直流組網(wǎng)技術(shù)在某內(nèi)河游覽船上的應(yīng)用

李興宇 劉洪偉

摘 ? ?要：目前大多數(shù)電力推進(jìn)船舶都采用交流組網(wǎng)技術(shù)。本文通過(guò)對(duì)某采用直流組網(wǎng)技術(shù)的電力推進(jìn)內(nèi)河游覽船的介紹，以及交流組網(wǎng)技術(shù)的比較，分析直流組網(wǎng)技術(shù)在內(nèi)河游覽船上的應(yīng)用特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：直流組網(wǎng);電力推進(jìn);內(nèi)河電池船

中圖分類號(hào)：U664.142 ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： At present， most electric propulsion ships adopt AC-bus technology. Through the introduction of a certain electric propulsion battery riverboat using common DC-bus technology， this paper analyzes the features and advantages of common DC-bus technology in riverboat compared with AC-bus technology.

Key words： Common DC-bus; Electric propulsion; Battery riverboat

1 ? ? 前言

傳統(tǒng)柴油機(jī)動(dòng)力的內(nèi)河船舶，由于燃燒柴油會(huì)產(chǎn)生污水、污油及尾氣，對(duì)周邊空氣環(huán)境和水質(zhì)都造成了嚴(yán)重污染。隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)的日益重視，柴油機(jī)產(chǎn)生的污染問(wèn)題顯得越發(fā)突出。為了改善這種狀況，國(guó)家出臺(tái)了很多政策法規(guī)。一方面嚴(yán)格環(huán)保要求，另一方面大力鼓勵(lì)應(yīng)用清潔能源。因此各種新能源動(dòng)力，如鋰電池、LNG、太陽(yáng)能、超級(jí)電容、燃料電池等也越來(lái)越多地應(yīng)用到內(nèi)河船舶上。

傳統(tǒng)電力推進(jìn)船舶大多采用柴油發(fā)電機(jī)組作為主能源，發(fā)電機(jī)發(fā)出交流電經(jīng)過(guò)變頻器等控制裝置驅(qū)動(dòng)推進(jìn)電動(dòng)機(jī)來(lái)帶動(dòng)推進(jìn)器，實(shí)現(xiàn)船舶航行，其主要采用交流組網(wǎng)方式;作為內(nèi)河游覽船，由于具有航程近、航行時(shí)間短等特點(diǎn)，可以采用鋰電池、太陽(yáng)能、燃料電池等新能源作為主能源。本文通過(guò)對(duì)采用鋰電池為動(dòng)力的某內(nèi)河游覽船直流組網(wǎng)系統(tǒng)的介紹，分析直流組網(wǎng)技術(shù)在兼容性、系統(tǒng)集成度、使用等方面的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。

2 ? ? 直流組網(wǎng)技術(shù)簡(jiǎn)介

近年來(lái)，得益于電力電子技術(shù)的快速發(fā)展和電力電子器件制造的成熟，直流組網(wǎng)技術(shù)快速興起。目前，西門子、ABB和無(wú)錫賽思億等廠商都推出了直流組網(wǎng)技術(shù)，并各自在實(shí)船上得到了應(yīng)用。各個(gè)廠商直流組網(wǎng)技術(shù)在原理上大體相同，均是以直流母線作為主公共母線，發(fā)電機(jī)、電池等電源設(shè)備均連接至直流母線;但在具體的技術(shù)細(xì)節(jié)上，每個(gè)廠商又都有自己獨(dú)特的設(shè)計(jì)，在具體的器件選用上各自不同。

（1）ABB公司的直流組網(wǎng)技術(shù)，稱為Onboard DC Grid技術(shù)。主要特點(diǎn)為母排采用分布式布置方案，母線分別連接發(fā)電機(jī)的整流器和電動(dòng)機(jī)的逆變器，整流器和逆變器均靠近設(shè)備。其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備接入更加靈活，而缺點(diǎn)是由于分布式設(shè)計(jì)使母排長(zhǎng)度很長(zhǎng)，需占用較大的空間;另外，直流開(kāi)關(guān)采用熔斷器和特制的可關(guān)斷電力電子器件組成，需要特殊研制，故通用性受到影響。Onboard DC Grid技術(shù)已在Dina Star號(hào)平臺(tái)供應(yīng)船等船上得到了應(yīng)用，取得了較好的節(jié)能效果。

（2）西門子公司的直流組網(wǎng)技術(shù)，稱為BLUEDRIVE PlusC技術(shù)。主要特點(diǎn)是母排采用集中式布置方案，通常將母排、直流開(kāi)關(guān)、逆變器、船用負(fù)載逆變單元等設(shè)備集中布置在同一配電板內(nèi)，同時(shí)板內(nèi)還集成了功率管理系統(tǒng)等控制模塊。與ABB公司的Onboard DC Grid技術(shù)路線類似，其技術(shù)的直流開(kāi)關(guān)也采用熔斷器和可關(guān)斷電力電子器件組成，并且可關(guān)斷電力電子器件也需要針對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)，影響通用性。BLUEDRIVE PlusC技術(shù)也在一些船上得到了應(yīng)用。

（3）無(wú)錫賽思億引進(jìn)德國(guó)E-MS公司的直流組網(wǎng)技術(shù)，稱為E-PP技術(shù)。主要特點(diǎn)為母排采用集中式布置方案，與西門子的BLUEDRIVE PlusC技術(shù)類似;但集成度更高，除母排、直流開(kāi)關(guān)、逆變器、整流器和負(fù)載逆變單位外，還集成了遠(yuǎn)程故障監(jiān)控系統(tǒng);與以上兩種方案不同的是：直流開(kāi)關(guān)采用直流斷路器進(jìn)行保護(hù)，因此不需要定制，通用性更強(qiáng)。E-PP技術(shù)已在“白珍珠”號(hào)游艇等數(shù)十艘船上得到了應(yīng)用。

通過(guò)對(duì)以上三種技術(shù)路線的總結(jié)，可知三種技術(shù)路線在原理上相似，均是將發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)及負(fù)載通過(guò)相應(yīng)變換模塊連接至直流母排，只是技術(shù)細(xì)節(jié)不同。本文以無(wú)錫賽思億的E-PP直流組網(wǎng)技術(shù)為例，通過(guò)在某內(nèi)河游覽船上直流組網(wǎng)的應(yīng)用，對(duì)直流組網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)交流組網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，分析直流組網(wǎng)在集成度、兼容性等方面的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，尤其是在內(nèi)河游覽船的應(yīng)用前景。

3 ? ? 船舶概況

某珠江豪華游覽船采用雙體船型，主船體片體為圓舭型線、鋼質(zhì)全焊接結(jié)構(gòu)，主要航行于珠江水域廣州市內(nèi)航段，提供江景游覽、娛樂(lè)餐飲、會(huì)議招待、等服務(wù)。該游覽船采用鋰電池作為主電源，柴油機(jī)作為備用電源，推進(jìn)方式采用電力推進(jìn)。該船主要參數(shù)如下：

總長(zhǎng) ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ～43.5 m

型寬 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 13.5 m

設(shè)計(jì)吃水 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?2.3 m

設(shè)計(jì)航速 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 10 kn

乘客 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 300人

推進(jìn)電機(jī) ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?2×210 kW

鋰電池容量 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?2827.2 kWh

發(fā)電機(jī)組功率 ? ? ?2×350 kW

航區(qū) ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 內(nèi)河A級(jí)

4 ? ?船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)

4.1 ?電源

該船采用磷酸鐵鋰電池作為主電源，根據(jù)對(duì)全船用電設(shè)備功率的計(jì)算及續(xù)航力的要求，設(shè)置6組471.2 kWh鋰電池組作為全船電力推進(jìn)系統(tǒng)及日常用電設(shè)備供電電源，鋰電池總?cè)萘繛? 827.2 kWh，安裝在左、右片體的電池艙內(nèi)，每個(gè)電池艙放置3組。

同時(shí)，該船配置2臺(tái)350 kW/AC400V/50Hz/3P/3W柴油發(fā)電機(jī)組作為備用電源，柴油發(fā)電機(jī)組分別安裝在左、右兩個(gè)片體的機(jī)艙內(nèi)。

柴油發(fā)電機(jī)組和鋰電池組不同時(shí)供電。正常航行時(shí)，使用鋰電池供電，當(dāng)出現(xiàn)意外情況鋰電池不能供電時(shí)，采用發(fā)電機(jī)供電;停泊時(shí)，發(fā)電機(jī)組可以為鋰電池組充電，也可以采用岸電為鋰電池組供電。

4.2 ? 配電系統(tǒng)

（1）配電系統(tǒng)采用直流組網(wǎng)方式：在集控室設(shè)置直流配電板一塊，船上的發(fā)電機(jī)組、鋰電池組、推進(jìn)電機(jī)與日常用電設(shè)備通過(guò)直流母線連接;為增加系統(tǒng)可靠性，整個(gè)直流母線被分為兩部分，每段母線連接有3組鋰電池組和1臺(tái)發(fā)電機(jī)，分為兩組分別接至兩段直流母線上，兩段母線之間采用熔斷器和負(fù)載開(kāi)關(guān)連接;兩段直流母線可以長(zhǎng)期單獨(dú)供電也可以長(zhǎng)期連接供電，當(dāng)其中一段母線發(fā)生故障時(shí)，另一段直流母線可以繼續(xù)單獨(dú)供電。

（2）直流配電板內(nèi)直流母線電壓采用DC750 V。配電板內(nèi)包含：2臺(tái)350 kW整流器與發(fā)電機(jī)連接;2臺(tái)210 kW逆變器與推進(jìn)電動(dòng)機(jī)連接;1臺(tái)300 kW有源整流器與岸電連接;6臺(tái)140 kW斬波器與鋰電池組連接;系統(tǒng)配置功率管理器（PMS），管理配電板內(nèi)各個(gè)模塊之間的能量轉(zhuǎn)換，具備自動(dòng)、半自動(dòng)和手動(dòng)三種模式。配電系統(tǒng)單線圖，見(jiàn)圖1所示。

（3）推進(jìn)電機(jī)由直流配電板直接驅(qū)動(dòng)。在集控室設(shè)置交流配電板一塊，直流母排通過(guò)DC/AC逆變模塊將直流電逆變?yōu)榻涣麟娊又两涣髋潆姲澹┤沼秘?fù)載使用。

4.3 ? 充電裝置

鋰電池組采用夜間岸電充電形式：在岸上設(shè)置充電柜，在船上設(shè)二套直流充電插座箱，充電插座箱與直流配電柜采用固定電纜連接;由于采用直流母線，可采用充電樁對(duì)鋰電池充電;當(dāng)碼頭不具備建設(shè)充電樁等設(shè)施時(shí)，也可采用在船上設(shè)置充電柜，內(nèi)置AC/DC變換模塊連接至公共母排，實(shí)現(xiàn)用交流岸電對(duì)鋰電池進(jìn)行充電。

5 ? ? 直流組網(wǎng)與交流組網(wǎng)技術(shù)對(duì)比分析

本船主電源為鋰電池，每組電池輸出額定電壓為DC579 V，發(fā)電機(jī)輸出電壓為AC400 V。如采用交流組網(wǎng)技術(shù)，鋰電池需經(jīng)過(guò)逆變后接入交流配電板，本船共6組鋰電池，需6組逆變器;由于采用電力推進(jìn)技術(shù)需要對(duì)推進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，通常交流配電板需經(jīng)過(guò)變頻器達(dá)到對(duì)推進(jìn)電機(jī)調(diào)速控制，因此還需要2套變頻器，滿足推進(jìn)控制要求。交流組網(wǎng)系統(tǒng)單線圖，如圖2所示：

通過(guò)對(duì)以上兩種組網(wǎng)方式的比較，直流組網(wǎng)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)主要有以下幾個(gè)方面：

（1）采用直流組網(wǎng)技術(shù)，無(wú)論是傳統(tǒng)柴油發(fā)電機(jī)，還是鋰電池、超級(jí)電容、太陽(yáng)能、風(fēng)能、氫燃料電池等新能源形式，均可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)柜統(tǒng)一連接至直流配電板，簡(jiǎn)單方便，具有較好的兼容性;而傳統(tǒng)交流組網(wǎng)方式，采用鋰電池等能源時(shí)，需要進(jìn)行逆變才能接入交流電網(wǎng)，相對(duì)繁瑣;尤其是對(duì)于現(xiàn)有船舶的升級(jí)改造，直流組網(wǎng)模塊化設(shè)計(jì)通過(guò)增加標(biāo)準(zhǔn)模塊柜即可實(shí)現(xiàn)，不需要對(duì)原配電系統(tǒng)做很大改動(dòng)。因此對(duì)于采用電池動(dòng)力的游覽船，直流組網(wǎng)技術(shù)更具優(yōu)勢(shì);

（2）交流組網(wǎng)方式中，交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生交流電。由于發(fā)電機(jī)電壓、頻率會(huì)受到外部影響，產(chǎn)生的波形曲線也會(huì)發(fā)生波動(dòng)，影響電源質(zhì)量;采用直流組網(wǎng)技術(shù)，交流發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電需經(jīng)過(guò)整流變換模塊連接至直流母線，日用負(fù)載的電源是直流母線的直流電經(jīng)過(guò)逆變而來(lái)，電源波形不會(huì)受到發(fā)電機(jī)的擾動(dòng)影響，電源質(zhì)量更高;

（3）直流組網(wǎng)母線雖然采用直流電壓，但傳統(tǒng)交流發(fā)電機(jī)通過(guò)整流模塊可直接連接至直流母排，可以直接兼容，不需要對(duì)傳統(tǒng)柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)行任何改變;電網(wǎng)增加發(fā)電機(jī)時(shí)可直接將發(fā)電機(jī)起動(dòng)接入直流母排，而傳統(tǒng)交流組網(wǎng)方式，電網(wǎng)增加柴油發(fā)電機(jī)時(shí)，需進(jìn)行并車操作，待入網(wǎng)發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)需電壓、頻率、相位均一致時(shí)才能并網(wǎng)，操作程序復(fù)雜，存在并網(wǎng)失敗的風(fēng)險(xiǎn)，并且對(duì)在網(wǎng)發(fā)電機(jī)和待并網(wǎng)發(fā)電機(jī)的容量配置有一定的限制;

（4）傳統(tǒng)電力推進(jìn)系統(tǒng)，配電板和推進(jìn)電機(jī)之間需通過(guò)變頻器及變壓器等電力變換設(shè)備，設(shè)備數(shù)量多;采用直流組網(wǎng)后，可通過(guò)配電板內(nèi)集中式的直流變頻控制功率模塊對(duì)推進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。取消了變壓器、變頻器等設(shè)備，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)配置。尤其對(duì)于內(nèi)河船，由于主尺度較小、船舶空間有限，因此直流組網(wǎng)節(jié)省了相應(yīng)設(shè)備的體積空間，有利于船舶總體布置;同時(shí)，對(duì)于采用電池推進(jìn)的內(nèi)河船舶，減少設(shè)備數(shù)量有利于減輕船舶自重，可以減少配置鋰電池的容量，有利于提高船舶總體性能，同時(shí)降低船舶造價(jià)。

6 ? ? 結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求不斷提高，數(shù)量眾多的傳統(tǒng)柴油機(jī)動(dòng)力內(nèi)河船舶產(chǎn)生的污水、污油和尾氣問(wèn)題顯得日益嚴(yán)重，對(duì)內(nèi)河或湖泊周圍的人民生活影響較大。為了改善這種狀況，采用綠色環(huán)保的新能源動(dòng)力已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。

隨著科技的不斷進(jìn)步，鋰電池、氫燃料電池、太陽(yáng)能、超級(jí)電容等技術(shù)發(fā)展迅速。對(duì)于航行于內(nèi)河或湖泊的中小型客船、觀光游覽船，由于其航程有限、航行時(shí)間短，不設(shè)置發(fā)電機(jī)而只采用鋰電池作為船舶主能源已經(jīng)完全可行，未來(lái)隨著技術(shù)的發(fā)展，氫燃料電池也將作為主能源應(yīng)用在船舶上，達(dá)到船舶的綠色環(huán)保、節(jié)能減排，并提高船舶舒適度的目的。

綜上所述，直流組網(wǎng)技術(shù)憑借其兼容性、系統(tǒng)集成性、系統(tǒng)體積、重量及經(jīng)濟(jì)性上的優(yōu)勢(shì)，在船舶上的應(yīng)用前景廣闊。尤其對(duì)于不設(shè)有柴油發(fā)電機(jī)而只采用鋰電池等作為主能源的內(nèi)河游覽船，采用直流組網(wǎng)技術(shù)相比于交流組網(wǎng)技術(shù)更具有優(yōu)勢(shì)。

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