船舶直流電站簡析

蔣新冬

摘要：電力推進的船舶與普通柴油機直接傳動推進有著很大的優勢，具有高效、低噪

音、低震動等特點使得越來越多的海工平臺及工程輔助船采用電力推進。選用直流電站，配電板的外形大大縮小，重量減輕，充分提高船上空間的利用率和載重量，加入儲能電池組/超級電容器，給船舶動力響應、電站的安全穩定性以及節能效果帶來更大提高。

關鍵詞：油電混合；直流配電系統；節能環保；電池；動力定位；電力推進

1概述

本文以曾參與設計交付的一艘深海原油駁運船（Cargo Transfer Vessel）為基礎，簡單闡述一下帶電池組的直流電站系統。相比傳統的交流電站，其主要區別是負載由直流電網供電。在交流配電系統中，大部分的負載經（AC-DC，DC-AC）轉換電能來驅動。在本項目的直流配電系統中，發電機輸出端配置整流器，經此輸出直流電給直流配電板，負載僅需使用逆變器（DC-AC）進行驅動。直流網系統拓普圖（Figure 1）和單線圖（Figure 2）如下。

配有調速器（Governors），啟動時處于怠速，根據電網負載載荷 PEMS給出轉速命令，調整柴油機轉速設置點，使運行效能在最佳狀態。

直流電壓等級由AVR控制，壓降曲線特性應用于直流電網以確保發電機并聯運行時進行負載分配，發電機整流器由橋式晶閘管方式進行整流。

柴油機能夠在機艙控制系統進行本地操作，發電機也能過整流器本地控制板或者PEMS系統進行本地操作。

另外，發電機組，直流分配系統可以包含各種交流電電源，比如電池組，超級電容器等，經DC-DC整流器連接到直流電網，由專用軟件控制。

2系統組成

主機。動力系統配置四臺3.6MW柴油發電機，調速器通過控制油門來控制柴油機轉速。轉速設定值是由動力和能源管理系統（PEMS）來管控。在直流網系統，柴油機的轉速獨

1）立于其輸出功率。

2）調壓器。調壓器（AVR）控制直流電壓來進行負載分配。在直流網系統，AVR通過發電機控制功率輸出。

3）整流器。發電機的交流輸出端經整流器轉換成直流并且控制到直流網的功率流速，實行對電壓的受控放大。

4）發電機隔離開關。發電機隔離開關由動力和能源管理系統（PEMS）來管控。

5）油門系統。動力和能源管理系統（PEMS）接收到油門系統的數據，其標準接口是一個油門位置的信號，模擬量。

6）驅動器/推進器。二臺4200KW艉部推進器，二臺2200KW可伸縮推進器和一臺700KW側推進器作為推進系統，每臺推進器由每個驅動控制單元（DCU）來監測和控制，PEMS接收來自DCU的模擬量值和狀態，再發送負荷曲線的限制指指令到DCU。

7）直流網保護單元。控制器REF615用來監測直流網和故障時對兩邊配電分電板進行保護。

8）直流母排。PEMS監測直流母排的狀態，PEMS OS本地控制母排通過控制器REF615來實現保護。

9）輸入模塊（IC）/能量儲存輸入模塊（ESIC）。輸入模塊監測流入流出每個驅動器的功率，并對直流網進行保護，在電網電壓突然下降時，輸入模塊會阻止電流從驅動器返回到發電機側，確保已安裝保險絲的分離性和故障后系統的快速恢復。輸入/ 能量儲存輸入模塊會與DCU與安全系統之間有通訊。

10）直流/直流整流器。整流器控制直流網和能量儲存系統之間的能量流進入/出，用在能量儲存系統。

11）能量儲存系統。能量儲存系統，比如超級電容器，或者電池組，本項目為電池組。容量為369KWh/1320KW，查找BATTERY的DNV證書，相關參數，包含兩串電池，每串有4個子電池包。通過雙向DC-DC整流器控制電池的充電/放電。

12）低壓配電板/應急配電板。非PEMS部分，低壓配電板分2段，供電給交流負載連接到此配電板經由兩臺1200KW日用變壓器。

13）應急配電板。非PEMS部分，應急配電板饋電由應發到負載連接到此配電板。

三臺1300KW貨油泵，三臺100KW液壓泵站。以上大型設備經直流母排閉合母聯配電板，通過母聯開關分成2段，直接供電并變頻控制，440V輔助設備供電則是通過日用變壓器分別從每一段直流母排配電板供電等。大型蓄電池組作為能量補充，連到直流母排2段，這樣構成整個直流配電系統網絡，如Figure 2所示。滿足DNV船級社DYNPOS-AUTR，BATTERY POWER NOTATION。

設計考慮正常工作時電池組同時連接到兩塊直流母排與四臺發電機組成混合電站，當任何一段母排檢測到故障時，直流配電板中間的母聯開關會在100ms內分開，且與故障直流母排連接的電池組開關也會分開，使得電池組只與健康的直流配電板相連，組成發電機組2臺發電機組和電池組的混合電站來確保在丟失一半動力的情況下整個船舶動力定位正常運行。在整個電站的工作過程中，電池組處于輔助柴油機的狀態，利用電池組快速放電的特性，使得柴油機始終工作在最經濟的轉速下。

AC發電機組有兩種模式，恒頻和降頻，降頻通過同樣特性的調速器，并車和同步給油門信號，給多少油門要從配電板讀功率信號恒頻模式，各個調速器之間有通訊，一個主調速器發油門信號給各個調速器，統一步子，功率信號也是來自配電板。

直流發電機組沒有恒頻，速度全部由PMS管理，根據柴油機速度-功率曲線，和下多少MS需要的功率，以及電池的容量，給出下一個時間點的轉速。

結語：

綜上所述，本文簡單分析了直流電站系統的組成以及在實際應用中的優勢，以期為相關工作提供一定的參考價值。

參考文獻：

[1]陳嘉偉，封海寶，張輝.船舶直流電站電力推進系統的研究[J].青島遠洋船員職業學院學報，2017，38（02）：1-4+7.