夏 群，陈雷阳，徐鹏远，夏 寅

（南京中船绿洲机器有限公司，南京 210039）

0 引言

近年来，基于高性能电力电子器件的大功率变频调速技术发展迅速，为船舶起重机系统的电气化提供了可靠基础。然而，传统变频器大多采用二极管或可控硅整流，给船舶电气系统带来以下2个问题。传统变频器谐波含量较大，严重影响了船舶电气系统的电能质量。同时，在电动起重机起升机构和变幅机构下降作业过程中，传统变频驱动控制往往采用电阻能耗制动控制，无法实现发电状态再生能量回收利用，从而造成能源浪费。针对上述问题，本文将对AFE技术开展分析，并将其纳入到船舶起重机系统应用研究范畴，为其在船用电动甲板起重机电气系统中谐波抑制和制动能量回收方面的应用提供思路。

1 A FE原理和性能

1.1 AFE原理

主动前端（Active Front End，AFE）相较于

常规的二极管或可控硅整流技术而言，具备很多主动的控制功能，不再是被动完成整流过程。主动前端技术的使用，不但能消除诸多高次谐波，显著地提高功率因数，还不受电网波动的影响，具备卓越的动态调整特性。

基于AFE 技术的变频驱动系统，其基本结构如图1所示，主要由输入电抗器、自换相可控整流器、电容滤波器和电压型PWM 逆变器等组成。从结构上来看，由于采用了大功率全控式电力电子器件IGBT，该系统既可作为整流器，又可作为逆变器，可实现能量的双向流动控制。其运行状态有2种：1）电网能量由电网侧流向直流母线侧；2）产生的再生能量从直流母线侧回馈到电网侧。

图1 基于AFE 技术的变频驱动系统结构图

式中：L为电网侧滤波电感；R为电网侧等效电阻；C为直流母线电容；Vdc为直流母线电压；Va、Vb、Vc分别为网侧三相电动势；ia、ib、ic分别为输入AFE的三相电流；Sa、Sb、Sc分别为AFE的三相开关函数。

通过一定的控制算法对AFE的三相开关进行控制，可以使AFE运行在以下2种状态：

1）电动工作模式。能量流动方向为电网侧至电动机负载。

2）发电工作模式。电动机产生再生能量，能量流动方向为电动机负载侧至电网侧。

如图2所示，AFE的工作原理可简述为：电动工作模式下，电网侧供给AFE单元交流正弦波，经滤波、整流后输出直流电压，通过直流母线保持所要求的电压值；发电状态下，直流母线电压升高，AFE单元将直流电压逆变为交流电压，经滤波消谐反馈至电网。

图2 AFE 工作原理流程图

非线性用电设备产生的谐波，正弦电压施加于非线性负载，基波电流发生畸变使得谐波电网品质变坏，波形失真增大，频率偏离标称值，将使电网负担加重，可用容量下降。高次谐波可能引发电压谐振，造成线路过电压等危害。

对于电网损耗而言，不平衡与谐波同时存在所产生的附加损耗大于二者单独存在时对电网产生的附加损耗之和，而且随着不平衡与谐波含量的增加，其正相关特性将越来越显著。电流不平衡程度则从侧面反映了系统损耗的增加。电网中谐波不仅增加系统损耗，还会危及网络中的设备寿命及系统安全。

1.2 传统整流的性能对比

AFE整流单元滤波电路有效消除各次谐波，与传统6脉、12脉整流相比具有更加平滑优质的正弦波形，见图3。

图3 整流单元电路与整流波形对比

AFE整流单元与普通二极管整流单元最大的区别是AFE的整流部分采用斩波方式，AFE整流在换相豁口、谐波、电源波动等多个方面都有明显的优势，具体如表1所示。

表1 AFE 整流与常规整流技术性能对比

整流技术的控制策略主要分为2种，即电流和功率控制。电流控制主要分为间接电流控制和直接电流控制，都是对AFE整流的交流侧电流进行控制，从而控制其有功功率、无功功率和功率因数。功率控制则是从能量的角度出发，在交流电压一定的情况下，通过控制AFE的瞬时有功功率和瞬时无功功率，间接控制瞬时电流。功率控制的主要方式有开关表式直接功率控制和固定开关频率直接功率控制，具体如表2所示。

表2 AFE 整流技术的控制策略

2 西门子AFE技术

2.1 控制单元的组成和功能

如表3所示，西门子AFE控制单元由有源接口模块与有源电源模块共同组成。有源接口模块，即滤波模块，具有基本干扰抑制功能，保证电源清洁输入，配备有预充电回路、电源电压测量装置和监控传感器，通过清洁输入滤波器可以最大程度地抑制电源谐波。

有源电源模块是受控的整流/回馈装置（整流和回馈均采用IGBT元件），可产生一个可控的直流母线电压，电压值为额定电压的1.5倍，与电源模块相连的逆变模块可以与电源电压隔离，进而隔离了电网对电机电压的影响，提高动态性能，并改善了控制性能。

AFE电源模块的回馈功能可以将电机端再生电源经过清洁处理反馈至电网，在位能负载下降和制动时较大程度地节约能源。此外，AFE电源模块还具有无功功率补偿的功能，可连接到TN/TT和浮地IT电网。

表3 西门子AFE 控制单元的组成

西门子AFE能将直流母线电压保持一个恒定值，不仅能够作为整流器工作，还可作为逆变器进行工作，为电源侧的4象限运行。通过恰当的SPWM模式，能够规避可控硅类功率元件在整流/回馈时因电网侧故障而发生的整个单元逆变失败现象，从而大幅提高交流-直流环节的可靠性。通过控制交流电流的幅值和相位，经前端的波和储能环节使交流输入电流接近正弦波。不断调整功率因数，并以1为中点进行调节。在电机侧的制动能量通过逆变单元返回直流母线，直流电压升高时，控制交流输入电流的相位与电源电压相位，使两者相反，进而达到再生发电运行状态，并将再生能量回馈到交流电网中；斩控整流器这时工作在有源逆变状态，对供电侧的功率因数进行有源补偿。因为直流母线电压能够在一定范围内设定稳压值，所以AFE整流器补偿电源电压偏低的能力很强，特别适合于供电侧电压长期偏低的情况。

西门子AFE变频技术不仅可以完成直流母线侧的能量再利用，还能将直流侧多余的电能逆变到电网上，回馈过程中能够消除高次谐波，提高功率因数，无需因大功率设备而增设无功补偿装置，再生能量可以清洁高效回馈电网，避免对船舶电网产生污染，而且不受电网波动的影响，具有稳定的直流母线电压和卓越的动态特性。

2.2 谐波总量指标

基于西门子S120系列变频器构建的AFE多传动变频驱动系统，在弱电网系统中的电流谐波总量不超过2.6%，电压谐波总量不超过2.3%，满足船级社规范指标要求。见表4。

表4 西门子AFE谐波含量

3 西门子AFE 技术在电动甲板起重机中的设计思路

AFE技术在船舶领域的应用，按深度可划分为3个等级：单设备级、群设备级和系统级，其中又以前2种在船上获得的应用较多。从电网的角度而言，不同级别的应用对于电网构成的影响度是不一样的，设备级应用仅牵涉到电网的局部配置，而系统级应用则直接决定了电网构型。对应于上述3类应用，AFE配置方案有单整流单驱动型、单整流多驱动型和多整流多驱动型等3种，后2种构型利用了公共直流母线技术。从电力分配的角度而言，共直流母线的优点在于构建了一个共享的电力生态链，每个逆变单元所承载的负载能够共享直流母线的功率容量，并且各负载之间可以依托共直流母线而实现能量的相互流动和再次分配，进而减少有源前端和前置滤波器的数量，降低制动电阻的容量配置，能够弥补起重船内部空间紧凑的缺点。本文以西门子AFE技术为例，结合某型电动甲板起重机项目应用进行探讨。

3.1 某型电动起重机主要控制要求和技术参数

电动甲板起重机主要由起升、变幅和回转3大机构组成，各机构均以变频电机作为动力源，驱动起升、变幅和回转机构实现无级变速运行。主要配置为：起升电机1台、变幅电机1台、回转电机3台。所有电机电制为3相380 V/50 Hz，配备冷却风机、热敏电阻和速度编码器。

1）根据电机和起重机总体功率分配，将AFE配置方案定为单整流多驱动型。装置型有源电源模块1只、有源接口模块1只，均通过DriveCliQ与CU320控制模块形成数据通讯。构建AFE变频驱动系统拓扑结构，如图5所示。

2）起升机构选择相匹配的装置型单轴电机模块1只，变幅机构选择相匹配的装置型单轴电机模块1只，回转机构选择书本型单轴电机模块3只。各电机模块通过DriveCliQ与CU320控制模块形成数据通讯，如图3所示。

图5 AFE 变频驱动系统拓扑结构

在电动运行状态下，系统由电网供电，AFE作为整流单元输出直流电源为电机模块供电，电机模块作为逆变单元输出近似正弦交流电驱动电机工作；在发电运行状态下，电机模块作为整流单元，反向输出直流电压，使得母线电压升高，形成再生能量，可为母线下其他做电动运行的电机提供电源，同时AFE作为逆变单元，将剩余的再生电源清洁处理后回馈至电网。

4 结论

AFE技术在电机应用场景中节能与抑制谐波的特性，满足电动甲板起重机高效、节能这2个主要性能指标。AFE技术对具有较大转动惯量的电动机系统而言，不仅能够提升其运行性能，还降低电动机的运行温度，延长其使用寿命，实现能量回收，避免因电阻能耗制动对环境产生热污染。船舶电网属于小电网系统，电网容量较小，对大功率设备产生的谐波畸变率要求较高，需充分匹配适用。AFE技术对谐波的抑制特性也使得电网电能质量得到改善，减少对电网中其他设备的影响。本文从AFE的基本结构和原理切入，总结了AFE的多种优点，并以西门子AFE为应用实例，提出了AFE技术在电动甲板起重机应用中的一种设计思路，为AFE技术的进一步推广提供有效参考。