船舶電力推進交流與直流系統對比研究

陳嘉偉，曹曉明，陳旭清，郭 昂

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船舶電力推進交流與直流系統對比研究

陳嘉偉1，曹曉明1，陳旭清2，郭 昂1

(1. 中國船舶科學研究中心，無錫 214082；2. 無錫市水利局，無錫 214031)

對交流與直流船舶綜合電力推進系統的設計進行了對比分析，將船舶電力推進系統的設計分為系統設計和關鍵設備選型設計兩部分進行了研究。在系統設計方面，主要對比了交流與直流系統的短路電流、選擇性保護、諧波抑制的異同。在關鍵設備選型設計方面，對ABB、SIMENSE和EMS三個技術方案對直流母排故障的保護方面進行了分析。隨后對直流船舶電力推進系統的優勢與不足進行了分析，最后對船舶電力推進交流與直流系統對比進行了總結。

電力推進 對比研究 系統設計 設備選型設計

0 引言

船舶電力推進是指將船舶的動力系統和電力系統進行綜合的一體化設計，將其它的能量形式統一轉化成電能后，提供給全船所有設備使用[1]。經過近三十年的發展和應用，常規低壓交流電力推進技術已逐步發展成熟，中高壓交流電力推進技術也得到了廣泛的應用，目前是大型海洋工程船中電力推進系統的主流。此外，隨著對節能環保及高性能船舶電力系統的要求不斷提高，以直流電力系統為特征的新一代船舶綜合電力推進系統已經開始出現，并在節能減排、多能源接入、設備重量體積等方面表現出了明顯的優勢，成為行業發展的重點方向[2]。

船舶綜合電力推進系統的設計主要包含兩方面的內容，一是系統設計，二是關鍵設備選型。系統設計主要解決系統層面的問題，包括確定系統電制、網絡結構、運行工況，完成負荷計算、系統短路電流計算、系統選擇性保護分析、諧波計算與抑制等。關鍵設備選型是在系統設計的基礎上，完成對系統總體性能及可實現性有決定性影響的關鍵設備的選型，同時在選型的基礎上對系統設計的各項內容進行一定程度的優化[3]，如通過設備參數的調整是系統的綜合性能指標達到最優等。

本文從船舶綜合電力推進系統的系統設計和關鍵設備選型設計這兩項為切入點，對直流系統和交流系統的設計進行了對比研究。

1 直流、交流電力推進的系統設計對比

無論交流系統還是直流系統，其設計內容都是一致的，都需要考慮系統短路電流、選擇性保護、諧波抑制等[4]，但由于兩者工作機理不同，導致兩者的關注點是不同的。

1.1 短路電流

對交流系統來說，系統的短路電流更多與發電機電磁參數及系統運行工況相關，在系統設計的過程中對短路電流和諧波問題需要統籌兼顧考慮，既保證將短路電流控制在適當的范圍內，方便斷路器選型，也要保證系統的諧波含量滿足規范的要求。

對直流系統來說，系統的短路電流除了與發電機的電磁參數及運行工況有關外，還有一個極為重要的因素是變頻器母線電容的放電電流。該電流持續時間短（一般在100 μs以內），對系統的破壞極大，是目前行業內需要解決的一大技術難題，目前國際上也沒有針對船舶直流系統短路電流計算的標準規范。

1.2 選擇性保護

對交流系統來說，系統的選擇性保護設計方案相對成熟，無論是中壓系統還是低壓系統，都可以通過各級斷路器之間在動作時間和動作電流上的合理設置實現系統保護的選擇性，并具有后備保護。

對直流系統而言，系統的選擇性保護是目前行業內公認的難點。這體現在三個方面，一是系統各級設備的選擇性保護極為困難，特別在多機并聯的情況下；二是各級保護幾乎沒有后備保護；三是直流系統與交流系統的匹配問題。

1.3 諧波抑制

對交流系統來說，諧波抑制關注的重點是公共母線的諧波畸變量，包括公共母排和日用電網，必須保證各級電網的諧波指標不超過規范要求的限值。在科考船上，對科考設備供電的電源可能有更高的要求，需要獨立的清潔電源供電。對直流系統來說，對諧波問題關注的重點在交流發電機和日用負載電網這兩個方面，在交流發電機方面來說由于100%非線性負載引起的諧波問題是發電機設計中必須考慮的因素。在日用負載方面，由于采用靜態電源供電，電源的濾波方案是重點考慮的因素。

2 直流、交流電力推進的設備選型對比

關鍵設備的選型與功能設計是與系統設計的多項計算結合起來完成的，主要包括4項：在系統短路電流計算的基礎上完成配電板主斷路器的選型；在系統選擇性保護分析的基礎上完成系統選擇性保護方案的制定；在諧波計算的基礎上完成推進系統整流方式（對交流系統）并結合短路電流計算確定發電機電磁參數；在負荷計算的基礎上完成PMS的功能設計和控制策略的優化。

傳統交流綜合電力推進系統目前已經基本發展成熟[5]，其總體性能及系統可靠性已經得到了充分驗證，在合適的系統容量范圍內，技術方案的可行性十分可靠。對交流綜合電力推進系統的設計更多的注意力放在設備的選型方面，即是否有合適的產品可供選型。系統容量8 MW以下采用低壓交流系統在技術上十分成熟，關鍵設備的選擇范圍比較多。系統容量8 MW~50 MW采用中壓交流系統在技術上也較為成熟，國內外均有相關關鍵設備供選型[6]。

對直流綜合電力推進系統來說，國內還沒有成熟應用案例，國外僅有以ABB、SIMENSE、EMS三家公司為代表的少數應用案例，且全部為低壓系統，目前為止國內外均沒有中壓直流系統的應用案例[7]。以ABB、SIMENSE、EMS為代表三家公司分別采用了不同的直流綜合電力系統技術路線，無論哪種技術方案，核心的差異都體現在對直流母排故障的保護方面，這也是直流綜合電力系統的設計難點與關鍵點，以圖1所示的典型直流綜合電力系統進行說明。

ABB方案供電側采用同步發電機+不控整流的方式，母聯開關采用機械式斷路器，在每個負載的逆變側裝有電子開關，用于阻斷在母線故障情況下逆變單元電容放電，從而限制故障發生時的故障電流，使系統具有較強的故障穿越能力。該方案在母排發生故障的情況下可以保證母聯斷路器先分斷，保證非故障母線的正常運行，具有一定的選擇性，但在發電機整流單元故障的情況下也會失去一段母線的供電，不能實現完全選擇性。由于需要在每個逆變單元上設置一個電子開關，該方案造價昂貴，同時對控制系統有極高的要求，在檢測到母線故障的情況下，要快速對逆變輸出進行限制，以維持電容電壓，保證其故障穿越能力。由于各電子開關都裝在每個逆變單元上，單個開關容量目前還可以實現標準產品選型，同時母聯開關采用機械式斷路器。

圖1 典型直流綜合電力系統圖

SIMENSE方案供電側也采用同步發電機+不控整流的方式，但與ABB不同的是，其將母聯開關設置為電子開關，各逆變側由熔斷器提供保護。該方案的優勢是在母排發生故障的情況下可以在極短的時間內（20 us）分斷母聯斷路器，保證非故障母線的正常運行，具有一定的選擇性，但在發電機整流單元或負載逆變單元故障的情況下也會失去一段母線的供電，同樣不能實現完全選擇性。

與ABB和SIMENSE方案不同，EMS方案在供電側采用的是異步電機+可控整流的方式，采用這種方案的優勢在于對發電側的控制較簡單，相對成本也較低。在系統保護方面，該方案主要依賴熔斷器完成對整流及逆變單元的保護，對直流母排的保護依靠機械式斷路器實現。理論上來說，該技術方案存在全船失電的風險，這是由于無論熔斷器還是機械式斷路器，其動作時間都大于直流母線電容的放電時間，在熔斷器或機械式斷路器動作前系統可能已經因為電容放電導致母線電壓過低而停機。

3 技術方案對比

3.1 直流方案的優勢

采用直流推進方案，可使設備體積重量大幅度降低，從國外統計數據來看[3]，電力推進系統設備的總重量可降低20%以上，艙室空間節省30%以上，總體效率提升5%~10%。

由于直流系統允許發電機組運行在不同的轉速下，可以根據原動機的萬有特性曲線和實際運行工況調整原動機的運行轉速，達到節能減排的效果。國外典型船舶運行統計數據表明，相對交流系統，直流系統在最惡劣工況下（DP作業）也能節省14%的燃油，且方便多能源接入，使得純LNG動力發電機在電推船上的大規模應用成為可能，進一步提升節能減排效果。

3.2 直流方案的不足

采用直流推進方案也存在一定的不足，主要體現在系統選擇性保護困難，技術成熟度有待提升。

設備選型困難，成本高昂，特別是直流斷路器，傳統機械式斷路器無法實現選擇性，新型電子式短路器選擇范圍有限，目前最大額定電流為4 kA，單個斷路器價格達到100萬人民幣以上。

機組變轉速運行控制困難，同時會給系統減振設計帶來挑戰。直流系統最大的亮點之一就是機組的變轉速運行，但這一功能對系統運行控制的要求極高，需要對機組調速系統和發電機AVR進行協調控制。由于不同控制系統工作特性和響應時間不一致，不恰當的控制方式容易導致系統失穩。此外，由于機組在寬轉速范圍內運行（一般在60%~100%額定轉速），可能帶來新的共振點，對減振系統的設計及機組成套設計提出了新的挑戰，這一點對科考船尤為重要。另外，在采用定轉速發電的一些科考船設計中，當機組運行的經濟性和機組的減振降噪效果這兩個方面不能兼顧時，減振降噪效果往往更受關注。

4 總結

交流電力系統方案和直流電力系統方案，在發電機端和推進電機端采用的都是交流電，在中間電力傳輸的方式上有所不同。從技術成熟度及可行性、設備可選擇范圍、建造成本等多方面綜合考慮，采用中壓交流系統可能更優。采用直流系統最大的意義在于可以有效降低電力推進設備的尺寸重量，增加有效艙容，但需重點關注機組變轉速運行對減振方案帶來的負面影響，同時，系統保護方案的設計和電子式斷路器的選型會遇到無成熟產品可供選擇的情況。

[1] 董航飛, 賈君瑞. 基于DSP的船舶電力推進系統濾 波裝置控制器設計[J]. 艦船科學技術, 2016, 38(3): 97-101.

[2] 曾尚德. 船舶電力推進系統負載特性研究[J]. 艦船科學技術, 2016(8): 13-15.

[3] 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(2): 1-4.

[4] 李云鵬, 趙宏革, 李世霖等. 船舶電力推進永磁同步電機SVM-DTC控制系統優化[J]. 船電技術, 2017(2): 28-32.

[5] 錢海月, 王海洋. AFE變頻器在船舶電力推進電機控制中應用的研究[J]. 艦船科學技術, 2017(8): 40-42.

[6] 文光澄. 內河船舶電力推進系統的設計要點[J]. 船電技術, 2017, 37(5): 27-29.

[7] 萬叢, 李成陽. 西門子S120變頻器在船舶電力推進系統中的應用[J]. 船電技術, 2017, 37(6): 69-72.

Comparative Study on AC and DC Electric Propulsion Systems of Ship

Chen Jiawei1, Cao Xiaoming1, Chen Xuqing2, Guo Ang1

（1.China Ship Scientific Research Center, Wuxi 214082, JiangSu, China; 2. Wuxi Water Conservancy Bureau, Wuxi 214031, JiangSu, China）

U664.14

A

1003-4862（2019）01-0011-03

2018-08-28

陳嘉偉(1990-)，男，博士。研究方向：船舶輪機與動力設計。E-mail: chenjiawei44@126.com