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船舶岸电工作环境下高频变压器潜在问题分析 张 勇，孔德楷，王慧荣（青岛前湾集装箱码头有限责任公司，山东青岛 266520）摘要：由于船舶用电通常使用的电压与工业用电电压不一致，码头上需要配置高压岸电电源变频系统，将 10 kV/50 Hz 工业电源转换成 6 kV/50 Hz 及 6.6 kV/60 Hz 船用电源用于集装箱船舶靠泊期间用电。然而，在高频条件下经过变频处理的电流变压的高尖峰值、波形畸变和激磁涌流等问题会造成大功率用电设备投入和切断时间的不确定性，合闸产生的冲击电压造成电压波动，这让港口方、船方均承担较大的安全责任风险，影响船舶岸电系统的使用和推广。针对该问题，本文首先提出针对高压岸电电源变频系统中变压器的改进模型，再建立高频下考虑寄生参数的高压岸电电源变频系统中变压器模型，分析高压条件下改进模型的增益、功率器件的电压/电流应力、变换器损耗和效率等方面是否符合使用要求。关键词：高压岸电电源变频系统；船舶岸电；改进优化；模态分析；工作特性分析 中图分类号：TM46 文献标识码：A 文章编号：1004-9592（2023）04-0030-06 DOI:10.16403/ki.ggjs20230407 Analysis of Potential Problems of High-frequency Transformers in the Working Environment of Ship Shore Power Zhang Yong,Kong Dekai,Wang Huirong（Qingdao Qianwan Container Terminal,Qingdao Shandong 266520,China）Abstract:As the voltage usually used for ship electricity is inconsistent with the industrial electricity voltage,the terminal needs to be equipped with a high-voltage shore power frequency conversion system to convert 10 kV/50 Hz industrial power into 6kV/50Hz and 6.6 kV/60 Hz marine power for container ships.However,under high-frequency conditions,the high spike peak of current transformer,waveform distortion and excitation inrush current after frequency conversion treatment will cause uncertainty in the input and cut-off time of high-power electrical equipment,and the impulse voltage generated by closing will cause voltage fluctuations.The shipowner bears a greater risk of safety responsibility,which affects the use and promotion of the ships shore power system.In response to this problem,this paper first proposes an improved model for the transformer in high-voltage shore power supply frequency conversion system,and then establishes a high-voltage shore power supply frequency conversion system model considering parasitic parameters at high voltage,and analyze whether the gain of the improved model under high-voltage conditions,the voltage/current stress of the power device,the loss and efficiency of the converter,and other aspects meet the requirements for use.Key words:frequency conversion system of high-voltage shore power supply;shore power for ship;improvement and optimization;model analysis;working behavior analysis 引引 言言 传统的集装箱船舶装卸作业时，为了维持船上的大功率机泵运作和船装载的冷箱等用电设施的供电，燃油发动机必须维持运行。此时的柴油收稿日期：2021-12-7 作者简介：张勇（1978-），男，本科，高级工程师，主要从事港口信息化建设等工作。301Port,Waterway and Offshore Engineering 发电机燃油利用率不高、损耗严重，消耗了大量的能源，同时柴油的不充分燃烧引发的污染问题也给环境保护造成了困扰，这也不符合国家建设绿色港口，改善港区环境的发展方向2-3。长期以来青岛港始终坚持绿色、可持续的发展理念，响应国家的“二氧化碳排放力争于 2030年前达到峰值，努力争取 2060 年前实现碳中和”号召，在港口的范围内，积极推广使用船舶岸电系统、基于本码头停靠船舶的需求情况对于有需求的船舶采用高压上船的方式为集装箱船舶在靠泊卸载时提供电力供应，在关闭船上柴油发动机的前提下为船舶大功率机泵及其它用电设备提供可靠的支撑保障。这一措施不仅能够减少船舶使用柴油，避免了停泊过程中柴油利用率不高、损耗严重的问题，还是实现节能减排的重要技术，是建设“绿色港口”的重要措施，具有重大的社会效益和经济效益1。然而，高压船舶岸电也存在着一些使用方面的潜在问题。根据本码头船舶供电实际生产工作需求，码头上需要配置安装一套输出容量不小于 5 000 kVA岸电供电系统，将 10 kV/50 Hz工业电源转换成 6 kV/50 Hz及 6.6 kV/60 Hz船用电源用于有高压供电需求的集装箱船舶靠泊期间用电。让船方存在疑虑的还有岸电上船的安全性问题。大功率用电设备投入和切断时间的不确定性，合闸产生的冲击电压造成电压波动，这让港口方、船方均承担较大的安全责任风险4-5。从 2017 年到现在全国大概发生了数十起故障，导致船上电路跳闸或电机损坏，这些问题影响着船舶岸电的使用和推广。高压工况下会导致器件应力和增益的急剧恶化，对电路可靠运行带来很大挑战，需要考虑高压下工作条件对原有的高压岸电电源变频系统进行针对性的改进和优化6-7。基于此，本文首先根据船舶岸电的问题提出改进需求，针对需求对高压岸电电源变频系统进行电路优化改进，建立高压下的考虑寄生参数的高压岸电电源变频系统中变压器模型，根据潜电路分析法提出考虑寄生参数的潜在的电路模态8，分析高频条件下寄生参数对增益、功率器件的电压/电流应力、变换器损耗和效率等方面的影响9，对改进优化后的高压岸电电源变频系统高频下的增益和开关应力等性能进行了评估10-11，量化优化后的高压岸电电源变频系统电路工作特性是否满足工作需求。1 船舶岸电存在的问题分析船舶岸电存在的问题分析 图图 1 高压岸电电源变频系统示意图高压岸电电源变频系统示意图 如图 1 所示，高压岸电电源变频系统主要包含了开关柜、变压器及其变频电源等装置，其他辅助装置是高压输出开关、控制系统、保护系统、连接等辅材，输入 10 kV/50 Hz交流电源，经高压岸电电源变频系统变频变压输出 6.6 kV/60 Hz。目前高压岸电电源变频系统需要考虑的主要问题有：1）大容量变压器空载投切，投切的激磁涌流为变压器额定电流的 68 倍，若不处理，将会对岸电电源造成巨大冲击，直接影响电源系统安全；2）在并网过程中和解列的过程中，存在电网的电压波动和波形振荡现象，可能会出现逆功率现象，若逆功率过大可导致全船失电；3）船上的发动机停止后船上用电设备的负载用电需求将会直接加在高压岸电电源变频系统上，这对变换器的增益提出了要求，若增益过低瞬时功率过小可能导致船上失电。高压岸电电源变频系统存在的主要问题可以总结为电压增益问题、电压波形畸变问题和接电冲击过大问题。针对上述问题本文提出的优化方案如下：1）针对电压增益不足的问题，使用双管高增益变换器代替原有的 Boost 变换器。传统的 Boost变换器在使用过程中通常存在以下问题：开关管和二极管的电压应力较大；开关损耗和二极管反向恢复损耗较大，导致变换效率低；31 dv/dt较大，产生严重的电磁干扰（EMI）；输入电压抗干扰能力差，动态性能差。这体现出了 Boost 升压变换器的局限性，更换双管升压变换器后虽然也会因为寄生参数的影响导致增益下降但是相对下滑较小，性能较为稳定。双管升压变换器通过开关 S1 和 S2 的同步通断，实现了两个电感的并联充电和串联放电。与Boost 变换器相比，该变换器开关电压和电流应力低，可以获得更高的增益。相比传统的 Boost 变换器，双管升压变换器可以获得更高的增益，有效地降低开关管的电压/电流应力。2）造成接电瞬间冲击过大问题的原因是瞬间功率提升过快，通过并联电容可以提供感性负载所消耗的无功功率，减少了电网电源向感性负荷提供、由线路输送的无功功率，由于减少了无功功率在电网中的流动。因此可以降低线路和变压器因输送无功功率造成的电能损耗。考虑在变换器的两端接入大的滤波电容来降低冲击的影响，起到削峰填谷的作用。3）针对波形畸变和震荡的问题。在实际运用中，几乎所有的电力电子器件和装置都是非理想的。理想的电力电子模型在实际电路的基础上做了各种简化，但实际应用中的功率开关管通常包含了寄生电容、寄生电感、寄生电阻等多个寄生元件。在高压条件下的器件寄生参数影响变得更加明显，寄生参数导致的感容谐振使得波形出现振荡和畸变。针对该问题本文在后续分析中建立考虑寄生参数的模型，并且通过串并联电容/电感的方式减弱影响。本文基于目前青岛港实际生产使用的变频器系统通过替换变换器，增加滤波电容，增加串并联电容/电感的方式改进原系统电路，后文将针对这些器件建立电路模型，并且针对改进电路进行电路特性分析，保证改进后的高压岸电电源变频系统更加符合实际工作生产的需求。2 优化后高压岸电电源变频系统优化后高压岸电电源变频系统 为了方便分析，通常将高频下线路中器件非理想模型是将寄生参数等效为相应的寄生元器件，从对增益和应力影响程度的角度出发，对于双管升压变换器电路中的主要元器件考虑如下的寄生参数：1）电感：由于绕组间的静电效应，电感元件两端存在明显的寄生电容，与电容元件类似，实际的电感除了基本的电感特性之外，还具有由绕组引起的非零直流电阻（DCR）特性。这使得当电流流过电感元件时，会产生一定的损耗。其中寄生电阻会影响输出电压的数值从而对变换器的增益产生影响，属于本文考虑的范围；寄生电容的数值常为 nF 级，开关工作频率内依然呈现为电感性质，本文忽略电感的寄生电容。对于电感L1，L2仅考虑其寄生电阻 RL1，RL2。2）对于二极管来说，由其输出特性可知，其导通时等效为一个电阻与一个理想的二极管串联，但还要考虑在 PN 结附近，由空间电荷区的不可移动电荷与中性区一起构成的等效寄生电容。对于二极管 D 本文考虑其寄生电容 CD。二极管的寄生电阻并入与其串联的电感寄生电阻中考虑，减少参数数目方便计算。3）对 MOSFET 来说，Cds1，Cds2为漏源极之间的极间寄生电容，Ld_in和 Ls_in为漏极和源极的寄生电感，Rs，Rd为开关管外部等效寄生电阻，Ld_ex和 Ls_ex为开关管外部等效寄生电感。驱动电阻 Rg由于其数值较小且对变换器的影响主要体现在对驱动波形的影响。考虑寄生参数后各部分模型如下图 2所示。（a）开关管寄生等效示意图 （b）升压变换器寄生等效示意图 图图 2 考虑寄生参数的优化后高压岸电电源变频系统考虑寄生参数的优化后高压岸电电源变频系统 32 高压岸电电源变频系统输出的交流正弦波电源应当符合国内外对应电能质量的相关标准、（船用）电能质量标准和符合国内外对应逆变变换后电能质量的相关标准。交流正弦波电源应该符合上述标准对于电压偏差、电压波动、频率偏差、谐波电流限制和抑制对电网的干扰能力等的要求。结合上述标准本文对改良后的高压岸电电源变频系统输出提出如下标准：输出频率误差0.1 Hz，稳定度 0.1%（0100%负荷变化时输出频率不变）。电源输出电压稳压率（0100%负荷）：静态 1%，动态5%过载能力，输出电压波形总谐波失真度：输入电流畸变 THD 3%，输出电压谐波 THD 3%。UgsmTsUCdsmax(Uo+Ui)/2US1,US2iL1,iL2UD1,UD2 tontofftrUCdsp-pUCdsmintDCM（m+1）Ts 图图 3 优化后模型一个周期内波形示意图优化后模型一个周期内波形示意图 从图 3 的波形示意图中可以看出来，虽然改进后的高压岸电电源变频系统的波形有了一定的优化，但是是否符合实际工作需求还需要进一步详细分析。3 数值实验数值实验 3.1 符号说明符号说明 为方便阅读，将后文用到的符号进行统一解释：URs为 Rs的端电压；URd为 Rd的端电压；ULs为 Ls的端电压；ULd为 Ld的端电压;UCds为 Cds的端电压，其中 UCdsmax为 Cds的端电压在一个工作周期内能达到的幅值最大值，UCdsmin为 Cds的端电压一个工作周期内能达到的幅值最小值，UCdsp-p为Cds的端电压峰峰值;UCD为 CD的端电压，其中UCDmax为 CD的端电压一个工作周期内能达到的幅值最大值，UCDmin为 CD的端电压一个工作周期内能达到的幅值最小值。IR为 Rs的电流；IRd为 Rd的电流;ILs为 Ls的电流；ILd为 Ld的电流；ICds为 Cds的电流。3.2 高压状态下电路模态一分析高压状态下电路模态一分析 图图 4 高压条件下的模态一高压条件下的模态一 模态一，开关管 S1，S2 在 ton 时刻关断，电感电流 iL 从开关管 S1，S2 转向流经二极管 D 能量传递到负载端。在 ton 时刻，CD01 两端电压从UCDmin 增大到 UCDmax，Ce1，Ce2 两端电压从UCdsmin 增大到 UCdsmax，并与电感和电路寄生电容发生谐振。可得状态方程如下：12e212e21112e112e1221maxmax1()()max1112e2()()max2212e12111112LLLLononDLLLLononDeDdsppdRRRRRRt tt tioCLLLLLLRRRRRRt tt tioCLLLLLLCCoCCeeU U UiI eeRRRU U UiI eeRRRUUUUUL C，2 maxmax2maxe maxminmin2222222eDsppDDeCCoeeoiCLCLsoiCLCLsUUUL CU U UdiUi RLdtU U UdiUi RLdt （1）其中的参数表示如下：111222112211221122121122122 12 1edsedsgsgdgsgdedsedsgsgdgsgdeoeoeeeoeoLLLLLLC CCCCCCCCCCCC CC CLLCCCC，（2）3.3 高压状态下电路模态二分析高压状态下电路模态二分析 图图 5 高压条件下的模态二高压条件下的模态二 33 模态二，达到 toff时刻，电感电流从原来的减小的情况由于寄生参数的充放电进入增大的阶段，寄生电容与电路中的电感发生感容谐振现象，其等效电路如图 5 所示，可得潜在模态二的状态方程如下：1maxx1()1111221maxx2()22212121()max111sin()(+)sin()(+)()cos()sin()DoffDoffoffDDioCt tLoffeqioCt tLoffeqt tCioCoffoffU U Uiet tLLLLU U Uiet tLLL LUU U Uet tt t （3）其中的参数表示如下：1e12e212122211221e12e21122222111112222221111111111222222222211(+C)(+C)()()()(LLDDrDerDeeeDoDeoorqreeDoeDoreeDeeDoDeqRRRRLLL CL CCCCCCCL C CRCCCC CLCL C CRC CCCL C CL C CRCCCL，222222222222222222)()()oorreeDoeDoreeDC CCL C CRC CCCL C C （4）由分析可知，CD 在 toff 时刻两端电压达到了最大值 UCDmax，CD 在 tDCM 时刻放电至最小值UCDmin，代入前面得到的 UCD 的表达式中求得：1111minmax1max1()2()(1)DDDCioioCoeCioeDUUUUUUeU CUUUeCC （5）由以上对电路的分析可知，在高压条件下由于寄生电容的存在会使得电路中出现感容谐振的现象，谐振的出现将会导致变换器的输出增益、开关器件的应力大小和器件损耗的数值出现变化，下文对工作特性进行分析。4 数值实验数值实验 4.1 优化电路与原电路输出增益的对比优化电路与原电路输出增益的对比 根据伏秒平衡原理以及模态一中的电压与开关管和二极管的电压之间的关系可以得到考虑寄生参数变换器的输入电压与输出电压关系解得：2/minmaxo()112()+1D fsSdLs eiSdLsDCDCDRRReDfLURRRfC UURMD （6）由以上分析可知，理想工作状态下变换器的输出增益为一个恒定值；考虑高压条件下器件的非理想模型时，受电路中的寄生参数的影响，变换器的输入电压与输出电压的关系不再是一个恒定值，输出增益将会因为寄生参数 CD，Cds，Rd，RL 的数值增大而降低，随着寄生参数的增大和输出功率的提升，变换器增益下降明显。优化前后的高压岸电电源变频系统的增益对比如下图 6 所示。由于实验条件没法达到 6 kV 的工作条件，本文的实验平台运行工作点数据为：Ui=30 V，Uo=200 V，Po=200 W，D=0.74，Fs=200 kHz。本文中的参数在实验室中经过测试和选择如下：升压变换器的磁芯的横截面积A=2.219 cm2，L=240 uH，Idc=6.3 A，Ipk=7.5 A，磁导率选择为 60 u，有效磁路 le=19.61 cm，窗口面积 W=18.06 cm2，体积 Vcore=43 cm3，电感的匝数为 59 匝。对于缓冲电容的选择，实验条件下选择 250 V/470 uF 电解电容满足要求。由于电解电容在高频条件下性能较差，实验时，为了减小寄生参数影响，采用电解电容并联一个寄生电阻较小的 630 V/1 uF 的 CBB 电容的方式减小谐振带来的波形畸变，其寄生电阻为 46 m。通过参考上述参数计算可得优化前后的高压岸电电源变频系统的增益对比如下图所示。从对比图中可见从增益方面来说，虽然随着功率的提升增益都会衰减，但是优化后的高压岸电电源变频系统增益衰减较为缓慢，在高压条件下能更好地保持住高电压增益的特性，满足高电压的需求。图图 6 电压增益对比图电压增益对比图 4.2 优化电路与原电路开关应力的对比优化电路与原电路开关应力的对比 本文的实验平台运行工作点数据为：Ui=30 V，Uo=200 V，Po=200 W，D=0.74，Fs=200 kHz。下图中图 7 为优化前高压岸电电源变频系统的开关管电压、二极管电压和输出电流的波形图，图 8 为优化后高压岸电电源变频系统的开关管电压、二极管电压和输出电流的波形图。34 t(2.50us/每格每格)UCds1(60V/DIV)UCds2(40V/每格每格)（a）开关管输出电压波形 （b）二极管输出电压波形 （c）输出电流波形 图图 7 优化前高压岸电电源变频系统波形优化前高压岸电电源变频系统波形 （a）开关管输出电压波形 （b）二极管输出电压波形 （c）输出电流波形 图图 8 优化后高压岸电电源变频系统波形优化后高压岸电电源变频系统波形 从上述的实验波形图中可知，电源输出电压稳压率动态约为 3.76%，输出电压波形总谐波失真度：输出电流畸变 THD2.78%，输出电压谐波THD2.92%。可见优化后的高压岸电电源变频仿真系统的输出指标均符合高压下的升压工况需求。5 结结 语语 根据本码头船舶供电实际生产工作需求，码头上需要配置安装一套输出容量不小于 5 000 kVA岸电供电系统，将 10 kV/50 Hz工业电源转换成 6 kV/50 Hz 及 6.6 kV/60 Hz 船用电源用于集装箱船舶靠泊期间用电。高压工况下会导致器件应力和增益的急剧恶化，对电路可靠运行带来很大挑战。基于此，本文首先根据船舶岸电的问题提出改进需求，针对需求对高压岸电电源变频系统中变压器进行电路优化改进，针对电压增益不足的问题，使用双管高增益变换器代替原有的 Boost 变换器。针对接电冲击过大的问题，考虑在变换器的两端接入大的滤波电容。针对波形畸变和震荡的问题，通过串并联电容/电感的方式减弱影响。（下转第 40页）35 停锤导致的后续打桩困难；2）对于粉质黏土占比较大的场地，粉质黏土的承载力应被充分评估。采用砂土中承载力恢复的计算公式得到的承载力数值偏小；3）提出了采用设计承载力进行承载力恢复评估的方法，该方法对砂土和黏土层进行了划分，相比于利用打桩结束时的承载力评估承载力恢复的方法，利用设计承载力进行评估，方法更为简单。与本文的反分析结果相比，该方法的计算结果具有一定的精度。参考文献参考文献:1 张万鹏.浅谈钢质桩基式导管架的海上安装及注意事项J.中国海洋平台,2008,22(4):52-56.2 秦伟.海上风电大直径开口钢管桩锤击贯入过程研究D.南京:东南大学,2020.3 戴东鹰.海上风电大直径单桩基础承载力时效性研究J.中国水运,2021,21(09):138-140.4 胡兴昊,王幸,娄学谦,等.海上复杂地质条件下大直径钢管桩时效性试验研究J.海洋工程,2019,37(01):93-100.5 刘俊伟,张明义,寇海磊.开口管桩竖向承载力时间效应研究J.岩土力学,2012,33(1):117-122.6 刘剑涛,李飒.海洋平台大直径钢管桩打桩过程有限元分析研究J.海洋工程,2015,33(06):90-94.7 钟世心,胡兴昊,桑登峰,等.大直径钢管桩承载力时间效应现场试验研究J.中国港湾建设,2016,36(06):44-47.8 SKOV R,DENVER H.Time-dependence of bearing capacityof piles C/3rd International Conference on the Application of Stress Wave Theory to Piles.Ottawa,Bi-Tech Publishers,1988,879-888.9 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页）最后本文建立高压下的考虑寄生参数的优化后高压岸电电源变频系统模型，分析其工作特性后得出结论，本文提出的高压岸电电源变频系统优化方案在实验条件下能够更好满足性能需求，更加适应港口的绿色建设大方向。参考文献：参考文献：1 Tang,Y.;Kong,D.;Tong,H.Analysis of Symmetric Dual Switch Converter under High Switching Frequency Conditions.Electronics 2020,9,2183.2 谭凤,马小江,李大功,李元青.绿色港口规划设计思路J.水运工程,2021,(10):104-110.3 缪新招,黎洪光,彭灵利,黄雅莉,刘丹,李冠发,李美依,黄文焘.基于虚拟同步机技术的船舶岸电电源控制策略J.港工技术,2019,56(06):62-66.4 孔德鹏,孙秋萍.京唐港首钢码头船舶岸电系统供电设计J.港工技术,2017,54(02):61-63.5 陶伟,张嵩云,林星铭,吴激扬,黎开波.港口大型桥式起重机海上运输及现场安装方式探讨J.港工技术,2021,58(05):50-53.6 黄阳强,许建平,殷刚,马红波.准谐振软开关双管反激变换器J.电工技术学报,2018,33(18):4313-4322.7 刘鹏宇.磁集成开关电感改进型 Boost-Sepic 变换器研究D.沈阳:辽宁工程技术大学,2018.8 陈爽.计及寄生参数的高频功率变换器能效分析与研究D.广州:华南理工大学,2014.9 阮新波.脉宽调制 DC/DC 全桥变换器的软开关技术M.北京:科学出版社,2013.10 K.Shi,D.Zhang,et al.,A Novel Phase-Shift Dual Full-Bridge Converter With Full Soft-Switching Range and Wide Conversion Range.in IEEE Transactions on Power Electronics,vol.31,no.11,pp.7747-7760,Nov.2016.11 闫超前.含耦合电感高增益 DC/DC 变换器拓扑研究D.北京:中国矿业大学,2019.40