内容摘要：介绍了多电平高压变频器原理及基于该技术的船用岸电电源装置在某造船厂岸电电源中的应用情况，提出基于高压变频器技术的岸电电源装置应用于船用岸电电源的设计方案。根据设计方案建造了60 Hz岸电电源装置，经大量实验验证后，投入到修造船的用电设备输配电中。经应用实践表明，修造船厂60 Hz岸电电源采用基于高压变频器技术的岸电电源装置后，取得了很好的应用效果，同时也拓宽了多电平单元串联高压变频器的应用领域。
1 引言
我国船舶工业发展迅速，目前我国已成为世界造船大国。越来越多的国家和地区在我国的造船厂订造并维修符合其标准、频率和电压要求的各种船舶。在进行船舶修造时，船上大量设备均需要60 Hz电源供电方能正常运行。众所周知，我国工业及民用电网频率均为50 Hz，将上述设备直接接入我国电网是无法使此类设备正常运行的。通常，港口、码头及修造船厂等企业会设计专门的发电机(60 Hz)或传统变频电源变换器来为船舶提供岸电。随着科学技术的进步，高压变频技术愈加成熟，加之其能输出完美的正弦波，研究学者想到了利用高压变频器为船舶提供岸电电源并取得了很好的应用效果。
这里结合造船厂60 Hz岸电电源设计方案和应用案例，介绍了一种基于高压变频器技术的岸电电源装置。
2 设计方案
2.1 高压变频器选型
船舶吨位等级不同，船上用电设备容量也各有不同，考虑到该船厂今后的发展，高压变频器额定容量按2 800 kVA配置。以电机直接启动额定电流的7倍、“Y/△转换”启动的4倍，变频启动的1.1倍来考虑电源容量。如440 V/280 kW电动机，直接启动电流约可达2.6 kA，系统设计3.28 kA，满足需要。高压变频器的变换装置设计有一定裕量，可满足4台以内的电动机顺序启动，这为船厂以后生产大吨位船舶奠定了良好基础。
2.2 系统方案
对于大型修造船企业，其用电设备数量众多，设备容量较大。因此，供电部门送到用户端的电源电压等级一般都是高压10 kV，正是这一点，可充分发挥高压变频器“高压直接输入”的优势，而无需用户增加投资购买降压设备。
根据高压变频器的设计容量，单台变频器的最大带载能力为3.28 kA。根据船厂实际情况，特别是电源功率较大，所以采用高性能、高可靠的节能型电源方案，即用10 kV/50 Hz的电网电压经高压变频器变换后输出60 Hz正弦波电压，再经降压变压器输出三相△接法的440～470 V电压，经电容器滤波后为设备提供交流电源。降压变压器可实现60 Hz高压变频器的输出进行降压变换、隔离及滤波等功能。电容器作用有：①为降压变压器提供无功功率补偿;②对输出电压进行滤波，降低谐波污染。同时，高压变频器的输出频率可变，如有需要，可将其频率调节在50 Hz运行。
由上述分析可知，高压变频器是整个方案的核心，最为关键的设备。
3 高压变频器的组成和原理
MLVERT-D系列高压变频器是无电网污染的变频器系统，采用结构为多单元串联，输出为多电平移相式PWM方式。特别适合于港口、码头及修造船厂等船舶工业应用现场，已被广大工业用户接受并充分认可。图1示出变频器主电路结构。
该系列高压变频器运行稳定、输出正弦波形好、效率高;对电网谐波污染小，THD<4%，满足IEEE519-1992谐波抑制标准;输入电流功率因数高，无需采用功率因数补偿装置;输出波形好，不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、输出du/dt、共模电压等问题。
3.1 输入变压器
MLVERT-D系列高压变频器的输入侧隔离变压器采用移相式变压器，初级绕组为10 kV，次级绕组为三相24个绕组。每个绕组采用延边三角形接法，分成8个不同相位组，移相角分别为±3.75°，±11.25°，±18.75°，+26.25°，形成48脉波的二极管整流电路结构。每个次级绕组接一个功率单元，该移相接法可有效消除47次以下谐波。对电网谐波污染小，满足IEEE519-1992谐波抑制标准。
3.2 功率单元
电网输入的三相10 kV/50 Hz交流电经输入变压器降压后给功率单元供电，功率单元为三相输入、单相输出的交直交PWM电压源型逆变器结构，相邻功率单元的输出端串接，形成Y接结构，实现60 Hz交流电的直接输出，6 kV/60 Hz输出电压每相由8个额定电压为433 V的功率单元串联得到，输出相电压3.464 kV，线电压可达6 kV。再经降压变压器输出三相△接法的440～470 V电压，经电容器滤波后为设备提供交流电源。
每个功率单元采用电压源型结构，直流环节为滤波电容，负载设备所需的无功功率由电容提供，无需和电网交换，变频器输入功率因数高，可保持在0.96以上，无需采用功率因数补偿装置。
每个功率单元通过光纤通讯接收主控系统发送的调制信息，以产生船用负载设备所需的电压和频率，而功率单元的状态信息也通过光纤反馈给主控系统，由主控系统进行统一控制。该光纤是模块与主控系统间的唯一连接，因而每个功率单元与主控系统是完全电气隔离的。
4 实验结果
60 Hz岸电电源按照前述设计方案进行制造，其主电路系统如图2所示。可见，电网电压10 kV/50 Hz电源经过用户开关后，进入与高压变频器配套变比为10 kV/450 V的干式移相变压器，移相变压器低压侧共有24个绕组，为高压变频器逆变侧提供约450 V的电源。高压变频器得电以后，控制部分通过发出SPWM波形来导通/封锁每个模块逆变侧输出，由高压变频器采用多单元串联模式，每相采用8个模块串联，模块逆变侧输出叠加后就形成了无谐波正弦波。通过主控程序内部已计算设置的调制比，可以得到输出为6 kV/60 Hz的正弦波电压。
这就完成了由电网电压10 kV/50 Hz到高压变频器输出6 kV/60 Hz正弦波电压的转化，再在高压变频器的输出端增加一台变比为6 kV/470 V的降压变压器，就可为船舶提供岸电电源。60 Hz岸电电源输出电压uo波形如图3所示。
根据修造船时实际需要，将60 Hz用电设备接入岸电电源输出端，按照规定的操作程序，即可启动对应设备运行。同时，因高压变频器具有输出频率可调节的功能及特点，调频范围在0～200 Hz，所以这种设计方案不仅适用于60 Hz的用电设备，还可用于50 Hz的船舶修造，在应用过程中，只需将高压变频器的输出频率调整为50 Hz即可投入应用。实验结果验证了基于高压变频器技术的岸电电源这种设计方案的可行性，该岸电电源装置已于2008年正式投入运行。
5 结论
基于高压变频器技术的岸电电源装置，自2008年投运以来，运行稳定，并取得了预期效果。经过实践证明，多电平高压变频器除了可应用于传统的节能降耗行业以外，同样可应用于船用岸电电源领域。在应用过程中，也体现了基于高压变频器技术的岸电电源的优势：能为港口、码头、修造船厂提供船用静止双频(50 Hz/60 Hz)电源;与传统设计方案及设备比较，具有更高的性价比;具有50Hz/60 Hz双频率电源切换功能，可向不同制式的船舶提供岸电;与发电机比较，节能20%以上，更解决了发电机带来的噪声大、运行成本高、维修困难等诸多不便;在功能上具有更强的适用性，具有彩色人机对话界面、中文菜单显示及智能配电监控装置，可实时监控电源运行情况等。高压变频器在岸电电源中的应用，打破了高压变频器主要用于工艺控制、变频调速和节能减排的传统应用模式，是一种应用技术的创新，这种应用方式可拓宽到其他各种行业的电源领域。
