海洋工程船交流變頻調速電力推進方案

徐以亮，崔利梅，石 密

(1.中海油田服務股份有限公司 天津300450；2.天津新港船舶重工有限責任公司 天津300456)

0 引 言

我國海洋工程船始于20世紀70年代，按照中華人民共和國交通運輸部《老舊運輸船舶管理規定》，到本世紀初這批船舶已經達到報廢期。隨著船舶推進技術的發展，海洋工程船舶由傳統直推方式逐漸向電力推進方式發展，即采用由柴油機驅動的發電機組成電站，通過配電系統為驅動螺旋槳的電動機提供電能。近十幾年，交流變頻調速電力推進方案在海洋工程領域應用迅速，該方案得到眾多船公司和使用方的認可和贊同，特別是配置有動力定位系統(Dynamic Positioning System)的電力推進船舶已經成為主作業船。

目前，國際上電力推進設備供應商較多，電力推進方案也較多，船東很難對各家的方案都有較為全面的了解。同時，由于電力推進方案的好壞將直接影響船舶投入后的安全運行和作業效率，因此，如何選取最佳電力推進方案是各方急需解決的問題。

1 交流變頻調速電力推進技術介紹

變頻電力推進技術的關鍵是變頻控制，變頻控制是通過信號處理技術改變輸入到電動機的工作電源的頻率和幅值，從而實現對電動機的調速控制和扭矩控制。目前，海洋工程船舶上使用的主流調速方案是交流變頻調速，交流變頻調速系統主要由：三繞組移相變壓器(AFE變頻系統不需要)、變頻器(由整流器、電容單元、逆變器、冷卻單元、控制單元等組成)、制動單元(根據需要)、推進電動機(鼠籠式交流異步感應電動機)組成。流程見圖1。

圖1 推進流程圖Fig.1 Propulsion system

2 交流變頻調速電力推進方案研究

2.1 方案一：以SIEMES和ABB公司為代表的系統

SIEMENS和 ABB的大型變頻器的整流單元采用二極管整流橋，兩家公司在變頻控制軟件方面有所不同，各有其獨特的技術和特點。典型單線圖如圖2所示。

根據變頻器輸入電源的不同，分為 6脈沖變頻器、12脈沖變頻器、虛擬24脈沖變頻器和24脈沖變頻器等；根據變頻器輸入電壓等級的不同，可以分為低壓變頻系統(690,V)和中壓變頻系統(3,300,V、6,600,V等)，更高電壓等級在工程船舶領域較少應用。根據變頻器的冷卻方式不同，可以分為水冷變頻器和風冷變頻器。

隨脈沖數量的增加，單臺套變頻器內部元器件數量增加、類型增多，控制軟件會更復雜，進而單臺套設備的價格也越來越高，但整體諧波值會降低。

圖2 12脈沖單線圖Fig.2 Pulse single line diagram

低壓系統和中壓系統的主要設備在數量上一致，由于耐壓等級的不同，其制造工藝、原材料、元器件的要求不同，導致中壓系統的整體成本較高，但中壓系統的設備尺寸和重量普遍較低壓系統略小。中壓系統對變頻器所處的環境潔凈度、變頻器冷卻水等要求都較高，船舶在建造時需要對中壓系統進行專門的中壓電纜接線工藝培訓、中壓電纜耐壓實驗，船舶交船后的相關操作人員需經過專業的培訓。

目前，船舶推進電動機功率普遍較大，變頻器自身發熱較多，閉式循環淡水冷卻系統憑其良好的冷卻效果、較低的環境噪音而成為主流的選擇。同時，為保證變頻器安全，建議選擇一用一備的冗余冷卻循環泵方案。

根據以上分析，對不同脈沖方案的簡單比較見表1所示。

表1 不同方案單套變頻系統比較表Tab.1 Comparison of different schemes of single set frequency conversion systems

使用經驗：①如果變頻方案已選定，為了降低諧波只能配置諧波濾波器。②變頻系統的電力電纜必需為變頻專用電纜，非常規電力電纜。③變頻器內元器件屬于高精密電子元器件，存放和施工期間必須做好防護，否則故障頻發。④在系統設計和施工工藝上，要注意電磁干擾。⑤此方案既有低壓又有中高壓，在配置上較靈活。

2.2 方案二：以Rolls-Royce公司為代表的系統

Rolls-Royce公司變頻器的整流單元為 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)絕緣柵雙極型晶體管，稱為AFE(Active Front End)有源前端變頻器，輸入電壓從AC 380,V到AC 690,V。SIEMENS和ABB公司此類型變頻器的功率約 1,500,kW 以下。根據調研，此類型變頻器目前無中高壓類型。典型單線圖如圖3所示。

圖3 AFE單線圖Fig.3 AFE single line diagram

其主要優勢有：①與方案一相比，諧波控制較好，諧波值(THD)低，不需要另設獨立的濾波器。②與方案一相比，無移相變壓器，既減少了安裝、設備基座和鋼材工作量，也減少了整體的重量(平均每個推進系統減少約 6,t左右)。③與方案一相比，無移相變壓器，節省空間，平均每個推進系統可減少 10～12,m3空間的占用。

但是與其他變頻方案相比，其主要缺點有：①對電網有反饋，影響到配電板短路電流計算值。②整流單元和逆變單元為 IGBT，輸出端有故障時，可能會導致整流和逆變都故障。

2.3 方案三：以WARTSILA公司為代表的系統

瓦錫蘭(WARTSILA)公司在 2006年收購了Aker Kevrner公司后，推廣其專利產品 LLC(Low Loss Concept)變頻方案(單線圖見圖4)。此方案與船舶配電系統相組合，系統架構上與上述方案一和方案二存在較大差別，目前以低壓 690,V為主，中壓方案目前應用較少，至少在國內未見中壓方案的應用。

圖4 LLC單線圖Fig.4 LLC single line diagram

每個推進系統無需單獨移相變壓器，連接兩段配電板的 LLC變壓器起到移相作用。每個推進系統的變頻器都平均從兩段主配電板供電，常規運行時幾乎是無電流流過LLC變壓器。

其主要優勢有：①變頻器電源由兩段配電板供應，系統冗余度高。②配電板被分成 4段，在一定程度上增加了操作靈活性和可用性。③采用 4段配電板母排設計，降低了配電板的短路電流等級。主斷路器可選低分斷能力型號，既提高操作安全性又降低采購成本。④無需配置相對較多的三繞組移相變壓器，減少重量，節省空間。⑤可用 LLC變壓器取代 AC 380,V日用變壓器，減少了重量，節省空間。

缺點有：①變頻器電源由兩段配電板供應，主開關數量增加，操作上稍顯復雜。②從電氣原理上分析，認為電壓諧波較上述兩種方案會稍高。③施工工藝和電纜選擇與上述兩種方案有別，有特殊要求。④國外有一些實船使用，但國內未有應用，可借鑒經驗較少。

3 結 論

本文所述的 3個方案屬于目前海洋工程船交流變頻調速電力推進方案中成熟、先進的典型，能為相關方在前期技術方案的決策、設備選型、船舶建造等方面提供指導和幫助。在 2011年交付深水工程勘察船、2014年交付深水 12纜物探船，兩型海洋工程船都使用了 2.1方案一的電力推進方案，船舶交付前實測諧波值分別小于 5%,和 2%，大大優于船級社的要求。船舶在交付后為公司創造了很好的經濟效益。

海洋工程船交流變頻調速電力推進方案的最終確定還受諸多方面的影響，每個項目應結合自身總投資情況、船東公司目前在用船舶的電力推進方案情況等選擇適合的最優方案。