直流電站電力推進(jìn)系統(tǒng)在小水線面雙體科考船中的應(yīng)用

李明剛，袁 毓

直流電站電力推進(jìn)系統(tǒng)在小水線面雙體科考船中的應(yīng)用

李明剛，袁 毓

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

某型小水線面雙體科考船是國(guó)內(nèi)大型科考船之一，該船建造項(xiàng)目屬于國(guó)家重點(diǎn)工程項(xiàng)目，本文詳細(xì)介紹了直流電站電力推進(jìn)系統(tǒng)在小水線面雙體科考船上的應(yīng)用。通過(guò)典型方案的比對(duì)，表明了所選方案的先進(jìn)性與可靠性，具有一定的工程實(shí)踐指導(dǎo)作用。

直流電站電力推進(jìn)系統(tǒng) 小水線面雙體科考船

0 引言

某型小水線面雙體試驗(yàn)船是是目前批復(fù)建設(shè)噸位最大的小水線面雙體試驗(yàn)船，對(duì)配置的船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)[1]的先進(jìn)性、可靠性等有很高要求。

該船綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)基本組成如下：

1）主推進(jìn)功率：2×3.2MW

2）側(cè)推進(jìn)功率：2×1000kW

3）日用負(fù)荷供電：1100kW/3AC380V/50Hz

4）大型甲板機(jī)械：2×300kW

5）DP1級(jí)動(dòng)力定位系統(tǒng)

針對(duì)上述要求，我們通過(guò)對(duì)目前主流的電力推進(jìn)系統(tǒng)拓?fù)湫褪竭M(jìn)行對(duì)比論證后，給出適合該船的系統(tǒng)型式。

1 方案論證

本船推進(jìn)功率較大，單軸推進(jìn)功率達(dá)到3.2MW以上。從推進(jìn)電機(jī)來(lái)說(shuō)，該功率等級(jí)上中壓及低壓推進(jìn)電機(jī)都可以選用，因此本方案論證的重點(diǎn)在于系統(tǒng)型式，并根據(jù)系統(tǒng)型式確定采用何種電壓等級(jí)。

目前可用于本船的電力推進(jìn)系統(tǒng)有三種型式：

1） 交流DFE型式的電力推進(jìn)系統(tǒng)

2） 交流AFE型式的電力推進(jìn)系統(tǒng)

3） 直流電站型式的電力推進(jìn)系統(tǒng)[2,3]

1.1交流DFE電力推進(jìn)系統(tǒng)

交流DFE電力推進(jìn)系統(tǒng)是當(dāng)前船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)廣泛采用的技術(shù)方案，其前端采用不控整流器件，其典型系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D1所示。

交流DFE型式電力推進(jìn)系統(tǒng)的顯著特點(diǎn)是推進(jìn)支路上具有整流變壓器，用于實(shí)現(xiàn)電壓匹配及降低電網(wǎng)諧波。該系統(tǒng)從上世紀(jì)80年代應(yīng)用到現(xiàn)在，有接近40年的歷史，技術(shù)極為成熟，也是目前大多數(shù)電力推進(jìn)船舶的常用系統(tǒng)。DFE型式電力推進(jìn)系統(tǒng)主要缺點(diǎn)是具有整流變壓器，體積較大，同時(shí)由于螺旋槳制動(dòng)能量無(wú)法回饋，需要配置大型的制動(dòng)電阻耗散螺旋槳回饋能量。

圖1 交流DFE電力推進(jìn)系統(tǒng)拓?fù)鋱D

1.2 交流AFE電力推進(jìn)系統(tǒng)

隨著技術(shù)的進(jìn)步，AFE前端變頻技術(shù)越來(lái)越成熟，采用交流AFE型式的電力推進(jìn)系統(tǒng)也逐步得到推廣應(yīng)用，其典型系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D2所示。

圖2 交流AFE電力推進(jìn)系統(tǒng)拓?fù)鋱D

交流AFE型式的電力推進(jìn)系統(tǒng)顯著的特點(diǎn)是采用有源整流前端（即AFE前端）的推進(jìn)變頻器，不再需要龐大的整流變壓器，由于同容量AFE變頻器與DFE變頻器體積重量差別不大，因此AFE型式的電力推進(jìn)系統(tǒng)比DFE型式電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量少，總體體積更小，重量更輕。但交流AFE型式的系統(tǒng)由于采用了有源整流前端，對(duì)船體地容易產(chǎn)生高頻共模干擾，在低壓系統(tǒng)中共模干擾影響較小，但中壓系統(tǒng)的影響則不容忽視，因此AFE型式電力推進(jìn)系統(tǒng)主要用于低壓系統(tǒng)中，在中壓電力推進(jìn)船舶中應(yīng)用較少。

1.3 直流電站電力推進(jìn)系統(tǒng)

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，直流電站型式的電力推進(jìn)系統(tǒng)倍受關(guān)注[4,5]。該系統(tǒng)的應(yīng)用，具有節(jié)能減排、節(jié)省艙室空間、電源品質(zhì)優(yōu)秀等特點(diǎn)。其典型系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖3所示。

圖3 直流電站電力推進(jìn)系統(tǒng)拓?fù)鋱D

直流電站型式的電力推進(jìn)系統(tǒng)主要特點(diǎn)是全船主干電網(wǎng)采用直流電制，發(fā)電機(jī)組整流供電，所有設(shè)備從直流電網(wǎng)上取電，通過(guò)逆變或變頻后供電。直流電站電力推進(jìn)系統(tǒng)中，雖然主干電網(wǎng)采用直流電制，但系統(tǒng)中主發(fā)電機(jī)組仍然為交流發(fā)電機(jī)組，推進(jìn)電機(jī)仍然為交流推進(jìn)電機(jī)，日用負(fù)荷依然為常規(guī)的交流負(fù)載，因此對(duì)船舶系統(tǒng)外部設(shè)備影響較小，具體說(shuō)明如下：

1）變速發(fā)電，節(jié)能減排。采用變速發(fā)電技術(shù)，提高柴油機(jī)低工況下的燃油經(jīng)濟(jì)性，有效地彌補(bǔ)了交流DFE及AFE系統(tǒng)中機(jī)組低工況下油耗激增的缺點(diǎn)；

2）節(jié)省艙室空間，減小重量。AFE系統(tǒng)一樣，沒(méi)有龐大的整流變壓器，2種系統(tǒng)從總體積重量上差別不大，而且目前主流的直流電站系統(tǒng)將整流、逆變及配電保護(hù)集成為一體，比AFE型式的系統(tǒng)進(jìn)一步減少了設(shè)備數(shù)量，有效的簡(jiǎn)化了艙室及電纜布置；

3）電站穩(wěn)定性更好。動(dòng)力系統(tǒng)的主發(fā)電機(jī)組仍然為交流發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)組整流后給直流主電網(wǎng)供電，多臺(tái)發(fā)電機(jī)組可并聯(lián)運(yùn)行。由于發(fā)電機(jī)組整流后在直流電網(wǎng)側(cè)并聯(lián)，只需要對(duì)電壓進(jìn)行控制，對(duì)機(jī)組頻率的敏感程度下降，因此更容易實(shí)現(xiàn)機(jī)組的并聯(lián)運(yùn)行，機(jī)組并網(wǎng)快速性及運(yùn)行穩(wěn)定性更好，而且發(fā)電機(jī)組不會(huì)出現(xiàn)逆功狀態(tài)。

4）日用負(fù)荷電源品質(zhì)更好。直流電站電力推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)日用負(fù)荷電制沒(méi)有特殊要求，逆變電源將直流電網(wǎng)逆變成三相交流后供電，供電電源品質(zhì)更好，不再受DFE系統(tǒng)中主發(fā)電機(jī)組諧波干擾或AFE系統(tǒng)中高頻共模干擾。

綜上所述，3種型式的電力推進(jìn)系統(tǒng)均可在本船上應(yīng)用，以下將分別進(jìn)行說(shuō)明。

2 三種系統(tǒng)方案對(duì)比

2.1 交流方案

國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)的船用交流電制主要有AC690V、AC6600V兩種。如果選用交流電制，必須選用3×2940kW+1×1960kW機(jī)組，才能滿足定位工況負(fù)荷要求，本船電力系統(tǒng)容量接近11MW，單段母線容量接近6MW，最大單發(fā)電機(jī)容量為3MW，如果選用AC690V電制，發(fā)電機(jī)斷路器應(yīng)選擇4000A檔，母聯(lián)斷路器應(yīng)選擇6300A檔，估算系統(tǒng)最大短路電流至少達(dá)到120kA，峰值短路電流達(dá)到183kA，基本接近低壓斷路器的極限，不利于系統(tǒng)安全性，而且配電板體積重量將十分巨大。因此如果選用交流系統(tǒng)，則主干電網(wǎng)系統(tǒng)建議采用中壓電制，主要有以下三種方案：

1）6600V中壓電網(wǎng)+中壓DFE推進(jìn)方案；

2）6600V中壓電網(wǎng)+低壓DFE推進(jìn)方案；

3）中壓電網(wǎng)+AFE推進(jìn)方案。

2.1.1 6600 V中壓電網(wǎng)+中壓DFE推進(jìn)方案

圖4 中壓DFE方案單線圖

如圖4所示，系統(tǒng)電網(wǎng)由3臺(tái)2940 kW及1臺(tái)1960 kW交流發(fā)電機(jī)組供電，電壓為3AC6600 V/50 Hz，系統(tǒng)主推采用中壓推進(jìn)電機(jī)及配套的中壓DFE變頻器。另外，日用電網(wǎng)上還配有1臺(tái)800 kW的停泊發(fā)電機(jī)組。

2.1.2 6600 V中壓電網(wǎng)+低壓DFE推進(jìn)方案

如圖5所示，系統(tǒng)電網(wǎng)由3臺(tái)2940kW及1臺(tái)1960kW交流發(fā)電機(jī)組供電，電壓為3AC6600V/50Hz，系統(tǒng)主推采用低壓推進(jìn)電機(jī)及配套的低壓DFE變頻器。另外，日用電網(wǎng)上還配有1臺(tái)800kW的停泊發(fā)電機(jī)組。本方案與前述方案類似，不同只是整流變壓器副邊電壓，主推變頻器及主推電機(jī)。

圖5 低壓DFE方案單線圖

2.1.3 6600 V中壓電網(wǎng)+AFE推進(jìn)方案

考慮到主電網(wǎng)電制標(biāo)準(zhǔn)性及應(yīng)用的廣泛性，中壓等級(jí)首選AC6600V，如果主干電網(wǎng)采用AC6600V中壓電制，受限于功率器件的電壓，目前最高的電壓源型AFE變頻器只能到AC4160V，無(wú)法匹配AC6600V電網(wǎng)，目前只有美國(guó)AB公司有一款A(yù)C6600V電流源型變頻器，但無(wú)法驅(qū)動(dòng)永磁電機(jī)，因此當(dāng)電網(wǎng)采用AC6600V標(biāo)準(zhǔn)電制時(shí)，無(wú)法選用合適的AFE變頻器匹配電網(wǎng)電壓，如果增加變壓器進(jìn)行電壓匹配，那么與DFE系統(tǒng)相比不在具有任何優(yōu)勢(shì)，反而增加了建造成本。另一種辦法是主干電網(wǎng)選用非標(biāo)或者較少使用電制，如AC4160V或AC3300V等電制，再配合AFE變頻器使用，但非標(biāo)或者較少使用電制影響了全船設(shè)計(jì)及設(shè)備選取。

由于中壓AFE方式存在設(shè)備選型困難，同時(shí)中壓電壓源型AFE變頻器在船舶應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)很少，后期可能帶來(lái)電磁兼容性上的風(fēng)險(xiǎn)，因此該方案缺少實(shí)際工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，實(shí)踐性較差，。

2.2 直流方案

目前具有實(shí)船業(yè)績(jī)的直流電站系統(tǒng)只有低壓系統(tǒng)方案，直流電制為DC1000V。低壓1000V等級(jí)的直流系統(tǒng)最大實(shí)船電網(wǎng)容量已超過(guò)18MW，遠(yuǎn)大于低壓交流系統(tǒng)。

采用直流方案后可實(shí)現(xiàn)停泊發(fā)電機(jī)組與主發(fā)電機(jī)組的長(zhǎng)期穩(wěn)定并聯(lián)運(yùn)行，因此可以進(jìn)一步降低主發(fā)電機(jī)組的容量，可以采用2臺(tái)2940kW及2臺(tái)1960kW主發(fā)電機(jī)組，800kW的停泊發(fā)電機(jī)組不變，就可以滿足系統(tǒng)需求，有效的降低了系統(tǒng)造價(jià)，減小了系統(tǒng)重量。直流方案如圖6所示。

圖6 直流方案單線圖

本方案所有的整流裝置、變頻驅(qū)動(dòng)裝置及逆變電源裝置均集成到一個(gè)直流主配電板中，對(duì)外直接連接發(fā)電機(jī)、推進(jìn)電機(jī)及日用變壓器，系統(tǒng)較為簡(jiǎn)潔。由于全部設(shè)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(dòng)電阻。由于逆變電源采用先進(jìn)的控制算法，因此逆變電源與停泊發(fā)電機(jī)組可長(zhǎng)期并聯(lián)，并實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，等效于全船實(shí)現(xiàn)了一個(gè)靈活的交直流混合電網(wǎng)。

2.3 方案對(duì)比

上述幾種可行方案的主要對(duì)比如下所示：

系統(tǒng)方案6600 V中壓DFE方案6600 V低壓DFE方案直流電站方案 對(duì)比內(nèi)容電網(wǎng)電壓等級(jí)中壓中壓低壓 對(duì)船員要求高高低 成熟度高高高 設(shè)備數(shù)量多，29臺(tái)套/船多，29臺(tái)套/船少，15臺(tái)套/船 綜合油耗高高低 系統(tǒng)穩(wěn)定性一般一般高 設(shè)備總重量約414.1噸約414.6噸約337.2噸 設(shè)備體積大大小

3 小結(jié)

由前述分析可知，直流電站電力推進(jìn)系統(tǒng)系統(tǒng)的特點(diǎn)主要包括：

1）對(duì)于科考船，直流電站系統(tǒng)中變速發(fā)電技術(shù)可有效降低燃油消耗率，節(jié)省營(yíng)運(yùn)成本，通常會(huì)存在在非設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行的情況（如低速航行時(shí)），變速發(fā)電技術(shù)可實(shí)時(shí)降低機(jī)組單位油耗，動(dòng)態(tài)節(jié)能，具有補(bǔ)齊了交流系統(tǒng)中能量管理系統(tǒng)的短板之作用；

2）直流電站電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)備占用更少的艙室間，總重量更低，優(yōu)化了科考船總體布置，有利于搭載更為豐富的實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝備；

3）電力推進(jìn)船舶中，電網(wǎng)為全船所有設(shè)備供電，電網(wǎng)的穩(wěn)定性對(duì)全船航行安全十分重要，采用直流電站電力推進(jìn)系統(tǒng)有效的提高了科考船電力系統(tǒng)的安全性；

4）由于直流電站電力推進(jìn)系統(tǒng)的日用負(fù)荷電源品質(zhì)更好，相比交流電力推進(jìn)系統(tǒng)，可以確保實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備不受推進(jìn)系統(tǒng)諧波干擾。

綜上所述，直流電站方案具有更多的優(yōu)點(diǎn)，更適合于小水線面船型，因此推薦本船動(dòng)力系統(tǒng)選用直流電站系統(tǒng)方案。

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Application of Electric Propulsion System with DC Power Station to Small Water-plane-area Twin Research Ship

Li Minggang, Yuan Yu

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TH311

A

1003-4862（2019）06-0004-04

2019-03-20

李明剛（1986-），男，工程師。研究方向：控制工程。E-mail: 18040510963@163.com