22 000 t化學(xué)品船混合電力系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

劉興亮，聶加俊

(蕪湖造船廠有限公司,安徽 蕪湖 241000)

0 引言

目前，對(duì)于配置軸帶發(fā)電機(jī)的船舶大都是采用傳統(tǒng)的交流供電方式,軸發(fā)電源經(jīng)由變頻器提供恒壓恒頻接至交流主配電板給輔助設(shè)備和日用負(fù)載供電，而對(duì)于變頻負(fù)載則是直接經(jīng)由變頻器接至交流配電板。在變頻負(fù)載較多情況下，則增加了系統(tǒng)復(fù)雜性，變頻諧波、短路容量等問題難以得到解決。

隨著國(guó)際海事組織(IMO)對(duì)于船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)(EEDI)和船舶能效指數(shù)(EEXI)等的要求越來越高，軸發(fā)混合動(dòng)力技術(shù)是目前能源系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)的一個(gè)較為主流的技術(shù)應(yīng)用。軸帶發(fā)電機(jī)同時(shí)具有PTO/PTI功能，既可實(shí)現(xiàn)軸帶發(fā)電模式功能，也可實(shí)現(xiàn)混合推進(jìn)模式功能。但需要變頻調(diào)速的負(fù)載一直沿用傳統(tǒng)交流組網(wǎng)模式，由交流配電板供電。

在主要負(fù)載大多為變頻調(diào)速負(fù)載的情況下，基于軸發(fā)混合動(dòng)力技術(shù)，采用直流組網(wǎng)模式通過直流配電板連接到變頻調(diào)速負(fù)載，可以省去傳統(tǒng)交流組網(wǎng)模式下變頻負(fù)載的AC-DC整流器模塊并可以有效解決諧波問題，使整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，同時(shí)對(duì)于動(dòng)力電池、廢熱回收發(fā)電機(jī)等新能源技術(shù)的系統(tǒng)接入具有更好的兼容性。

22 000 t化學(xué)品船貨油系統(tǒng)配置14臺(tái)貨油泵及1臺(tái)泄放泵，采用電動(dòng)變頻調(diào)速。

為提高燃油效率和減少排放，本文基于貨油泵采用變頻調(diào)速的驅(qū)動(dòng)方案，通過電力系統(tǒng)從初步方案到最終方案的優(yōu)化，提出了對(duì)于采用直流母排配電板的軸帶混合動(dòng)力技術(shù)的電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)和難點(diǎn)的解決思路，為后期同類型技術(shù)應(yīng)用的船舶建造積累寶貴經(jīng)驗(yàn)。

1 混合電力系統(tǒng)概況

1.1 電站配置

本船主電站包括2臺(tái)AC 450 V 1 100 kW主發(fā)電機(jī)和1臺(tái)AC 450 V 1 500 kW軸帶發(fā)電機(jī)。軸帶發(fā)電機(jī)具有PTO/PTI/PTH功能，直流配電板可接入508 kWh最大功率輸出1 000 kW的動(dòng)力蓄電池組，貨油泵的變頻器及艏側(cè)推等負(fù)載的變頻器直接連接到直流配電板上，采用直-交逆變器實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速。

本船電力系統(tǒng)初步方案單線圖見圖1。

圖1 電力系統(tǒng)初步方案單線圖

1.2 軸帶混合動(dòng)力方案

本船電力系統(tǒng)采用了軸帶混合動(dòng)力的運(yùn)行模式，以及采用直流配電板供電對(duì)貨油泵和艏側(cè)推等變頻調(diào)速負(fù)載通過直-交逆變器實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速控制。

軸帶混合動(dòng)力有以下3個(gè)運(yùn)行模式：

(1)PTO模式，即軸帶發(fā)電模式，利用主機(jī)冗余功率帶動(dòng)軸帶電機(jī)發(fā)電。通過交-直整流器，軸帶發(fā)電機(jī)供電給直流配電板，并經(jīng)由直流配電板給貨油泵及艏推供電，同時(shí)可通過兩路直-交變頻器供電到AC 450 V交流主配電板，以便給日用負(fù)載供電。在軸發(fā)供電模式下，軸帶發(fā)電機(jī)可在70%～80%主機(jī)額定轉(zhuǎn)速下輸出1 500 kW功率，用以向直流配電板及交流主配電板供電。本船配有14臺(tái)貨油泵，采用了變頻矩陣的方式可實(shí)現(xiàn)6臺(tái)貨油泵能同時(shí)滿負(fù)荷運(yùn)行。

(2)PTI模式，即混合推進(jìn)模式，利用主發(fā)電機(jī)組拖動(dòng)軸帶電機(jī)，與主機(jī)共同驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器。在此模式下，主發(fā)電機(jī)通過主配電板經(jīng)由交-直整流器向直流配電板供電，然后通過直-交逆變器拖動(dòng)軸帶電機(jī)，此時(shí)軸帶電機(jī)和主機(jī)共同作用驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器。軸帶電機(jī)最大輸出功率為1 600 kW，加上主機(jī)最大輸出功率5 400 kW，推進(jìn)功率可達(dá)到7 000 kW，足以滿足本船入級(jí)冰區(qū)所需推進(jìn)功率要求。通過此模式，可以有效降低船上主機(jī)裝機(jī)功率要求。

(3)PTH模式，即單獨(dú)推進(jìn)模式，在主機(jī)故障情況下，齒輪箱離合器脫開主機(jī)，利用主發(fā)電機(jī)提供的電力拖動(dòng)軸帶電機(jī)，從而單獨(dú)驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器。此模式下，交流主配電板和直流配電板都是由主發(fā)電機(jī)供電，主機(jī)和推進(jìn)系統(tǒng)完全脫離開，軸帶電機(jī)作為船舶推進(jìn)的唯一動(dòng)力，可以滿足船級(jí)社冗余推進(jìn)符號(hào)RP(1, 22%)的要求。

1.3 配電板

按圖1所示，本船采用了饋線式供電方式，主配電板包括交流主配電板、直流母排配電板和應(yīng)急配電板。交流主配電板電壓為AC 450 V,主要負(fù)責(zé)給燃油泵、滑油泵、空壓機(jī)、風(fēng)機(jī)、艇吊等日用負(fù)載和輔助設(shè)備供電，同時(shí)還可以同直流配電板實(shí)現(xiàn)雙向互為供電。直流母排配電板電壓為DC 750 V，主要負(fù)責(zé)給貨油泵及艏側(cè)推等負(fù)載供電以及同交流主配電板雙向互為供電，即交流主配電板和直流配電板之間可通過AC-DC模塊實(shí)現(xiàn)雙向相互供電。應(yīng)急配電板電壓為AC 450 V,主要為規(guī)范對(duì)應(yīng)急電源有要求的負(fù)載如可逆機(jī)艙風(fēng)機(jī)、應(yīng)急消防泵、舵機(jī)、應(yīng)急照明等應(yīng)急供電。

交流主配電板除了給主要輔助設(shè)備供電外還可實(shí)現(xiàn)以下主要功能：

(1)2臺(tái)主發(fā)電機(jī)的空氣斷路器的自動(dòng)合閘、分閘及同步并車、自動(dòng)負(fù)荷轉(zhuǎn)移和自動(dòng)負(fù)荷卸載。

(2)測(cè)量發(fā)電機(jī)的電壓、電流、頻率、功率因數(shù)以及測(cè)量匯流排電壓、頻率。

(3)發(fā)電機(jī)長(zhǎng)延時(shí)、短延時(shí)、瞬時(shí)、逆功、欠壓、差動(dòng)保護(hù)。

(4)匯流排供電絕緣監(jiān)測(cè)及報(bào)警。

(5)主發(fā)電機(jī)AVR自動(dòng)電壓調(diào)整。

(6)主發(fā)電機(jī)與軸帶發(fā)電動(dòng)機(jī)的并車、自動(dòng)同步、自動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)移及自動(dòng)卸載。

(7)主配電板向應(yīng)急配電板的正常供電。

直流母排配電板除了給貨油泵和艏側(cè)推等變頻調(diào)速負(fù)載供電外還可實(shí)現(xiàn)如下功能：

(1)軸帶發(fā)電機(jī)的合閘、分閘、自動(dòng)同步、自動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)移及自動(dòng)卸載。

(2)對(duì)軸帶發(fā)電機(jī)變頻器、主網(wǎng)變頻器、動(dòng)力蓄電池及DC-DC變換器的控制和監(jiān)測(cè)。

(3)測(cè)量軸帶發(fā)電機(jī)電壓、電流、頻率、功率因數(shù)及自動(dòng)電壓調(diào)整。

(4)測(cè)量直流母排電壓、電流。

(5)軸帶發(fā)電機(jī)長(zhǎng)延時(shí)、短延時(shí)、瞬時(shí)、逆功、欠壓、差動(dòng)保護(hù)。

(6)直流匯流排過壓、欠壓、過流、配電板絕緣監(jiān)測(cè)報(bào)警等。

(7)電池充放電、電量、溫度、續(xù)航狀態(tài)等的控制監(jiān)測(cè)(建立與電池管理系統(tǒng)的接口通訊)。

(8)AC400、～450 V、50 Hz或60 Hz岸電通過軸帶發(fā)電機(jī)變頻器接入直流母排配電板。

1.4 變頻設(shè)備

本船主要變頻調(diào)速負(fù)載為1臺(tái)艏側(cè)推和14臺(tái)貨油泵，以及機(jī)艙風(fēng)機(jī)、冷卻水泵、除氣風(fēng)機(jī)等變頻調(diào)速負(fù)載。采用直流母排配電板經(jīng)由直-交逆變器連接到變頻調(diào)速負(fù)載實(shí)現(xiàn)對(duì)泵和風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速，其根本優(yōu)點(diǎn)是可以減少各負(fù)載的交-直整流器，通過直流母排連接到交流電力系統(tǒng)和變頻調(diào)速負(fù)載，日用電源和變頻器有效分開，可以有效解決諧波問題。

所配置的主要變頻器設(shè)備如下：

(1)軸發(fā)變頻器；通過2組交-直整流器實(shí)現(xiàn)軸帶發(fā)電機(jī)供電給直流母排配電板，然后通過2組直-交逆變器實(shí)現(xiàn)直流母排配電板與交流配電板的相互供電。采用雙變頻器(2組整流模塊和2組逆變模塊)可以有效提高系統(tǒng)冗余度和可靠性。

(2)貨油泵變頻器。本船共有14臺(tái)貨油泵，要求6臺(tái)貨油泵可同時(shí)運(yùn)行。由于采用變頻器矩陣來滿足此功能要求，所以只需配置6臺(tái)變頻器直接連接到直流配電板。

(3)艏側(cè)推變頻器。艏側(cè)推采用獨(dú)立的直-交逆變器直接連接到直流配電板。

2 電力系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)時(shí)的要點(diǎn)和難點(diǎn)

2.1 電壓等級(jí)的選擇

本船的最大負(fù)載貨油泵和艏側(cè)推采用了連接到直流配電板的電力變頻驅(qū)動(dòng)，同時(shí)考慮系數(shù)、需要系數(shù)、間歇性負(fù)載、短時(shí)負(fù)載、電網(wǎng)損失等諸多因素，經(jīng)過初步電力負(fù)荷計(jì)算，在貨油卸載工況下電力負(fù)荷為1 678 kW。

如采用690 V電壓等級(jí)，則主配電板匯流排電流將達(dá)到約1 760 A；如采用440 V電壓等級(jí)，則主配電板匯流排電流將達(dá)到約2 752 A。兩者從設(shè)計(jì)角度考慮的因素主要有：銅匯流排的規(guī)格和數(shù)量的選用影響、短路電流及負(fù)荷電流對(duì)斷路器的選用影響、不同電流對(duì)電機(jī)絕緣和耐熱等級(jí)的制造和成本影響、電纜載流量對(duì)電纜規(guī)格和數(shù)量選用的影響。如采用690 V電壓等級(jí)，盡管如上影響有一定優(yōu)勢(shì)，但是由于輔助設(shè)備一般都為AC440 V等級(jí)，這樣需要配置690 V/440 V變壓器及系統(tǒng)架構(gòu)會(huì)增設(shè)690 V主配電板，而本船貨油泵和艏側(cè)推已采用了由直流配電板供電，故經(jīng)過反復(fù)權(quán)衡最終選用了AC440 V的電壓等級(jí)。

本船連接到直流配電板的變頻負(fù)載容量并不是特別大，綜合考慮電器部件及電纜的經(jīng)濟(jì)性，直流母排額定電壓采用了DC750 V。

2.2 交流配電板和直流配電板之間的聯(lián)系

電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，在確定采用AC 450 V交流主配電板和DC 750 V直流母排配電板后，就需要考慮兩者之間的電氣連接方案。考慮到本船軸帶電機(jī)具有PTO發(fā)電功能，此模式下軸發(fā)電機(jī)功率應(yīng)為1 500 kW；PTH單獨(dú)推進(jìn)功能，此模式下軸發(fā)電機(jī)功率也應(yīng)為1 500 kW；PTI混合推進(jìn)功能，此模式下軸發(fā)電機(jī)功率應(yīng)為1 600 kW。由此可以確定，交流主配電板和直流配電板之間的交-直整流器應(yīng)該滿足1 600 kW的功率要求。考慮到規(guī)范對(duì)電力系統(tǒng)冗余及供電的可靠性要求，選用2個(gè)900 kW的交-直整流模塊。

2.3 變頻系統(tǒng)的選用

本船變頻器主要包括軸發(fā)變頻器、主網(wǎng)變頻器以及用于貨油泵和艏側(cè)推等負(fù)載的變頻調(diào)速控制用的變頻器。本船因采用了直流母排連接電力系統(tǒng)，日用電源由交流主配電板供電，而所有變頻負(fù)載由直流母排配電板供電，即所有變頻器都連接到直流母排上，從而實(shí)現(xiàn)日用電源和變頻器有效分開，不需要過多考慮諧波問題。但是，傳統(tǒng)的交流組網(wǎng)變頻調(diào)速帶來的諧波干擾卻不容忽視。諧波會(huì)對(duì)整個(gè)船舶電網(wǎng)電流產(chǎn)生影響造成波形畸變，從而會(huì)影響船上各種動(dòng)力、控制、監(jiān)測(cè)、通訊等電氣設(shè)備的正常運(yùn)行；其諧波變形會(huì)使電纜過熱、絕緣老化，加大電機(jī)電磁損耗、振動(dòng)增大、絕緣老化，使繼電器保護(hù)及控制和報(bào)警系統(tǒng)等誤動(dòng)作，因此在確定變頻系統(tǒng)的時(shí)候?qū)χC波干擾的考慮也就顯得尤為重要。而本船所有變頻調(diào)速設(shè)備都是采用變頻器直接連接到直流母排，將日用電源和變頻器有效分開，從而有效解決了諧波問題，保證變頻調(diào)速系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性和電磁兼容性問題得到根本性的解決。

2.4 動(dòng)力蓄電池的配置

本船另一技術(shù)亮點(diǎn)就是配置了508 kWh的蓄電池，通過直流-直流變換器連接到直流匯流母排上。一方面可以作為主發(fā)電機(jī)的備用電源，提高系統(tǒng)供電安全性，減少油耗；另一方面可以實(shí)現(xiàn)電站的削峰填谷功能，當(dāng)電站短時(shí)負(fù)荷不足時(shí)可以采用蓄電池供電而不用啟動(dòng)備用發(fā)電機(jī)，可以極大減少發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)間及降低油耗。

2.5 電站功率管理系統(tǒng)

本船功率管理系統(tǒng)集成于SMARTChiefII的自動(dòng)化系統(tǒng)中，功率管理系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和控制電站通過對(duì)主發(fā)電機(jī)、軸帶發(fā)電機(jī)、動(dòng)力蓄電池的控制來實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的轉(zhuǎn)移及分配以滿足航行模式、進(jìn)出港操縱模式、卸貨油模式這3種船舶主要運(yùn)行模式。

功率管理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)的自動(dòng)啟停，發(fā)電機(jī)之間實(shí)現(xiàn)自動(dòng)同步并車、自動(dòng)負(fù)荷轉(zhuǎn)移等電站管理功能以確保電站穩(wěn)定可靠運(yùn)行，防止出現(xiàn)過載斷電。同時(shí)，功率管理系統(tǒng)和蓄電池能量管理系統(tǒng)有接口，功率管理系統(tǒng)同樣可以對(duì)蓄電池的充放電狀態(tài)、電量狀態(tài)、續(xù)航狀態(tài)、溫度狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)控。

2.6 變頻電纜的選用和敷設(shè)

變頻系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的變頻電流含有許多高次諧波，經(jīng)電纜傳輸會(huì)多次反射，其電壓幅值疊加可達(dá)到工作電壓數(shù)倍，所以變頻電纜要具有較強(qiáng)的耐電壓沖擊性，能經(jīng)受變頻時(shí)產(chǎn)生的脈沖電壓。同時(shí)變頻電纜導(dǎo)體會(huì)對(duì)外發(fā)射電磁波，變頻功率越大，電纜越長(zhǎng)，在變頻電流流過時(shí)電纜向外發(fā)射的電磁波就越大，對(duì)船上其他設(shè)備所產(chǎn)生的電磁干擾也就越大。因此，選擇合適的變頻電纜，可以有效抑制電磁干擾，降低高次諧波影響，從而提高整個(gè)電氣設(shè)備運(yùn)行環(huán)境的電磁兼容性。

由于艏側(cè)推和貨油泵等變頻電機(jī)的變頻器是通過直流配電板連接的，本身電磁諧波問題就已經(jīng)得到，從成本角度考慮，本船電纜只需采用3芯專用變頻電纜。另外要注意的是，變頻電纜的敷設(shè)要求也比較高。因電纜越長(zhǎng)，諧波電壓幅值就越高，電磁干擾也就越大，所以生產(chǎn)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量?jī)?yōu)化設(shè)備布置和電纜路徑，減小變頻電纜敷設(shè)長(zhǎng)度；變頻電纜應(yīng)與控制電纜和信號(hào)電纜分別敷設(shè)在不同的電纜支撐件上；當(dāng)變頻電纜與控制及信號(hào)電纜必須交叉敷設(shè)時(shí)，要盡量敷設(shè)成90°。

3 結(jié)論

(1)日用負(fù)載配電和變頻器有效分開，可以有效解決交流電網(wǎng)的諧波問題。

(2)直流母排可以減少變頻器的數(shù)量，簡(jiǎn)化電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)便于機(jī)艙設(shè)備空間優(yōu)化布置。

(3)直流母排更便于動(dòng)力電池、廢熱回收發(fā)電機(jī)等新能源技術(shù)的系統(tǒng)接入，提升了系統(tǒng)升級(jí)改造空間。

(4)軸發(fā)及變頻負(fù)載根據(jù)實(shí)時(shí)負(fù)荷運(yùn)行在合理轉(zhuǎn)速范圍，可以減少燃油消耗，提高船舶運(yùn)行效率。