船用直流組網技術比較

徐　碩，烏云翔（.大連測控技術研究所，遼寧　大連 603；.山西汾西重工有限責任公司，山西　太原 03007）

船用直流組網技術比較

徐碩1，烏云翔2
（1.大連測控技術研究所，遼寧大連 116013；2.山西汾西重工有限責任公司，山西太原 030027）

全電力推進系統相對于傳統推進系統具有明顯優勢，是目前船舶推進技術的研究熱點之一。全電力推進技術正在經歷由交流組網技術向直流組網技術過渡的過程。在比較直流組網技術相對于交流組網技術的優勢后，詳細介紹目前幾種流行的已經得到實船驗證的直流組網技術路線，并對其異同點進行比較。分析結果表明，直流組網技術明顯優于交流組網技術，不同的直流組網技術路線本身也會對系統的性能產生巨大的影響，特別是異步發電機+全控整流器的方案相對于其他的直流組網技術路線具有明顯的優勢。

全電力推進；交流組網技術；直流組網技術

0　引 言

傳統的船舶推進采用的是柴油機通過齒輪箱驅動螺旋槳的方法，這種方法有軸系布置困難、驅動性能較差、人工操作要求高和噪聲較大等缺點［1］。近年來，隨著電力電子技術和自動控制技術的發展，全電力推進系統成為了可能，也逐漸得到廣大海洋工程領域的學者和科技工作者的重視［6］。

全電力推進系統也稱綜合電力推進系統，是采用電動機帶動船舶螺旋槳旋轉，以發電機、變頻器和電動機為核心的推進系統。全電力推進就組網方式有 2個發展階段：第1階段采用交流組網技術，這是因為相比于直流發電機，交流發電機沒有碳刷和滑環，可靠性更高。但是交流組網技術并車相對復雜，整個電網中具有無功功率流動，并且整體占體積仍然較大；從 2010年開始，整個行業逐漸從交流組網技術逐漸過渡到了第2個階段，即更為先進的直流組網技術。直流組網技術仍然采用成熟可靠的交流發電機組，但是采用電力電子設備將發電機組通過整流組成一個直流船用電網。

目前采用直流組網技術的包括歐洲的創新技術公司及電氣制造商，其直流組網技術既有共通性，也有區別。本文將就這些技術上的特點進行詳細探討。

1　交流組網技術和直流組網技術比較

1.1交流組網技術

以 1個 4 發電機組系統為例，采用傳統的交流組網技術的單線圖參見圖1。

圖1　傳統的交流組網技術Fig.1　System based on AC grid

可以看到，交流組網技術和普通的陸用組網系統一致，區別僅在于交流電源的輸入不是固定的電網，而是由若干柴油機組通過配電板組成的弱電網。由于各個發電機的頻率必須一致，所以船用電站的頻率和幅值是固定的。

在不同的發電機組互相之間需要一個并網開關，配電板在保證交流電壓頻率、相位和幅值都相等的前提下，才能閉合開關，實現機組的并網（增機）。

為實現對于推進器的調速功能，通過一個交-直-交變頻器（交-直部分稱為整流器，恒定的交流電壓變換成直流電；直-交部分稱為逆變器，將直流電再變換成交流電），將恒定的船用電站頻率轉化成可調的頻率，驅動推進器。為實現電氣上的隔離，需要在變頻器的輸入側增加一個變壓器。

從交流配電板上分出變壓器給 220 V 船用用電設備提供電源。

1.2直流組網技術

以 4 發電機組系統為例，典型的直流組網系統的單線圖參見圖2。

圖2　創新的直流組網技術Fig.2　System based on DC grid

直流組網系統具有以下特點：

1）盡管整個系統的組網方式是直流電網，但發電機組仍然是交流發電機組，分別通過整流器將交流電壓變換成直流電壓，組建一個直流電站。驅動系統也仍然是傳統的逆變器，即將直流電壓轉換成可變頻率的交流電壓驅動交流電動機。這樣充分利用了交流電機的高可靠性。從另一種角度來說，圖1中的交-直-交變頻器的交-直整流器轉移到發電機側，經過整流后將直流母線作為公共連接點，以取代原有的交流發電機側的交流母線公共連接點。

2）直流電網的連接不存在頻率和相位的匹配，因此不需要傳統的配電板進行相關的控制，所以可以去除發電機組之間的交流并網開關，甚至整個交流配電板。

3）所有的發電機組通過整流模塊和直流電網相連接，因此理論上每 1 組發電機組可以工作在不同的轉速下，這樣顯著增加了系統的靈活性。

4）直流電網不能直接通過變壓器給船用 220 V 負載提供電源，而是需要一個逆變器將直流母線轉換成交流電源，然后連接變壓器給負載供電。由于逆變器采用正弦波濾波器，輸出電壓的波形質量比傳統交流發電機所產生的電源更為清潔，引入的諧波污染更小。

交流組網系統還具有以下顯著優勢：

1）直流組網系統中的柴油發電機組可以根據不同的負載條件調整轉速，以保證系統工作在最優的能耗曲線上，這樣可以提升整體系統的效率，降低能耗和排放。相對于傳統的交流系統組網技術，一般認為整體效率可提升 20％ 左右［2-3，10］。

2）降低了柴油發電機組的維護成本，延長了柴油發電機組的壽命［3］。

3）由于省去了配電板和部分變壓器，整個系統的體積和重量都會大大降低，相對于傳統的交流系統組網技術，一般認為可節省 30％ 左右［9］。

4）直流母排和各種儲能設備（例如電池組和超級電容等）具有天生的兼容性。如果采用儲能設備，可以更好地實現特殊工況下的低噪音操作。實現進一步的節能［9-10］。

就適應的船舶類型而言，直流組網技術適合對設備體積、占地面積和重量敏感的船舶，以及工況負載多變的船舶。具體地說，更適合帶有動態定位（DP）要求的船舶、平臺供應船等各種海工輔助船、各種工程船、科考船和郵輪等，更能體現直流組網技術的節能和節省體積重量的優勢。

相對于交流組網技術而言，直流組網技術的難點之一在于直流斷路器的選擇。交流斷路器的設計相對比較簡單，通常利用電流電過 0 時進行分斷，通常的分斷時間是幾十毫秒。直流斷路器的價格相對較為昂貴，如何選擇合適的直流開關方案是直流組網技術的難點之一。

正是由于直流組網技術相對于交流組網技術的巨大優勢，直流組網技術一經問世，就得到了相關領域工作者和學者的強烈興趣，目前呈迅猛發展的態勢，在低壓（690 V 及以下）特種船舶領域有全面取代交流組網技術的趨勢［2］。

2　直流組網技術方案介紹

目前幾家直流組網系統集成商都分別推出了自己的直流組網技術。盡管在原理上和圖2所描述的系統類似，在細節和具體技術路線上各廠商的產品又有所不同，這些不同會導致性能上的差異。

2.1Onboard DC Grid 技術

Onboard DC Grid 技術以 1個 4 發電機組系統為例，典型的單線圖布置參見圖3。

圖3　Onboard DC Grid 直流組網方案Fig.3　A company's solution：Onboard DC Grid

該直流組網方案主要有以下特點［5］：

1）母排的配置采用分布式方案。該方案，直流母排的長度非常長，幾乎貫穿整個船體，分別連接各個整流器和逆變器。整流器和發電機就近連接，逆變器和電動機就近連接。較長的直流母排給設備的接入增加了靈活性，但給空間布置提出了一定的挑戰，同時如何保證直流母排的高可靠性是該方案的主要難點之一。

2）發電機采用同步發電機，整流器采用基于晶閘管結構組成。電動機采用異步或者永磁電動機，逆變器采用基于 IGBT的全橋逆變電路組成。

3）直流開關采用熔斷器和特制的可關斷電力電子器件組成，需要特殊研制。

該技術應用于 3 艘船舶，最為著名的案例是 2013年被成功用于 Dina Star號平臺供應船上，由于直流組網技術帶來的節能特性，Dina Star 獲得了2013年節能獎。

2.2BLUEDRIVE PlusC 技術

BLUEDRIVE PlusC 技術以 1個 4 發電機組系統為例，典型的單線圖布置參見圖4。該直流組網方案主要有以下特點［3］：

圖4　BLUEDRIVE PlusC 直流組網方案Fig.4　B company's solution：BLUEDRIVE PlusC

1）母排的配置采用集中式方案。該方案，直流母排采用集中布置，包含了母排、直流開關、逆變器和船用負載逆變單元。這種布置也常被稱為直流配電板。這個直流配電板還集成了所有推進控制系統和功率管理系統等控制單元。

2）發電機采用同步發電機，整流器采用基于晶閘管結構，但是和 Onboard DC grid的技術方案不同的是，整流器被整合到發電機中，這種布置實現了更高的集成度，但發電機因此需要定制，降低了通用性。

3）和 Onboard DC grid 方案類似，BLUEDRIVE PlusC的方案中直流開關采用熔斷器和特制的可關斷電力電子器件組成，也需要特殊研制。

大約有 10 艘船舶采用了BLUEDRIVE PlusC 技術，最大的發電機容量是 4 × 1 890 kW。

2.3E-PP 技術

E-PP 技術以 1個 4 發電機組系統為例，典型的單線圖布置參見圖5。

圖5　C 公司的直流組網方案 E-PPFig.5　C company's solution：E-PP

該技術方案主要有以下特點［4］：

1）和 BLUEDRIVE PlusC 類似，母排的配置采用集中式的方案，但 BLUEDRIVE PlusC 集成度更高。在這個方案中，直流配電板包含了母排、直流開關、整流器、逆變器和船用負載逆變單元。直流配電板不僅集成了所有推進控制系統和功率管理系統等控制單元，還集成了遠程故障監控系統。

2）發電機采用交流異步發電機，整流器采用基于IGBT的全控整流模塊。

3）和其他技術路線不同的是，E-PP 技術方案中直流開關采用直流斷路器進行保護，因此不需要進行定制。

目前采用 E-PP 技術的船舶已經達到了50 艘，處于業內領先水平。其中業界最為關注的是“白珍珠”號豪華游艇，該游艇使用了一系列新技術，被認為是目前世界最為昂貴的游艇［11］。

2.4三種直流組網技術路線的詳細比較

與同步發電機+晶閘管方案進行比較可以發現，E-PP 技術最大的特點在于采用異步發電機+全控整流的方案。這 2 種技術路線的差異將導致某些系統特性的差異。現在將這些差異比較如下：

1）故障選擇性。E-PP 技術方案中，如果任一變頻模塊發生故障，直流母線與變頻器之間的熔斷器切斷變頻器，整個系統中其他功率電路將繼續保護運行。由于采用了短路電流較小的異步發電機，直流母線的故障和變頻器的切斷不會將故障進一步擴大。在其他2 種技術方案中，由于整流器采用晶閘管結構，即便停止發送脈沖，由于勵磁模塊無法快速切斷，同步發電機具有較大的短路電流，任一變頻模塊導致的直流母線短路將導致同步發電機上的能量短時間內倒灌進入直流母線，可能導致高速電子開關動作，使一半的系統掉電。

2）冷啟動時間。由于 E-PP 技術路線采用了全控 IGBT整流器件，直流母線與發電機的并車通過全控的IGBT整流模塊完成，其啟動并車不需要與其他發電機同步或者同壓，其冷啟動總時間約為 30 s 左右。而其他兩種技術路線采用半空性的晶閘管整流，不同發電機間的直流母線電壓及功率分配由發電機組的勵磁系統以及調速系統完成，冷啟動時仍然有發電機之間的同步要求，一般認為會比 E-MS 系統慢 10～15 s 左右。

3）發電機組增減機。由于 E-PP 技術路線采用了全控型的IGBT 整流器，當需要增機時，可以將整流器工作在逆變器模式下實現異步發電機的電動運行，僅需 8～10 s 就可以完成啟動，并且可以在任何轉速下實現平滑并車。Ouboard Dc Grid和 BLUEDRIVE PlusC技術方案皆采用同步發電機，不具備自啟動能力，必須通過傳統的柴油機組的啟動裝置啟動發電機組，這樣的啟動時間較長，而且，并車前同步電機并入電網前必須要同步電壓以及頻率，導致整體增機時間比 EPP 技術慢 25～30 s 左右，而且增加了調試難度，引起電網電壓的波動，容易導致故障。可以看到，E-PP 技術方案降低了啟動裝置的維護要求，可以支持更高頻次的增機減機，不僅可以更靈活地降低排放和減少油耗，在 DP 工況下可以提供更強大的動態響應和作業能力。

4）發電機組調速性能。由于 E-PP 技術路線采用了全控型的IGBT 整流器，所以調速范圍很大，而且各個放電機組的轉速完全獨立，可以根據其各自的最優的燃油消耗進行控制。相對而言，由于同步電機勵磁系統的限制，前2 種技術路線的發電機組調速范圍較窄，并聯運行的同步電機必須同時同步的調整轉速。

表1　交流組網技術和各種直流組網技術路線比較Tab.1 Performance comparison of different solutions

4　結 語

本文經過對各種技術路線的詳細介紹，闡述了直流組網系統相對于交流組網系統的技術優勢，包括高效率、低燃油、取消了配電板和變壓器可以節省體積和重量以及對直流儲能設備的高兼容性。

在各種直流組網技術的比較中，E-PP 技術路線采用異步機配合可控整流的技術，帶來了一些額外的優勢，包括故障選擇性、冷啟動時間和更為便利的發電機增減機能力。

總而言之，直流組網技術將越來越流行，在包括海工船、平臺供應船和游輪等低壓特種船舶領域會逐漸取代交流組網技術。

［1］韓秋平，曾凡其.船舶電力推進系統的應用［J］.交通科技，2008，（7）.

［2］HANSEN J F，LINDTJORN J O，MYKLEBUST T A，et al.Trends in technology-onboard DC grid［R］.ABB review，2012，2：29-33.

［3］New diesel electric propulsion system BLUEDRIVE PlusCTM［R］.Siemens，www.siemens.no/marine

［4］HANS R.New solutions for electrical ship propulsion：Startstop function combined with variable generator speed［R］.Maritime reporter and engineering news，2014，10.

［5］The step forward Onboard DC Grid ［EB/OL］.ABB，www.abb.com.no

［6］2014中國船級社年報［R］.北京：中國船級社，24.

［7］NILSEN R，SORFONN L.Hybrid power generation systems［c］ 13th European Conference on Power Electronics and Applications，2009.

［8］ZAHEDI B，NORUM L E.Efficiency analysis of shipboard dc power systems［c］ 39th Annual Conference of the IEEE，2013，689-694.

［9］KANELLOS F D，TSEKOURAS G J，PROUSALIDIS J.Onboard DC grid employing smart grid technology：challenges，state of the art and future［J］ IET Proceedings，2015 （5），1-11.

［10］童正軍.民用船舶直流電網發展現狀分析［J］.船舶工程，2014，（36）：104-119.

［11］http://travel.cnnb.com.cn/system/2008/08/29/005754979.shtml.

Comparison of different solutions of onboard DC grid

XU Shuo1，WU Yu-xiang2
（1.Dalian Scientific Test and Control Technology Institute，Dalian 116013，China；2.Shanxi Fenxi Heavy Industry Co.Ltd.，Taiyuan 030027，China）

The concept of all-electric ships shows significant advantages over conventional vessels driven by diesel engines.All-electric propulsion can be further divided into two categories，i.e.AC distribution and DC distribution.Due to the benefits from the onboard DC distribution，there appears the trend that onboard DC architecture will be more and more popular.Three different solutions of DC distribution that have been installed and tested in vessels are presented in detail.Emphasis is placed on the discussion of advantages and disadvantages among these three solutions.

all-electric propulsion；onboard AC distribution；onboard DC distribution

U665

A

1672-7619（2016）07-0060- 04

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.07.013

2016-03-10；

2016-04-13

徐碩（1986-），女，工程師，從事船舶推進技術研究。