直流電網在大型船舶中的發展趨勢

樂春陽

(中國船舶電站設備有限公司， 上海 200129)

0 引 言

早期的船舶電網(電力系統)采用直流電制。中國于1958年才開始逐步由直流電制轉換到交流電制。當初的轉換主要有2個原因：直流電機在結構上固有的局限無法克服；直流變流技術難以滿足需要。

然而，隨著交流電網技術的應用和發展，其固有矛盾也越來越顯現：(1)接入電網的所有電機必須有足夠的阻尼以減少干擾諧波，而且接入電網的所有發電機必須嚴格同步，其特性必須匹配；(2)無功功率是電網中不容忽視的問題，直接影響到電網的品質、電網電壓及其損耗，今后電網容量發展將越來越大，無功功率的治理更顯突出[1]；(3)現在的電力推進系統、側推裝置、起重設備、錨絞設備等大功率電力拖動設備都采用變頻驅動裝置。在交流電網中，變頻器先把交流整流成直流，再把直流轉換成頻率可變的交流。每個裝置都需要一套整流單元。變頻器幾乎占電站容量的80%以上。

目前的大功率電子技術已成熟地應用于各種電源變換器上，如交流/直流(AC/DC)、直流/交流(DC/AC)、直流/直流(DC/DC)、交流/交流(AC/AC)。在船舶上再次使用直流電網將成為一種可能。

從船舶動力的發展階段來看：第一次工業革命，19世紀初，蒸汽機逐漸取代人力、風力作為船舶動力；第二次工業革命，20世紀中葉以來，內燃機、燃氣輪機、核動力汽輪機逐步發展成熟并被應用于船舶動力；第三次工業革命，綜合電力系統應用于船舶動力，即電力推進。

電力推進的特點：一是用電力(發電機)將原動機(這里指柴油機)的能量傳輸給推進器(螺旋槳)；二是節省燃油，減少對環境的污染排放；三是主要根據運行需要決定投入發電機組的數量。

船舶電力推進完全采用直流電的歷史可以追溯到19世紀。從20世紀70年代開始使用交流配電和直流驅動的電力推進方式。20世紀80年代引入了第二代交流傳動的電力推進，向成本效率和可靠性邁進了一大步。20世紀90年代第三代吊艙式推進器進入市場。2000年后逐步優化。目前，推出船舶直流電網系統。

1 船舶直流電網的基本構成

船舶直流電網的基本構成：電源、變電環節、配電以及用戶。

電源可以是交流，例如交流旋轉發電機，也可以是直流，例如蓄電池、太陽能電池、燃料電池等。交流電源可通過整流進入直流電網，直流電源可通過逆變進入交流電網。

用戶可以是交流，例如感應電動機，也可以是直流，例如交流電動機的變頻調速設備。

如圖1所示，直流電網的一側是各種供電電源，另一側是用戶，控制系統控制電源的接入和用戶的使用。直流電網基于現有的電源和用戶：電源有旋轉發電機、燃料電池、蓄電池、太陽能電池等；用戶有吊艙式推進器、各種側推推進器等。未來可以接入新型能源和推進器。

圖1 直流電網的電源和用戶

直流電網的電源并聯操作和運行以及輸電穩定性都優于交流。過去由于直流電網中不同電壓的電源要變換成同一電網同一電壓很困難，直流電動機還存在碳刷、整流子結構復雜等問題，因此被交流電網所替代。目前，隨著大功率電子器件和逆變技術的發展，解決了交直流電之間的轉換，變頻調速解決了交流電動機的調速問題，同時為將來使用新型電源和新型大功率推進器作準備。

2 船舶直流電網的配置演變

早期的船舶電網是直流的，之后演變成交流的。目前又提出在大功率電力拖動負載(如電力推進和電力側推器等)的船舶上采用直流電網。演變的理念如圖2所示。圖2a)是船舶的交流電網配置。交流發電機G是電源，向主配電板的交流母線供電，供電斷路器為Q1。向母線供電的其他電源一般都是原動機驅動的旋轉交流發電機。電源通過變壓器Tn的適配向日用負載供電，電動機M是典型的大功率負載。用于推進器和側推器的交流電動機采用變頻調速。變頻調速裝置的主體是逆變器(交流電網中，把交流電轉換成直流電稱為“整流”，再把直流電轉回到交流電稱為“逆變”)，交流電網需通過變壓器T1和整流器向逆變器供電。整流器輸出的直流是脈動的，含有大量的諧波成分。一般的小功率負載整流產生的諧波對電網的影響可以忽略，大功率負載則“污染”了電網，影響供電質量。整流器前的變壓器除了電壓的適配外，還起到減少直流脈動的作用。

圖2 電網的電源演變

三相交流的全波整流輸出有6脈沖，比單相全波整流的2脈沖密集得多，直流脈動大幅下降，但仍然不夠，還需加諧波濾波器。圖2a)中的三繞組變壓器T1，二次側兩個輸出端交流輸出相位移相，整流輸出有12脈沖，直流輸出的脈動大幅減小。還可增加繞組或采取措施得到24脈沖，使直流輸出更加平滑，降低諧波分量。

由此可知，逆變器需要直流電源。如果在電網中，通過逆變器控制的負載比例大，采用直流電網可省去每個負載都配置變壓器、整流器的麻煩。

圖2b)是從交流電網演變來的直流電網配置。發動機供電斷路器改為價格相對較低的隔離開關，交流母線用直流母線槽替代，無需設置專門的主配電板。母線槽在陸地的大樓供電系統中已被廣泛應用。母線槽從底層通到最高層，每層從母線槽接出電源到配電板，向該樓層供電。船舶采用母線槽，將電源送到各用戶處，各用戶從槽上接出電源使用。各大功率用戶通過隔離開關連接逆變器。日用(交流)負載通過逆變器供電，或再經過變壓器適配電壓。

圖3是直流電網演變示例。各大功率負載的整流器集中移到各供電發電機處，變壓器可省去，主配電板和交流母線也可省去。

圖3 直流電網的演變

圖3還顯示直流母線上可以接入其他電源設備，例如燃料電池、能量儲存裝置等。這突顯了直流電網的優點，此優點是大功率電子技術應用于船舶上的體現。

圖4為各種驅動裝置都可直接接入母線的情況。2條母線通過聯絡開關連接。每條母線上發電機通過整流器接入母線，母線上都接有能量儲存裝置。恒轉速交流電動機和需要變速的電動機通過逆變器或變頻器控制運行。日用負載母線可通過逆變器或再經變壓器適配供電。

圖4虛線框表示所有變換器可以集中設置在一起，例如把這些變換器模塊集中排列在主配電板內。

圖4 各種驅動裝置直接接入母線

直流母線可以不局限于主配電板內，把母線用母線槽延伸到各用電設備中。圖5為分布式系統。所有設備配置與圖4相同，但不同的是，各個電源設備、用電設備的變換器可放置在一起，例如：發電機的“交流/直流”變流器與發電機放置在一起，特殊設計可內置；電動機的“直流/交流”逆變器可以放置于電動機旁；電力推進的“直流/交流”變頻器可以就地設置；低壓日用母線的“直流/交流”逆變器可在低壓配電板旁放置或內置。

圖5 分布式系統

3 船舶直流電網的實船應用

以某支援船為例，其電網的配置細節介紹如圖6所示。發電機和整流單元、能量儲存轉換單元等設置在機艙，各電源單元輸出的直流接在母線上，母線以母線槽的形式貫穿全船。各交流負載、交流配電板電源通過逆變器接入直流母線。大功率變頻調速負載例如推進器、裝置的電源直接插入母線槽。整個直流電網和負載的供電控制則設在駕駛室中。

圖6 船舶直流電網的配置細節

(1) 逆變器單元。一臺逆變器可以供單獨負載使用也可以供多個負載使用，如圖7所示。

圖7 逆變器可供單個或多個負載使用示例

(2) 能量儲存裝置。為區別于交流電網，直流電網設置能量儲存裝置，采用“直流/直流”變換器控制能量，裝置設置電池組以及超級電容器組等，可插入系統使用，如圖8所示。

圖8 能量儲存裝置

設置能量儲存裝置的優點在于：①可改善整個能源的效率；②零排放運行；③改善動態響應特性；④增加運轉的備用能力。

交流發電機按恒定轉速運行，只有在一定負載情況下可達到最高效率。采用直流供電，允許柴油機的轉速按負載大小改變，以達到最佳運行狀態，提高運行效率，燃料可完全燃燒，實現零排放。由于接入蓄電池組，輔助電源對動態(負載變化)作出快速響應，增加了運轉的備用能力。

(3) 控制系統。采用分布式控制的優勢在于更快、更智能地控制，減少輔助電纜，通過以太網實現信息共享。

模塊化設計能使軟件維護簡單，工程設計更快。遠程診斷服務不僅能提供全天候在線服務，還可涵蓋船上所有相關設備。整個電網運行可在駕駛室實行集中控制，實現真正意義上的無人機艙。上述優點是采用以太網得以實現的。如出現運行問題，在岸的工程部門可實施遠程診斷服務。

(4) 效率。能量儲存的作用：控制電網負載水平，以減小柴油機負載的波動；提供運行備用以減少在網的機組臺數；對帶透平增壓器的柴油機可提高動態響應性能。

功率和能源管理的優勢：有功率分配；通過能源儲存裝置的充電和放電使負載狀態最佳化，以提高柴油機的效率；編排負載計劃；使柴油機處于熱備用狀態成為可能。

能量儲存和功率管理系統的作用如圖9所示。電網負載處于某一水平運行，電網負載向上增加的時段(黑色)，能量儲存裝置儲存的能量放電，電網負載向下減少的時段(白色)，柴油機向能量儲存裝置充電。由此看出，柴油機始終保持一定的負載水平。圖9中向上的黑色三角形表示負載突然增加，帶增壓的柴油機無法立即反應提高轉速，能量儲存裝置的放電相當于幫助柴油機提高了動態響應能力。

圖9 能量儲存對負載的最佳化

(5) 保護原理。具有全新的保護理念：保護通過熔斷器、可控半導體器件和隔離開關的特性組合來實現；可以預計電網的預期短路電流更低。

在確保安全方面：發生故障時設備會得到保護；采用合適的選擇性保護，發生單個故障時能確保系統維持安全運行。

采用直流電網時，最關心的莫過于怎樣“開、關”電路。關斷電路時觸頭要拉(燃)弧，直流熄弧比交流難得多。地鐵采用直流電，開關(除電子開關外)都采用壓縮空氣操作，與同樣電流的交流開關相比體積要大得多。

新概念的船舶直流電網，省去交流主配電板和斷路器以及相應的繼電保護。全新的保護理念是通過熔斷器、可控半導體器件和隔離開關的特性組合來實現保護，如圖10所示。

圖10 直流電的新保護

現在提出的直流電網基于各電源組件都帶有可控的變換器。例如，交流發電機經可控整流單元輸出，發生故障時可關斷輸出，分斷故障電流的速度比斷路器快，但這只是電力電子電路分斷，不是真正意義上的絕緣，即斷口之間是空氣、絕緣氣體或絕緣油。

加了熔斷器后可在某個電路、組件發生嚴重故障(短路)時燒斷、分斷電路，起到保護和隔離的作用。實際上這與早期采用的閘刀開關加熔斷器的保護原理相同。分斷電路保護動作不是靠開關斷開而是靠熔斷器燒斷、分斷。

故障電路或器件與無故障電路真正意義上的隔離需要使用隔離開關。

4 船舶直流電網的關鍵點

隨著船舶功能需求和綜合電力技術的不斷發展，系統的容量越來越大，可達數百兆瓦，這給大容量中壓直流斷路器帶來了巨大的挑戰。同時，短時、大容量負載的使用對于系統的沖擊都極其巨大，因此需要配備合適的儲能系統。儲能系統和自身發電系統相融合帶來的電網能量調控系統具有一定復雜性[2]。

其一，系統的容量越來越大，使得原有的熔斷器加隔離開關組合方式顯得力不從心，促使直流斷路器的額定電壓、額定電流和分斷能力等指標需求不斷提高，給中壓直流斷路器的研發和試驗帶來了巨大的挑戰。中壓直流斷路器一般有2種技術方案：中壓直流空氣斷路器和中壓直流真空斷路器。中壓直流綜合電力系統若采用中壓直流空氣斷路器方案，需重點解決空氣斷路器的滅弧問題。系統直流主網短路時，短路電流沒有自然過零點，空氣斷路器將采用直接硬分斷的方式實現短路保護，分斷過程中將產生高能量電弧。主網直流電壓較高，如何有效地吸收該電弧能量，即采用有效的滅弧技術是決定空氣斷路器能否有效分斷的關鍵。中壓直流綜合電力系統若采用中壓直流真空斷路器方案，需重點解決反向脈沖電路的設計問題。系統直流主網短路時，直流真空斷路器采用在真空滅弧室中疊加反向脈沖電流以制造人工過零點，從而分斷短路電流。由于真空觸頭打開時滅弧室的燃弧能量、觸頭開距、恢復電壓以及燃弧時間與真空滅弧室關斷的可靠性密切相關，因此選擇合適的反向脈沖電路參數及反向電流的投入時機至關重要，也是該技術的難點。

其二，分布式、復合型能量存儲裝置將是一個新的研究領域。超級電容是一種新型的儲能裝置，其優點是：充電非常迅速，可循環使用幾十萬次，可接受頻繁脈沖，在額定電壓范圍內的任意電壓下進行充電。還有譬如飛輪儲能裝置等也屬于新型分布式、復合型能量存儲裝置。

其三，各種電源間的復雜配合保護、控制策略問題等。

5 結 論

經過對直流電網的初步介紹，可以認識到船舶直流電制與船舶直流電網是兩回事。直流電制的船舶，整個電力系統從發電、配電、輸電到用電都是直流電。直流電網的船舶，只有輸電是直流電，主電源(發電機)是由交流變換成直流的，電力用電設備仍然采用交流。大量使用大功率變頻器的船舶(功率達到裝機容量的80%)才有必要使用直流電網。同時，也認識到直流電網的優缺點和今后需要努力的方向。