,2004(1):8-10

CHANG Ruizeng. applications of 60 Hz electronic static shore power supply in shipyards and ports[J], engineering technology, 2004(1):8-10

[4] 郑永高.港口码头岸电系统设计探讨[J],建筑电气,2010,29(1):15-20

ZHENG Yongao.Design of shore power system in Ports[J], Building Electricity, 2010,29(1):15-20

[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

ZHANG Shaowei. research and application of SVPWM in the inverter[D], Baoding: Huabei Electric Power University,2008

[6] 周金博,章国宝.大功率岸电电源的研制[J],电力电子技术,2010,44(4):93-94

ZHOU Jin-bo, ZHANG Guo-bao.Development of the High-power Shore Power Supply[J], Power Electronics,2010,44(4):93-94