淺談采用變速發電機組的新型工作船電力推進系統

王平 王金苓

摘 要：本文概要介紹了一種以可變速發電機組作為主電站，主電網采用直流系統、交流電機推進、大容量電池組或電容器作為輔助能量存儲單元、系統擴展性強的節能環保的電力推進系統，這種電力推進系統是未來綠色船舶發展的方向。

關鍵詞：變速發電機組；直流電網； 能量存儲單元；綠色船舶

中圖分類號：U664.14 文獻標識碼：A

1 引言

船舶交流柴電推進系統以其機組配置和空間布置的靈活性、良好的操作性、低排放、低振動噪音、良好的經濟性等優點，在海洋平臺工作船上得到越來越多的應用。傳統船舶交流柴電推進系統中發電機組以額定轉速運行，以保持電網頻率穩定（50 Hz或60Hz）。根據柴油機的燃油消耗曲線，機組低速運行時燃油消耗少，高速運行時燃油消耗高。根據柴油機的負荷特性曲線，機組運行于75%～85%的負荷區間時，具有最低的燃油消耗，低于或高于這一區域則燃油消耗增加。對于具有DP能力的海洋工作船來說，DP及低速standby時間占了其操作時間的40%以上，DP及低速standby是典型的低負荷工況，此時發電機組高速運行，且負荷非常低，燃油消耗高，經濟性差。

本文介紹一種新型電力推進系統，其發電機組可根據負荷需求降低轉速并發出相應功率，使發電機組保持運行于最佳負荷率，最大限度的降低燃油消耗。同時該系統可以方便的接入其它清潔能源發電系統，如光伏、風能等，是綠色環保的電力推進系統。

2 系統基本組成及優點

傳統船舶電網中，發電機組均以額定轉速運行，以保持電網頻率恒定。改變發電機組轉速，必然會改變系統的頻率，從而影響電網的穩定性。隨著電力電子等新技術的迅速發展，為發電機組的變速運行提供了條件。

2.1 系統基本原理

系統的基本原理如圖1所示。發電機的容量按最大負荷設計，根據母線實際負荷調節轉速并輸出相應功率，低負荷時降低轉速即可減少燃油消耗量。變速發電機可輸出恒定電壓，恒壓是為了避免在PWM整流模塊前再進行穩壓，恒壓變頻發電機可以采用特殊的勵磁設計來實現，IGBT PWM模塊可以將諧波的影響消除到最低。

圖1 變速發電機供電網絡基本原理

2.2 系統的組成

圖2是經過擴展后的電力系統結構示意圖。變速發電機的數量及容量根據船舶系統的實際負荷和相關規范確定。增加蓄電池組的目的是為了改善系統的動態特性，當發電機組以低速或高速運行時，如遇負荷突增或突降，柴油機調速特性不能滿足負荷的突變時，由雙向DC/DC斬波器控制蓄電池組向直流網絡補充能量或吸收網絡的富裕能量，以穩定系統。蓄電池組同時也起到了降低燃油消耗的輔助作用。系統中以電力電子功率單元取代了交流網絡中的交流斷路器，系統的選擇性保護采用熔斷器、隔離開關和功率單元的開關控制進行組合來實現。

圖2 變速發電機組船舶電力系統結構

2.3 系統的主要優點

（1）采用變速發電機組，根據負荷需要降低轉速并提供相應功率，發電機組工作于最佳負荷率，極大的降低了油耗；

（2）采用直流網絡，不存在交流系統并網對相位、頻率的限制，各發電機組獨立運行，增強了系統的穩定性。電網具有更強的可擴展性，如增加光伏、風能等；

（3）靈活的配電設備布置形式，可采用將所有整流和逆變模塊集成到一體的集中式布置，還可采用將整流和逆變模塊分別布置在離電源和負荷最近的分散式布置，使總體布置更加靈活；

（4）與交流系統相比，配電設備的重量和體積均有下降，增加了船舶的載重量和節省了船舶空間；

（5）方便的岸電連接方式，不受岸電頻率影響；

（6）對輔助風機、油水泵等也采用變頻驅動的船舶，可以共用直流母排，節省整流模塊投入；

（7）降低了維護成本，減小了振動噪音，減少了電纜的用銅量等。

3 變速發電機組

本系統進行燃油節省的關鍵是采用了變速發電機組，在低負荷時降低發電機組的轉速，以達到節省燃油的目的。

3.1 原動機

如圖3所示是一臺柴油機的轉速—功率/燃油消耗曲線，可以看出柴油機的功率和燃油消耗隨轉速的升降有明顯的關系。在船舶系統負荷降低時，降低柴油機的轉速，就可達到節省燃油的目的。特別是在DP工況時，占電站總容量60%以上的主推進和側向推進系統負荷處于50%左右的負荷率，如降低柴油機轉速，會有明顯的節油效果。

圖3 柴油機轉速-功率曲線

在交流船舶電力系統中，發電機組原動機調速器按程序設定將原動機的轉速控制在額定值，該設定值一經設定就不能更改。為了滿足發電機組的變速運行，可采用能與船舶控制系統進行通信的調速器，以使柴油機轉速按控制系統的要求穩定運行于某一轉速，發電機組原動機的轉速范圍和相應的功率輸出應與發電機相匹配，并取決于船舶電力負荷計算結果。

3.2 發電機

在交流船舶電力系統中，發電機均是以恒轉速（頻率）設計，如直接以變速運行，會導致輸出電壓和頻率同時發生變化，而AC/DC整流功率單元的特性，要求輸入的交流電壓是恒定的，才能保證輸出直流電壓恒定，因此本系統需要采用特殊設計的可變速運行發電機，圖4是一臺900 r/min至1 800 r/min可變速、AC690V恒壓、額定頻率90 Hz向下可調變頻恒壓發電機組轉速—功率關系。實際應用中發電機的容量和轉速可調范圍取決于電力負荷計算。

圖4 變速發電機轉速-功率關系

3.3 變速系統效果對比

某型電力推進二級動力定位海洋平臺供應船（PSV）主要功能是向海洋平臺輸出鉆井、修井材料及生活用品等物資，采用了變速發電機—交直交電力推進系統，其主要機電設備配置為：4臺CAT 3516C（HD）、2 350 kW、3p、690 V、1 200～1 800 r/min發電機組；2臺2 200 kW全回轉主推；2臺925 kW隧道式首側推；1臺880 kW首伸縮推；2臺1 250 kVA ROV預留接口；1臺4x550 kW海工吊。船用負荷約600 kW，其它有貨油泵、貨水泵、泥漿泵、散料壓縮泵等貨物負荷。 DP最小負荷率時單位時間燃油消耗量以發電機組降速后負荷率85%估算，如表1所示：

4 結語

隨著燃油價格不斷的上漲和新環境保護法規的出臺，如何進一步減少燃油消耗及廢氣排放將是船舶設計需要考慮的重點，新技術的發展為減少燃油消耗及廢氣排放提供了條件。世界上第一艘采用變速發電機組—交直交電力推進的海洋平臺供應船2013年4月已經在挪威交付船東，目前運營狀況良好，此類船舶未來必將得到船東的青睞。

參考文獻

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