船舶綜合電力推進應用探討

劉波 陳明 侯錦福 胡成

摘 要：作為先進的船舶動力，電力推進的應用對諧波干擾抑制、中壓接地、電磁兼容、絕緣等方面提出苛刻要求。通過對電力推進系統原理及設計思路的闡述，結合中船黃埔文沖船舶有限公司已建電力推進船舶所采用的電力推進系統，總結出電力推進系統的選擇、安裝及調試的思路及方法。

關鍵詞：船舶；綜合電力推進；諧波抑制

中圖分類號：U664.14 文獻標識碼：A

1 前言

船舶綜合電力推進是現代船舶動力發展的方向。與傳統船舶動力相比，電力推進具有巨大的優勢：燃油效率高、機動性高、自動化程度高等。船舶綜合電力推進技術將在新建船舶中得到越來越廣泛的應用。

2 綜合電力推進系統概述

綜合電力推進系統是同時為船舶電力推進系統和船舶日常用電系統提供電能的統一系統，它實現了推進動力與電站動力合二為一。

典型的綜合電力推進方案框圖，如圖1所示。

綜合電力推進系統包括：原動機單元；發電機單元；配電單元；電力變換單元；電力控制單元；推進電機；螺旋槳等。與傳統動力系統相比，電力推進系統具有顯著優點：操控性好，倒車迅速；節能性好，發電機可以根據負荷的大小合理地發出和分配電能；可靠性高；可維修性好等。但是，電力推進也不可避免地存在一些不足，如一次性投入成本較高、功率受限制、高負荷導致電機推力軸承密封易磨損等。

3 綜合電力推進現狀

船舶電力推進裝置功率從幾百千瓦到幾十兆瓦，其中以吊艙式推進器最具代表性。目前世界上吊艙式電力推進器系統主要有：Azipod 、SSP、 Mermaid和Dolphin 4種。

ABB開發的吊艙式電力推進器Azipod是將馬達裝入一個流線型殼體內，螺旋槳置于殼體前端，其推進效率高于常規螺旋槳。Azipod操作十分方便，可以在很低轉速下運行，又可作為轉向裝置。

與傳統的船舶推進系統相比，吊艙式電力推進系統的優點如下：

（1）優良的操縱性，只需通過改變推進電機轉速即可實現調速；

（2）節省了船上空間，不需要傳動軸系；

（3）經濟性好，可根據船舶電量的需求量來決定并入電網的發電機數量；

（4）噪聲低、振動小，提高了舒適性。

（5）船舶生命力強，電力推進組成元件為電器元件，故障發生率低；

（6）自動化程度高，可以通過電能的饋送把全船電氣設備聯系起來。

3.1 50 000 t半潛船的電力推進技術應用

對于半潛船而言，采用電力推進方式，可以避免常規推進方式尾部布置煙囪對貨品裝卸的阻礙，具有布置靈活、安全高效等優勢。

由中船黃埔文沖船舶有限公司設計和建造的50 000 t半潛船，其電力推進系統主要裝備了4臺3 840 kW的主柴油發電機，通過變壓、變頻裝置供電聯合或獨立2套推進電動機，驅動螺旋槳。該船有以下特點：采用了交流6 600 V中壓電力系統，電力推進系統具有高電壓、大功率等特點；采用了先進的雙獨立機艙、雙螺旋槳電力推進系統，在一個機艙或推進系統發生意外的情況下，憑借另一個獨立機艙和推進系統，可以繼續提供穩定的動力；在機艙設置了中壓配電板室和低壓配電板室，并且為左右相互獨立的兩個艙室，兩邊通過常閉的隔離開關連接，既可獨立使用，也可聯合使用，有效提高了供電可靠性。

3.2 英國“果敢”號防空驅逐艦的電力推進技術應用

2006年2月下水的英國海軍45型“果敢”號防空驅逐艦是世界上第一艘具有全電力推進（ FEP） 特點的戰艦，全動能通過電纜以電能的形式輸送給電力推進系統，從而節省了大量的布置空間。另外，其靜音能力是機械推進艦艇所無法比擬的，對于反潛作戰非常有益。

4 綜合電力推進系統的關鍵工藝技術

4.1 抑制電網諧波

4.1.1 電網諧波概述

電力推進系統大多采用交流變頻調速系統，其調速范圍廣、技術經濟性能好，缺點是會向電網注入大量諧波。在船舶電網中，有變頻器、推進電機、控制單元等非線性負載，當電流流經這些負載時，與所加的電壓不呈線性關系，就形成非正弦電流，即電路中有諧波產生。由于晶閘管的開關操作和二極管、晶閘管的非線性特性，將會產生畸變電流，從而產生諧波電壓，使變頻驅動系統故障率增加，甚至會發生操舵無反應，嚴重影響船舶航行安全。

通常用總畸變率、諧波含量和n次諧波的含有率，表示畸變波形偏離正弦波的程度。 根據國際船級社關于諧波抑制的要求，諧波電壓畸變因數THD應在5%以下，關鍵場所則要求低于3%。

4.1.2 電網諧波抑制方法

4.1.2.1 提高變流器相數

通過對6脈沖整流電流進行多重化組合，可以得到多重化的整流電路。這樣在采用相同器件時可達到更大的功率、較高的功率因數，同時還可起到減少交流側輸入電流諧波的目的。

4.1.2.2 無源濾波技術

交流電網側并聯LC濾波器是一種能降低諧波電壓的有效手段。LC濾波器的原理是利用LC回路的電路特性，對基波呈現低電抗，對諧波呈現高阻，從而使諧波可通過濾波器而不能進入電源系統。在電網兩端并聯濾波器時，諧波電流將會反送給負載。同時，諧波電壓明顯升高，諧波電流在變壓器和電容器之間循環振動，這樣就能起到較好的抑波作用。

無源濾波器主要由濾波電容器、濾波電抗器等組成。濾波器除起濾波作用外，還可利用電容器進行無功補償。LC濾波器的種類可分為調諧和濾波器、雙調諧和濾波器、高通濾波器、C型濾波器等。濾波器一般分組使用，從而達到分類濾波的目的。

4.1.2.3 其他抑制諧波技術

（1）提高主變壓器的內阻抗，可達到限制諧波和短路電流的目的。變壓器的原邊采用星型接法，變壓器的兩個副邊分別采用星型接法和三角型接法。當有兩個二極管供電單元模塊時，可構成24-脈波的連接方案，使電網波動平緩，從而最大限度地消除諧波干擾；

（2）采用脈沖電壓調制技術，消除電網諧波。在Azipod電力推進系統中，有源整流單元ARU通過使用預定義的優化的脈沖模式，降低和消除主電網上的諧波；

（3）采用雙重電抗器組將電站的推進負荷母線與其他負荷母線進行一定的隔離，也可使其他負荷的配電網的諧波分量維持在較低的水平；

（4）采用電動發電機組的方式，構建日用負荷電網。

4.2 電磁兼容性

（1）在設備柜本身的EMC方面，通過柜壁內側非涂漆處理實現。柜體各部分之間通過螺栓連接并采用EMC密封，柜門和內部的電纜槽都裝有EMC密封；

（2）在電纜選型方面，變頻電纜必須具備優良的電磁兼容性，能抑制電磁干擾，減少整個系統中的電磁輻射。屏蔽是實現電磁兼容、減少電磁輻射最好的方式。一般來說，電纜至少需要屏蔽90%以上的電磁輻射，銅帶繞包的覆蓋密度達100%，而銅絲編織屏蔽達不到要求；

（3）在電纜選擇方面，電機和變頻器之間的電力線必須為對稱三線屏蔽電纜或變頻電纜。為了抑制電磁干擾，主電纜采用高頻接地。電纜在托架內走線布置，與變頻器聯接的電纜要與其他系統的電纜分開布置；

（4）在接線方面，電纜必須通過EMC屏蔽模塊進入機柜；信號電纜、控制電纜、中壓電纜必須并行接入，不能交叉進入控制屏。

4.3 中壓接地技術

中壓電力系統絕大多數采用中性點接地系統，主要為中性點高電阻接地方式，其原因是：中壓系統對地電容電流較大，當發生單相接地故障時，不接地系統可能引發火災。接地系統能自動檢測出故障點，并可自動切除故障；中壓電力設備的絕緣水平較低，當運行中產生的過電壓超過設備的耐受電壓標準時，安全運行性能將會受到破壞。

在電力推進系統中，變壓器、變頻器、推進電機之間加裝接地電纜，實現可靠接地。

4.4 絕緣性

中壓會引起導體和地之間閃弧，故電纜不能與其他電纜端子接觸，并至少保持55 mm的間距。

主電網側和電機側的電纜，必須滿足下列要求：

（1） 使用三芯單獨屏蔽的鎧裝電纜，如果電纜長度不超過100 m，也可以使用三根單芯電纜；

（2）使用銅芯電纜，如果使用鋁芯電纜，則對電纜頭有特殊要求；

（3）電纜最大長度不能超過300 m；

（4）電纜橫截面積，推薦使用的電纜導體為 3×240 mm2，屏蔽層為 3 × 35 mm2；

（5）如果電纜屏蔽層的總截面積小于單相導體截面積的50%，需沿著電纜增加一根地線，以防止工廠接地網電勢差造成屏蔽層過載。

（6）用于 LSU的電纜，按 3.3 kV 、有效值/6 kV 峰值進行設計。

4.5 冗余設計

（1）對中壓配電板，可拆成兩個甚至更多獨立安裝的配電板，這樣既有利于布置，又可提高冗余度；

（2）電能饋送方面，一般均考慮冗余，即有兩路供電。一個饋電單元供兩個用電設備，兩個饋電單元可互相轉換備份，達到電能饋送的冗余。

5 其它

（1）針對機艙設備密集、電纜通道和風管較多的情況，布置電纜時，由于中壓電纜外徑較粗且重量大，要注意到設備的進線方式及電纜彎曲半徑要求，考慮單層敷設，拐彎處要平滑過渡；對中壓配電間地板夾層內的低壓電纜和信號電纜，采用改從機艙下平臺走的方式，減輕夾層內電纜密集及分類敷設的壓力。

（2）為了滿足RPS要求，中壓配電板和低壓配電板分為相互獨立的左右兩個艙室布置，兩邊通過常閉的隔離開關連接，既可獨立使用，也可聯合使用，有效提高了供電可靠性。

6 結束語

由于綜合電力推進系統的操作性好、經濟性高，已受到越來越多的關注。吊艙式電力推進方式是當前最流行的應用方式。抗電力諧波干擾、電磁兼容性、中壓接地技術、提高絕緣性等將是綜合電力推進系統應用中需要研究的重點。可以相信，在不久的將來，船舶動力將迎來“全電船”的新時代。