基于變速發電的直流電站電力推進系統

潘修穎，蔡睿眸，龔 博，鄒 寧

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基于變速發電的直流電站電力推進系統

潘修穎1，蔡睿眸2，龔 博3，鄒 寧1

(1．大連測控技術研究所，大連 116013；2．廣船國際有限公司，廣州 511462；3．武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064)

本文研究了一種基于變速發電的直流電站電力推進系統，分析了直流電站電力推進系統的拓撲結構，系統采用模塊化的設計和集中式的布置，在此基礎上對直流電站電力推進系統的技術優勢進行了分析和比較，同時提出了系統的關鍵技術和進一步的研究內容。

變速發電 直流電站 電力推進系統

0 前言

迄今為止，綜合電力推進系統工程應用經過了三個發展階段：直流電力推進系統、交流電力推進系統[1]及直流電站電力推進系統[2,3]。直流電站電力推進系統是下一代電力推進系統的主要形式[4,5]，目前已在高端船舶廣泛的推廣應用。

本文重點分析了直流電站電力推進系統的組成以及優勢，并且從系統和設備角度提出了直流電站電力推進系統的關鍵技術和進一步的研究內容。

1 系統組成

如圖1所示，直流電站電力推進系統由主發電機組整流后給直流母線供電，所有的整流裝置、變頻驅動裝置及逆變電源裝置均集成到一個直流主配電板中，對外直接連接發電機、推進電機及日用變壓器，系統較為簡潔。由于全部設備共用直流母線，因此不需要配置龐大的整流變壓器，也不需要配置較大的制動電阻。

雖然直流電站電力推進系統主干電網采用直流電制，系統中主發電機組仍然為交流發電機組，推進電機仍然為交流推進電機，日用負荷依然為常規的交流負載，因此對系統外部設備影響較小。

2 系統優勢

由于相關新技術的應用，除具備交流電力推進系統的一般優點外，直流電站電力推進系統還具有其獨特的技術優點，具體說明如下。

圖1 直流電站電力推進系統單線圖

1）變速發電，節能減排

由于系統采用直流電網，發電機組可實現變速運行。變速發電技術是直流電站電力推進系統核心技術之一。采用直流電網后，發電機整流后對電網供電，發電機組可以在較寬的轉速范圍內工作，因此可以采用變速發電方式，變速發電技術的優點是當發電機組負荷率較低時，降低發電機組轉速可以有效的降低機組的單位燃油消耗率，從而實現節能減排。如圖1-2所示，分別給出了發電機組定速運行和變速運行時機組的燃油消耗率，當機組的負荷率越低，節能效果越明顯。

圖2 發電機組定速運行與變速運行燃油消耗率

2）節省艙室空間，減小重量

直流電站電力推進系統通過高度集成化設計，節省了原來交流電力推進系統中的整流變壓器，同時將主配電板及變頻器等設備組合為一個整體，總體尺寸更為緊湊，有效的節省了艙容，減輕了重量，減少了設備數量，簡化了艙室布置。

3）電站穩定性更好

采用直流電站電力推進系統后，動力系統的主發電機組仍然為交流發電機組，發電機組整流后給直流主電網供電，多臺發電機組可并聯運行。由于發電機組整流后在直流電網側并聯，只需要對電壓進行控制，對機組頻率的敏感程度下降，因此更容易實現機組的并聯運行，機組并網快速性及運行穩定性更好，而且發電機組不會出現逆功狀態。直流電網的母聯斷路器采用IGBT開關，關斷速度更快，在系統保護上具有更大的優勢，故障情況下電網的持續供電能力高于交流電力推進系統。

4）日用負荷電源品質更好

直流電站電力推進系統對日用負荷電制沒有特殊要求，日用負荷原來由主發電機組供電，現在改為由逆變電源供電，逆變電源將直流電網逆變成三相交流后供電，供電電源品質更好，且不再受主發電機組諧波干擾。

5）有利于儲能系統及新能源應用

系統可接入電池組等儲能裝置，構成混合動力系統，還可以接入光伏等新能源，進一步節能減排，并實現低功耗情況下的靜音運行。

3 關鍵技術

直流電站電力推進系統主要關鍵技術如下：

3.1變速發電技術

直流電站電力推進系統發電機組采用變速發電技術。與定速發電不同的是，系統采用特殊設計的無刷同步發電機，該發電機具有寬頻率和寬電壓穩定工作的能力；采用可調速高轉速柴油機，變速發電技術通過調速器及調壓器的配合，根據機組的負荷率改變機組的轉速，使機組工作在最佳燃油消耗率，從而達到降低油耗，減少排放的目的。

變速發電的關鍵技術主要包括以下幾點：

1）功率分配

功率分配是實現轉速調節，達到節能減排的前提條件，功率分配將根據負載的實際情況來協調各機組的功率。

2）轉速調節

轉速調節是根據機組的實際功率，通過查表和差值的方法，來得到該功率下的最佳油耗點對應的轉速，通過控制調速器，使機組工作在最佳油耗點。

3）系統設計

變速發電中柴油機的轉速是變化的，在不同轉速下機組的最大功率也是變化的，因此系統的一些參數和指標要求與傳統的交流發電系統會有所不同，需要重新進行設計。

3.2直流保護技術

系統采用同步發電機發電，發電機采用二極管整流后接入直流母線。直流保護系統由隔離開關、熔斷器及電力電子斷路器配合完成，直流母線之間的母聯采用電力電子斷路器。

電力電子斷路器是一種新型斷路器，利用全控型功率器件作為開關元件，結合高速檢測電路實現直流故障的快速隔離。與直流機械式斷路器相比，電力電子斷路器分斷速度快（約10～20 μs），其本質是一種故障限流器。

這種方案的優點是即使存在分布參數或熔斷器一致性的影響，甚至于后期由于某些設備損壞改變了系統結構導致分布參數變化較大，由于母聯電力電子斷路器的保護動作特性是固定的，依然可以在任意單點短路時很好的保證全系統半舷正常工作，因此該方案的核心思想是無論出現何種單點故障，利用母聯電力電子斷路器快速分斷至少確保全船半舷正常工作。

3.3日用負荷供電技術

由于直流電站電力推進系統的主干電網為直流電網，為了給船舶日用負載供電，必須通過逆變電源將直流電逆變成三相交流電源給日用負載供電，因此大容量逆變電源是直流電站電力推進系統必需的設備，逆變電源主電路一般采用三相IGBT逆變橋實現，由于IGBT器件耐受沖擊電流能力不強，因此逆變電源的過載性能與發電機組相比具有差距，如果需要考慮到過載、短路、負載沖擊等因素，按照負荷要求確定逆變電源的容量。逆變電源系統用于船舶時，主要考慮了以下特殊要求：

1）適應沖擊性負載的要求

船舶日用負荷中具有大量的異步電動機等沖擊性負載，無論空載重載，這些負載直接啟動電流較大，如果設計時不考慮啟動沖擊電流的影響，會導致逆變電源過流保護或則電機無法啟動。

2）適應不平衡負載的要求

逆變電源可以適應三相不平衡負載要求，適應船舶運行過程中電網的不平衡狀態。

3）適應非線性負載要求

當逆變電源負載中負載含有大量6脈變頻器裝置時，會導致功率單元發熱較大，輸出波形發生畸變，因此需要對6脈變頻器負載清單進行校核。

4）與后端負載的選擇性保護協調要求

逆變電源相對于后端日用負載，其作用就是發電機組。當后端日用負載支路短路故障時，逆變電源切換電壓/頻率控制模式到短路限流控制模式，并能夠提供最大的連續電流持續至少1s以上，保證后端日用負載支路斷路器跳閘隔離故障，一旦故障隔離，逆變電源切回電壓/頻率控制模式，恢復正常供電。

5）與停泊發電機組并聯運行，轉移負載要求逆變電源采用先進的控制算法，可以與停泊發電機組長期并聯穩定運行，還可以像普通發電機組之間那樣任意轉移負載。

6）逆變電源之間并聯要求

逆變電源有兩組，分別位于左、右舷，一用一備。逆變電源在控制特性上模擬了發電機的下垂特性，兩組逆變電源既可以獨立運行，也可以長期并聯運行。

4 小結

直流電站電力推進系統作為近幾年發展起來的綜合電力推進系統形式，與傳統的交流電力推進系統相比，在降低全系統尺寸、重量，提高系統綜合能效，增強系統穩定性方面具有明顯的優勢，是未來電力推進系統發展的一種趨勢。

[1] 張義農,湯建華. 美英未來艦船綜合電力系統電制選擇分析[J]. 艦船科學術, 2012,(04): 136-139.

[2] 王森,劉勇. 直流配電網及其在艦船區域配電的應用[J]. 船電技術, 2014, (11):77-80.

[3] 張鵬,石媛.基于直流電網的船舶電力系統仿真研究[J]. 船電技術, 2016,(09): 53-56.

[4] T. V. Vu, S. Paran, T. E. Mezyani and C. S. Edrington. Real-time distributed power optimization in the DC microgrids of shipboard power systems[C].2015 IEEE Electric Ship Technologies Symposium (ESTS), 2015: 118-122.

[5] Z. Jin, G. Sulligoi, R. Vasquez and J. M. Guerrero. Next-Generation Shipboard DC Power System: Introduction Smart Grid and dc Microgrid Technologies into Maritime Electrical Netowrks[J]. IEEE Electrification Magazine, 2016: 45-57.

Electric Propulsion System at DC Power Station Based on Variable Speed Generation

Pan Xiuying1, Cai Ruimou2, Gong Bo3, Zou Ning1

(1.Dalian Institute of Measurement and Control Technology, Dalian 116013, Liaoning, China; 2. Guangzhou Shipyard International Company Limited, Guangzhou 511462, China; 3. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM611

A

1003-4862（2018）05-0053-03

2018-03-15

潘修穎（1964-），男，工程師。研究方向：船舶駕駛，艙面技術指揮。