ABB船載直流電網(wǎng)系統(tǒng)淺析

張志旺 曹 莉

（上海ABB工程有限公司 上海201319）

引 言

船載直流電網(wǎng)，因其高效等諸多優(yōu)點，各大供應(yīng)商競相提供了不同的方案以供客戶來選擇。早在2013年ABB船載直流電網(wǎng)技術(shù)就已經(jīng)獲得美國休斯頓國際石油石化天然氣展（OTC）創(chuàng)新技術(shù)獎。ABB船載直流電網(wǎng)是高能效的配電、自動化電力推進系統(tǒng)，能顯著降低能源消耗和排放，明顯減輕電氣設(shè)備質(zhì)量、減少電氣設(shè)備占地面積。不同于傳統(tǒng)的交流電力推進系統(tǒng)， ABB通過船載直流電網(wǎng)連接和輸配電，顯著節(jié)省了船舶電能消耗、優(yōu)化了推進性能。在船載直流電網(wǎng)應(yīng)用中，發(fā)電機組不再以固定的轉(zhuǎn)速運行，發(fā)電機組原動機的轉(zhuǎn)速可根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載的不同而調(diào)整到最佳能源消耗點運行，最高節(jié)能達(dá)27%［1］。同時，相對于傳統(tǒng)電力推進系統(tǒng)，船載直流電網(wǎng)系統(tǒng)可以省去移相變壓器和主配電板，減少船上設(shè)備總重及安裝空間達(dá)30%左右，能夠為船舶提供更多的儲貨空間，擴大工作區(qū)域，可以更靈活地配置、安裝船舶設(shè)備。不僅如此，船載直流電網(wǎng)還是個開放的系統(tǒng)，還能實現(xiàn)不同能源的接入（如功率電池、燃料電池、太陽能板可直接連接至船用直流電力系統(tǒng)中），從而實現(xiàn)更多的能源節(jié)省。

1 船載直流電網(wǎng)的構(gòu)成

可以簡單地將船載直流電網(wǎng)看成是我們熟悉的直流多傳動的延伸。相比于通常的直流多傳動，船載直流電網(wǎng)變頻驅(qū)動的所有推進器的功率大約占了整艘船電站功率的80%。直流多傳動的這一延伸應(yīng)用可為用戶帶來眾多優(yōu)點：首先，我們?nèi)匀豢墒褂迷诮涣魍七M系統(tǒng)中已經(jīng)成熟應(yīng)用的交流發(fā)電機、變頻器模塊、交流電動機等；其次，不再需要交流電力推進系統(tǒng)中的交流主配電板和移相變壓器（如圖1和圖2）［2］，這將使客戶擁有最靈活的電站和推進系統(tǒng)。

1.1 船載直流電網(wǎng)的兩種典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

實際項目中，根據(jù)各個推進器的分布情況以及各個推進器的功率情況，船載直流電網(wǎng)有兩種主要的系統(tǒng)形式：集中式系統(tǒng)（圖3）和分布式系統(tǒng)（下頁圖 4）［1］。

圖1 傳統(tǒng)交流電力推進系統(tǒng)

圖2 船載直流電網(wǎng)系統(tǒng)

圖3 集中式船載直流電網(wǎng)系統(tǒng)

圖4 分布式船載直流電網(wǎng)系統(tǒng)

實際項目應(yīng)用中也可以有兩種系統(tǒng)的組合。在集中式系統(tǒng)中，所有的變頻器模塊（整流、逆變、LCL濾波器、斬波器、直流斷路器、隔離開關(guān)）如同交流配電板一樣都集中在同一個柜體內(nèi)。在分布式系統(tǒng)中，每個變頻器模塊將就近布置在交流設(shè)備的附件；整流模塊布置在交流發(fā)電機的附件。在一些項目中，如果發(fā)電機的容量不太大，也可以將整流設(shè)備集成在發(fā)電機的冷卻單元中，與冷卻單元共用一個機械外殼。如發(fā)電機功率比較大，則需要的整流模塊的功率也比較大時，整流單元就需要單獨布置放在一個獨立的外殼中。逆變模塊將就近布置在推進馬達(dá)的附件。關(guān)于分布式系統(tǒng)，既可以使用線纜，也可以使用直流母排輸送電能［3］。當(dāng)輸送的功率較大、大功率設(shè)備比較分散時，使用直流母線是一種很好的工程方法。

1.2 船載直流電網(wǎng)的保護及選擇性

在省去交流配電板的同時，也省略了交流斷路器和保護繼電器。那么，對于船載直流電網(wǎng)系統(tǒng)來說是如何來滿足系統(tǒng)的選擇性和設(shè)備的保護呢？ABB船載直流電網(wǎng)對直流母排進行了邏輯功能分割，不同功能的分段分別稱為“DC Link”和“DC Grid”。在DC Link區(qū)域內(nèi)的保護是通過快速熔斷器來完成的，這里的故障通常會在1 ms之內(nèi)完成。這個區(qū)域的保護將通過熔斷器選擇性分析來證明，確保熔斷器能有選擇地清除故障并斷開故障段。DC Grid分段內(nèi)的保護是基于對短路電流有貢獻(xiàn)的電源的限制以及DC Grid分段內(nèi)的直流斷路器。

2 船載直流電網(wǎng)的優(yōu)點

2.1 安全可靠

ABB船載直流電網(wǎng)的保護和選擇性是通過快速熔斷器、半導(dǎo)體功率器件的受控關(guān)斷以及母聯(lián)直流斷路器來聯(lián)合實現(xiàn)的。船載直流電網(wǎng)故障電流的截堵速度比傳統(tǒng)的帶有保護繼電器的斷路器的速度要快得多，因而對系統(tǒng)的保護更高效、安全、可靠。

2.2 高 效

傳統(tǒng)交流推進系統(tǒng)對電網(wǎng)的電壓和頻率有很苛刻的要求，船級社對這兩個參數(shù)都給出了具體的嚴(yán)格限制。基于此，發(fā)電機組中的柴油機就被要求以同步轉(zhuǎn)速運行，但需根據(jù)負(fù)載的要求輸出不同的功率，從而大大犧牲了發(fā)電機效率（見圖5和圖6）。而對于某些船舶（比如多功能海上支援船PSV/平臺供應(yīng)船OSV），當(dāng)DP作業(yè)時，相當(dāng)長的時間內(nèi)要求推進器低負(fù)荷（比如推進電動機的30%的額定功率）運行、從而也要求發(fā)電機以較低的負(fù)荷率（20%左右）運行，某些情況下的發(fā)電機帶載率甚至僅為15%左右。比如在母聯(lián)斷開的DP工況下，為了能持續(xù)保持定位功能，即使多臺發(fā)電機都以極低的效率運行，也不能為了提高一臺發(fā)電機的效率而停止另一臺發(fā)電機。這就使多臺發(fā)電機組都以很低的負(fù)荷率長時間運行，從而導(dǎo)致傳統(tǒng)交流電力推進系統(tǒng)中的發(fā)電機組的效率很低。

圖5 柴油機不同負(fù)荷率下的耗油率

圖6 柴油機變速情況下不同負(fù)荷率下的燃油的節(jié)省率

船載直流電網(wǎng)可以高效地解決這個問題：首先，相比于交流電力推進系統(tǒng)可以使在網(wǎng)發(fā)電機的數(shù)量減少；其次，如果發(fā)電機的負(fù)荷率比較低，可以降低柴油機的轉(zhuǎn)速，讓柴油機仍然工作在效率較高工作區(qū)域。

2.3 質(zhì)量輕、占地少

船載直流電網(wǎng)另一個顯而易見的優(yōu)點就是可以減輕質(zhì)量，減少在船上設(shè)備的占地空間。隨著船型不同以及工況要求不同，減少的空間和質(zhì)量是有變化的。下頁表1為一個PSV的對比表格［1］，該設(shè)備質(zhì)量較傳統(tǒng)的交流電力推進減輕約26%。

表1只給出了設(shè)備本身的對比。此外，船載直流電網(wǎng)效率的提高也有效節(jié)省了燃油，這意味著可以減少船舶的儲油量，也即增加了船舶的有效空間。

2.4 開放、靈活

船載直流電網(wǎng)是一個開放、靈活的系統(tǒng)。這個系統(tǒng)可以將不同形式的能源都集成在同一個平臺上（如柴油機、燃?xì)鈾C、雙燃料機，燃料電池、超級電容和功率電池等）。用戶可以根據(jù)不同的燃料價格水平、能源的可用性以及各個國家的法規(guī)要求選擇不同的燃料型式。

表1 PSV傳統(tǒng)交流電推系統(tǒng)與船載直流電網(wǎng)的質(zhì)量比較kg

3 船載直流電網(wǎng)中樞——功率能量管理系統(tǒng)（PEMS）

ABB PEMS的主要目的是確保用電設(shè)備有足夠可用的功率。PEMS包含了所有必要的功能用來遙控電能的產(chǎn)生和分配。ABB PEMS通過不同層次的硬件及軟件來實現(xiàn)不同層次的功能，這些不同層次的控制硬件對不同的設(shè)備（產(chǎn)生電能的發(fā)電機、控制電能流向的整流器、隔離開關(guān)、斷路器等）根據(jù)系統(tǒng)工藝的使用要求進行控制。不同的控制硬件通過工業(yè)以太網(wǎng)聯(lián)絡(luò)成一個完整的網(wǎng)絡(luò)平臺。柴油發(fā)電機通常以額定的轉(zhuǎn)速運行，但速度的設(shè)定點是可以調(diào)整的，柴油機速度設(shè)定點可以根據(jù)電氣負(fù)載來調(diào)整而使發(fā)電機維持在一個優(yōu)化的水平高效運行。PEMS通過AVR控制直流電壓水平，直流電壓的電壓降特性［4］確保了負(fù)載在并聯(lián)運行的發(fā)電機中分配。

相比于傳統(tǒng)的PMS，ABB PEMS充分應(yīng)用了當(dāng)今的數(shù)字化技術(shù)，在PEMS網(wǎng)絡(luò)中有大量的數(shù)據(jù)在交互，通過對這些大量數(shù)據(jù)的分析計算，而使整個電網(wǎng)完全成為一個客戶定制化的智能電網(wǎng)。

4 船載直流電網(wǎng)實船應(yīng)用情況

應(yīng)用ABB第一艘全套船載直流電網(wǎng)系統(tǒng)的是隸屬于船東Myklebusthaug的一艘平臺供應(yīng)船（見圖7），如今該船已經(jīng)成功應(yīng)用多年。

圖7 Dian Star PSV船

該船基本參數(shù)如下：

船名：Dian Star

船型：OSV/PSV（多功能海上支援船/平臺供應(yīng)船）

設(shè)計：MT6015 MPSV

船廠：Kleven Yard BN357

交付時間：2013年

船級社及入級符號：DNV DP2 Closed， ERN 99 99 99 99

船東：Myklebusthaug Management AS

船體總長LOA：93.80 m

寬度B：20 m

總登記噸位GRT：4 826 t

航速：15 kn

該PSV共有5個推進器。T1、T2： 管隧式推進器 ；0～925 kW ； CPP ； 0～1 200 r/min。T3： 全回轉(zhuǎn)推進器 ； 0～880 kW ； 0～1 791 r/min。T4、T5： 主推進，全回轉(zhuǎn)推進器 ： 0～2 200 kW ； 0～1 200 r/min。5 臺發(fā)電機：4×2 240 kW， 1×920 kW；1 200～1 800 r/min。各個推進器和發(fā)電機的邏輯布置見圖8。

圖8 推進器及發(fā)電機

表2是這艘船一年的運行工況表，為便于比較，也列出常規(guī)交流電力推進系統(tǒng)使用燃油的情況。

由表中數(shù)據(jù)可以看出，該船一年34%的工況下處于DP工作模式，在這種模式下可以節(jié)省大量燃油。相比于傳統(tǒng)交流推進系統(tǒng)，這樣不僅每年可節(jié)省約13.1%的燃油（約361 t），并且可減少CO2排放約1 150 t，具有良好的運行經(jīng)濟性和社會環(huán)保性。

表2 PSV一年運行數(shù)據(jù)

5 結(jié) 語

ABB船載直流電網(wǎng)是一種安全、高效、開放的電力系統(tǒng)，對于工況多變的船舶是一種很好的選擇，可應(yīng)用于配有低壓船載電力系統(tǒng)的船舶，如海洋工程船、拖船、渡輪、游艇、科考船、近海及內(nèi)河小型船等。