綜合電力推進系統(tǒng)總體設計分析

陶佳欣 王西田

（上海交通大學 電氣工程系 上海200240）

綜合電力推進系統(tǒng)總體設計分析

陶佳欣 王西田

（上海交通大學 電氣工程系 上海200240）

通過對綜合電力推進系統(tǒng)的優(yōu)點介紹，闡述了船舶電力推進的適用性、推進形式的分析比較及應用范圍，對推進系統(tǒng)的構(gòu)成中所涉及的一些主要問題進行分析比較與綜合評估，為船舶綜合電力推進系統(tǒng)在總體設計中的實際應用選型提供了參考。

船舶綜合電力推進；變頻器；推進器；電壓等級

引 言

船舶電力推進與傳統(tǒng)的機械式推進相比，具有控制靈活、易于實現(xiàn)自動化、振動小、噪聲低、污染排放少、艙室布置方便、全壽期費用較低等特點。隨著電力電子器件和各種調(diào)速變換器技術(shù)的進步及取得的重大突破，10 MW級以上的各種交流電機調(diào)速變換器已獲得成功應用。電力推進不僅在商船上成功應用，發(fā)達國家海軍也陸續(xù)使用［1-2］。可以斷言，隨著時間的推移和新技術(shù)的繼續(xù)進步，電力推進技術(shù)的應用領域?qū)⒉粩鄶U大，所以船舶電力推進的前景十分廣闊。電力推進系統(tǒng)一般包括發(fā)電機組、配電板、推進變壓器、推進變頻器、推進電機、PMS能量管理等設備，對于船舶總體設計來說，關(guān)鍵是要通過選用合適的設備構(gòu)建一個滿足使用要求的穩(wěn)定、可靠、優(yōu)化的系統(tǒng)。而目前國內(nèi)對于電力推進的研究還處于起步階段，缺乏應用和設計經(jīng)驗，絕大多數(shù)電力推進系統(tǒng)是由國外大公司推出方案并集成供貨。令人擔心的是這種狀態(tài)不盡快改變，將會對國內(nèi)船舶電力推進技術(shù)的發(fā)展帶來不利的影響。目前國內(nèi)眾多科研院所對電力推進技術(shù)進行研究并開始進入實際使用［3］，但相對國外的成熟的運用，國內(nèi)還是處于起步階段，本文是針對電力推進系統(tǒng)的船舶總體設計進行一些相關(guān)技術(shù)分析。

1 電力推進的優(yōu)點

與傳統(tǒng)柴油機推進相比，電力推進的優(yōu)點突出表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）機艙和機艙內(nèi)設備布置靈活；

（2）優(yōu)異的操縱性；

（3）經(jīng)濟性好；

（4）可靠性高；

（5）噪聲和振動小；

（6）節(jié)省空間；

（7）良好的水動力性能。

2 船舶采用電力推進適用性初探

基于上述的優(yōu)勢以及一些關(guān)鍵技術(shù)向縱深方向發(fā)展，近幾年國外電力推進系統(tǒng)的應用高速發(fā)展，大有在各船型上超越常規(guī)推進的趨勢。這幾年，我國許多研究院所在船舶電力推進領域的研究工作也是蓬勃發(fā)展，但是由于國內(nèi)電力推進技術(shù)基礎薄弱，很多關(guān)鍵設備還只能依賴進口，系統(tǒng)的集成技術(shù)還得依靠國外著名大公司，使系統(tǒng)原本初投資偏高的矛盾更加突出，運營后的保障、維護成本和風險更大。因此，作為總體設計不僅要重視電力推進系統(tǒng)對于不同船型的適用性研究和概念設計，既要使我國的船舶設計緊跟世界先進技術(shù)發(fā)展的潮流，又要從本國國情出發(fā)，攜手國內(nèi)設備研制生產(chǎn)商走循序漸進的科學技術(shù)道路。以下是電力推進系統(tǒng)的一些典型應用情況，對電力推進系統(tǒng)的適用性問題進行初步探索。

2.1 破冰船

破冰船在工作時，由于受冰的影響，推進器可能會將高達200%的瞬間動態(tài)負載加到推進主機上，因此需要推進裝置低轉(zhuǎn)速時能夠提供可控的高轉(zhuǎn)矩，而這恰恰是電力推進系統(tǒng)的良好特性，所以電力推進系統(tǒng)非常適合用在破冰船上。

2.2 豪華游輪和客滾船

對于這類附加值較高的船，采用電力推進系統(tǒng)偏高的初投資并非主要矛盾，而電力推進系統(tǒng)（特別是吊艙式電力推進系統(tǒng)）具有振動小、噪聲低、燃油費用低、操縱性優(yōu)越、空間節(jié)省、冗余度高、安全性好等特點對于現(xiàn)代客船是非常重要的。近年來吊艙式電力推進裝置已經(jīng)成為豪華客船的標準配置。

2.3 散貨船和油船

散貨船和油船等運輸貨船以前很難證明采用電力推進的合理性，因為勢必要較大幅度增加初投資費用。然而有電力推進研究報告指出：若將一艘36 000 t的成品油船由原來的低速主機與裝卸系統(tǒng)換成交—交電力推進，則投資成本和運行費用都會降低，因此在運輸船上也有一定的市場應用前景。

2.4 海洋工程類船

有很大一部分海洋作業(yè)船，如救生船、潛水作業(yè)船、布纜船、敷管船、供應船、海洋鉆井船等，除航行推進以外其他系統(tǒng)還需要功率較大的能源，而且與推進不同時使用，例如動力定位。這類船為避免設置兩套原動機，采用綜合電力推進系統(tǒng)是十分合理的。此外電力推進技術(shù)應用于海洋工程類船舶與一般柴油機直接推進相比，具有操縱靈活機動、正倒車方便、可長期低速運行、低速時推力大、加速性好等優(yōu)勢。

但其缺點也顯而易見，即初投資較高且存在諧波干擾，對經(jīng)常裝有高精度測量儀器的海洋工程船而言則是一個需要引起高度重視的問題。

2.5 特種船舶

海洋調(diào)查船、測量船等船舶都裝備有多種聲學海洋測量儀器設備，為保證聲學測量設備正常工作，對船舶的噪聲及振動性能要求很高，采用電力推進系統(tǒng)可由電動機直接驅(qū)動螺旋槳，不需減速齒輪，不存在減速器齒輪箱產(chǎn)生的噪聲和振動；發(fā)電機組可安裝在減振效果很好的浮筏上，因此可大大改善船舶輻射噪聲水平。故電力推進系統(tǒng)被廣泛應用于這類船舶。

此外，電力推進系統(tǒng)布局靈活，對某些特種船的總體設計也很有意義。小水線面船若采用柴油機直接推進，布置上將非常困難，而采用電力推進系統(tǒng)就比較方便。

2.6 軍用艦船

高能武器和先進探測設備的飛速發(fā)展，使艦船的電力負荷等于或大于推進功率，而采用綜合電力系統(tǒng)的全電力戰(zhàn)艦可以滿足這樣的電力需求，供給高能武器和防御系統(tǒng)足夠的電力。研究表明，水面戰(zhàn)艦采用全電力推進系統(tǒng)，主要是基于把初始采購費用及全壽命費用降低到最低限度的考慮。此外，吊艙式電力推進系統(tǒng)可以減小船體阻力、減小噪聲和振動、節(jié)省大量的船內(nèi)空間、提高船舶的操縱性和靈活性、具有高冗余度等特點對于海軍戰(zhàn)艦來說具有非常重大的意義。當然質(zhì)量輕、高功率密度、高效率、安靜、抗沖擊、高可靠性等戰(zhàn)艦的主要需求是實現(xiàn)全電力戰(zhàn)艦需要解決的問題。

3 綜合電力推進系統(tǒng)的分析比較及應用范圍

通過對綜合電力推進系統(tǒng)的構(gòu)成的一些主要問題進行分析比較，以便更好地選擇其應用范圍。

3.1 推進器形式

電力推進器的形式一般分為尾軸和全回轉(zhuǎn)舵槳型。

尾軸型是一種傳統(tǒng)的電力推進形式，推進電動機安裝在船體內(nèi)，螺旋槳通過軸系由低速電動機直接傳動或中高速電動機經(jīng)減速齒輪箱傳動。軸系可長可短，可采用定距槳和調(diào)距槳。其特點是系統(tǒng)簡單可靠，但缺點是和常規(guī)的軸系推進一樣，噪聲高、振動大、效率低，有軸系和舵系的附體阻力，并需要較大的艙室空間和更多的系統(tǒng)配置，維護保養(yǎng)工作量較大。

舵槳型推進器是一種新型的推進形式，一般分為Z型（L型）和吊艙型。前者的推進電機在船體上，通過齒輪組驅(qū)動螺旋槳；后者的推進電機裝在槳轂內(nèi)，吊在船體外。該型裝置結(jié)構(gòu)緊湊、可以360°全回轉(zhuǎn)，船舶操縱非常方便，且可省去舵裝置，對于需動力定位的船舶還可以省去艉部的側(cè)推器。此外，由于不需要常規(guī)的軸系和舵系，船體的附體阻力（尤其對雙槳船）大大降低，從而改善了船體的艉部線型和螺旋槳的水動力性能。

下文將對舵槳裝置的各種形式進行比較。

3.1.1 SRP形式

SRP形式（見圖1）是屬于Z型推進器的第2代產(chǎn)品。該形式是由2對錐齒輪傳動帶有導管螺旋槳的全回轉(zhuǎn)裝置，由安裝在船體內(nèi)部的臥式電動機驅(qū)動。該形式現(xiàn)已廣泛應用于航速低于15 kn的拖輪及海上作業(yè)船，可滿足最佳操縱性、最大的系柱拉力以及良好的動力定位需要。該形式使用的功率范圍由于受機械裝置材料強度的限制，一般單機最大功率限制在4 000 kW以下。SRP形式用于低速船比較理想，用于18 kn左右的中等速度船存在一些缺點，與POD形式比較，首先是流體動力性能較差，導致電力推進總效率較低；其次是齒輪傳動的機械振動以及齒輪艙與支架產(chǎn)生的空泡和渦流引起的振動及噪聲較大。該形式已有50多年的使用實踐，技術(shù)上比較成熟，維修也比較方便。

圖1 SRP形式

3.1.2 STP形式

STP形式（見圖2）是SRP形式的改進型，主要優(yōu)化了支架及齒輪艙的線型，并改進螺旋槳設計，由單螺旋槳改為雙螺旋槳，即在螺旋槳軸的前、后各設置一個同向旋轉(zhuǎn)的螺旋槳，在齒輪艙兩側(cè)裝有一對整流鰭片。

圖2 STP形式

與SRP形式相比，STP形式優(yōu)化了支架及齒輪艙的線型，改進了流體性能，從而避免空泡和渦流的產(chǎn)生，改善由此引起的振動和噪聲。此外，由于采用雙螺旋槳推進，前螺旋槳處于拉式工作狀態(tài)，來流均勻；后螺旋槳處于前槳的尾流中，可以回收一部分前槳尾流的旋轉(zhuǎn)功能。因此，該螺旋槳的效率較高，其組合體的效率高于單螺旋槳的敞水效率，螺旋槳效率可達0.71。由此可見，STP形式在流體性能方面完全克服了SRP形式的缺點，并達到與POD吊艙形式相同的水平。但其機械損耗較大且由機械傳動引起的振動和噪聲的缺點依然存在。

3.1.3 AZIPULL形式

該形式是一種新推出的Z型推進器。該形式的設計吸收POD形式的優(yōu)點，且引入拉式螺旋槳設計概念，避免了SRP形式流體性能差的缺點。其水下部分結(jié)構(gòu)改善了流線形，使流體動力性能基本上與POD形式相同；傳動部分保持了SRP形式的特點，因此也有機械傳動損耗及由機械傳動引起的振動和噪聲。

圖3 AZIPULL形式

3.1.4 吊艙形式

5 MW以上的POD形式早在1990年就開始開發(fā)。吊艙形式與Z推形式比較具有明顯的優(yōu)越性：

（1）其支架和螺旋槳組合體具有完美的流線型，水動力特性好，水流阻礙小，故效率高。高的水動力效率節(jié)省了燃料，還減少了廢氣排放。

（2）推進電機在水下，沒有傳動齒輪，可節(jié)省機械傳動損耗5%，而且沒有機械傳動帶來的振動和噪聲。

（3）Z推形式的推進電機由空氣—水冷卻，需能量消耗。而吊艙形式的推進電機在水下，由海水直接冷卻，故推進效率可提高2%。

（4）將推進電機放在船體外，節(jié)省了船內(nèi)空間。

（5）吊艙形式可以全功率倒車，應急倒車反應快。而Z推形式由于受到齒輪反轉(zhuǎn)受力限制不能倒轉(zhuǎn)，用旋轉(zhuǎn)180°倒車反應較慢。

吊艙形式的單機功率范圍可適用于大型船舶。自1999年后，適合中小型船舶的緊湊型吊艙就已推出，與大吊艙的相同點是均采用水下電機直接驅(qū)動螺旋槳，不同點是大吊艙裝置人員可通過吊臂通道進入電機艙檢查。緊湊型吊艙由于尺寸較小，吊臂無人員通道，人員不能觸及電機，但它仍具有吊艙的全部優(yōu)點。目前緊湊型吊艙已被廣泛應用于單機相對功率較小的電力推進裝置上。

圖4 吊艙形式

3.1.5 綜合評估

各種推進方式效率比較見表1。

表1 各種推進方式效率比較

3.2 電壓等級

在綜合電力推進系統(tǒng)中，隨著推進裝置功率的加入和其他用電設備的大量增加，電網(wǎng)的功率也大大增加。考慮到開關(guān)斷流容量限制和電纜的合理用量，適度提高系統(tǒng)的電壓等級是必然趨勢。但是電壓等級的選擇涉及面廣，不僅要有需求的牽引和技術(shù)的推動，還必須考慮相關(guān)電工產(chǎn)品工業(yè)的技術(shù)水平、經(jīng)濟發(fā)展的支撐和持續(xù)發(fā)展的能力。目前船用交流電網(wǎng)多為400 V、690 V（低壓）或3 300 V、 6 600 V（中壓）等級。

低壓等級最高為690 V，可選的低壓開關(guān)斷流容量可能最大用到4×2 500 kW的電網(wǎng)和4 500 kW的電動機。但綜合考慮到電纜的合理用量，應適當降低上述極限功率值，超過此功率等級宜采用中壓等級。如直接采用400 V，極限功率將降低至4×1 500 kW的電網(wǎng)和2 000 kW的電動機。

據(jù)資料顯示，如變頻器采用中壓等級，盡管輸出電流減小，使用的電纜減少，但這些設備的外形尺寸卻比采用低壓690 V的情況要大，因此在推進功率小于5 MW的范圍內(nèi)，世界上變頻器普遍采用690 V低壓等級，國外公司都有這類產(chǎn)品，技術(shù)成熟、價格較低，且已廣泛應用。采用中壓等級，設備及元器件的耐壓、冷卻水的水質(zhì)等要求就會相應提高，引起設備的外形尺寸增大、價格上升，在功率等級沒達到一定程度的情況下，其性價比較差。

3.3 接地方式［4］

電力系統(tǒng)按系統(tǒng)中性點是否接地分為對地絕緣系統(tǒng)和接地系統(tǒng)。影響系統(tǒng)接地方式的因素一般有供電可靠性、人身和設備的安全、過電壓、對通信等設備的干擾以及投資費用等。

眾所周知，系統(tǒng)對地絕緣在一定條件下，當發(fā)生單相接地故障，只是故障相電壓升高倍，而線電壓維持不變，故不影響三相設備的正常運行。單相接地是船舶電力系統(tǒng)最常見的故障，在這種故障下系統(tǒng)仍能繼續(xù)保持不間斷供電是該接地方式的一個很大優(yōu)點。此外，由于絕緣線制在發(fā)電機并聯(lián)運行時沒有高次諧波電流通路和不會在船體內(nèi)流過接地電流，因此不至于產(chǎn)生雜散磁場和電磁干擾等特點使得現(xiàn)有的船舶電力系統(tǒng)廣泛采用對地絕緣線制。

然而，完全對地絕緣的系統(tǒng)是不存在的，系統(tǒng)中的電纜、電機和變壓器等設備產(chǎn)生的對地耦合電容使不接地系統(tǒng)事實上成為電容接地系統(tǒng)。當發(fā)生單相接地故障時，流經(jīng)故障點的穩(wěn)態(tài)電流是單相對地電容電流，而電容性的短路電流會引起間歇電弧過電壓以及諧振過電壓等操作過電壓。據(jù)理論研究和實測統(tǒng)計，不接地系統(tǒng)的弧光接地過電壓最高達3.5倍的相電壓，操作過電壓則可高達相電壓的4.5倍。

按照IEC標準，電氣設備的電壓等級與其耐壓性能即絕緣裕度在不同的電壓等級下是不同的。在原則上電壓等級越高絕緣裕度越小。例如低壓系統(tǒng)設備耐壓試驗電壓為2 kV，對于380 V設備而言過壓倍數(shù)為5.26倍；而中壓系統(tǒng)6～6.6 kV設備的耐壓試驗電壓為20 kV，過壓倍數(shù)略高于3倍；7.2～11 kV系統(tǒng)設備的耐壓試驗電壓為28 kV，過壓倍數(shù)更低。由此可見，為適應較高電壓等級系統(tǒng)電氣設備能安全運行，應防止系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生較高的過電壓，特別是操作過電壓。

也有運行經(jīng)驗表明，當電網(wǎng)中性點不接地時，即使單相接地電容電流不大，也會由于間歇電弧過電壓或各種操作過電壓使健全相的電位可能升高至破壞其絕緣水平，甚至形成相間短路故障。但如果在中性點接入一個電阻，就可泄放熄弧后半波的能量，則中性點電位降低，故障相的恢復電壓上升速度減慢，從而減少電弧重燃的可能性，抑制電網(wǎng)過電壓的幅值。如單相接地電流選擇合適的話，故障的暫態(tài)過電壓一般可限制在2.5～2.8倍以下。

中性點接地又分為直接接地、低電阻接地、高電阻接地和消弧線圈接地。前兩種方式接地電流很大，無法保證供電可靠性，對人身設備安全性也較差，而且對通信、弱電設備的干擾大。消弧線圈接地方式盡管被證明在陸用電網(wǎng)是一種比較理想的形式，但是其所需的綜合裝備水平較高。目前，從國內(nèi)外的船舶應用來看，中壓電網(wǎng)基本采用中性點高阻接地方式。這種方式單相故障電流小（一般限制在10A左右），發(fā)生故障時，電力系統(tǒng)仍然能夠連續(xù)供電；接地電阻由于在故障時通過一固定電流，便于故障檢測和故障點定位；同時中性點接地電阻可有效抑制過電壓，跨步電壓和接觸電壓低，有較好的人身及設備安全保護水平［5］。

3.4 變頻器形式

變頻器分為交—直—交變頻器和交—交變頻器兩大類［6］，其性能比較見表2。

表2 變屏器形式

對于一般大功率交流電力推進系統(tǒng)，與交—交變頻器相比，采用交—直—交調(diào)速具有適應性強、結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、控制方便等優(yōu)點。目前絕大多數(shù)20 MW以下的變頻器采用新型的脈寬調(diào)制型（PWM），其整流器用二極管組成，逆變器用IGBT或IGCT組成，具有線路簡單、功率因數(shù)高、調(diào)速范圍寬、諧波少和響應快等優(yōu)點。

使用變頻器會產(chǎn)生諧波電流，對電網(wǎng)造成污染，其主要影響是對電網(wǎng)中的其他設備（如發(fā)電機、電動機、電纜及電器設備）產(chǎn)生附加發(fā)熱、脈動轉(zhuǎn)矩、振動等，嚴重的還會使繼電保護的整定動作值產(chǎn)生偏差，因此如何較好地抑制諧波，是變頻器選擇的一個主要原則。為了抑制諧波，從變頻器角度可以采用增加變頻器的脈動波數(shù)的方法，在技術(shù)上通常采用改變變壓器接線方式組成多相整流電路或者采用一定相位差的多組三相整流橋串聯(lián)或并聯(lián)來增加脈動波數(shù)。標準產(chǎn)品變頻器采用后者方式較多，分為6脈沖、12脈沖、24脈沖及2電平、3電平等多脈沖多電平電路形式，以滿足不同用戶的需求。此外，現(xiàn)在已有采用IGBT器件的有源前端電路（AFE），幾乎可以使供電線路中不存在反饋諧波，但設備價格很高。

3.5 能量反饋形式

船舶從正車突然倒車或從高速降至低速過程中，有再生電能反饋。該能量有兩種方式吸收，一種是通過制動控制單元接通制動電阻，消耗在電阻發(fā)熱上；另一種是通過可逆整流器向電網(wǎng)反饋，減少發(fā)電機輸出。由于船舶電網(wǎng)容量有限，推進產(chǎn)生的能量如向電網(wǎng)反饋，很容易造成發(fā)電機逆功保護動作，從而使機組停機。所以船舶通常采用電阻制動的方式。

值得一提的是，某些變頻器具有抑制產(chǎn)生逆功的控制軟件和功能，當螺旋槳發(fā)生風車效應時，變頻器將自動控制推進電機的磁場和轉(zhuǎn)矩，防止出現(xiàn)制動功率，因此系統(tǒng)不需要制動電阻。

3.6 推進電機形式［7］

交流電力推進的電動機類型有異步電動機和同步電動機。大功率的新型推進電機還有先進感應電機、永磁電機和超導電機等。

異步電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、堅固、高速體積小、使用可靠、維修方便、經(jīng)濟等優(yōu)點，但功率因數(shù)較低，一般應用于小型船舶。

同步電動機較異步電機對轉(zhuǎn)矩的擾動具有更強的承受能力。從調(diào)速范圍來看，同步電動機轉(zhuǎn)子自帶磁場，即使在很低的頻率下也能穩(wěn)定運行，調(diào)速范圍比較寬。同步電動機勵磁損耗小，功率因數(shù)高，可以在功率因數(shù)為1的情況下運行，因此同步電機在現(xiàn)代電力推進系統(tǒng)中得到越來越多的使用。但其需一套單獨的勵磁系統(tǒng)，增加了電機結(jié)構(gòu)的復雜性，一般應用于大型船舶。

隨著現(xiàn)代船舶對高功率密度、高轉(zhuǎn)矩密度推進電動機的需求牽引，先進多相感應電機和永磁電機也投入運用，它們與常規(guī)電動機相比，體積小、質(zhì)量輕、噪聲低、效率高，顯現(xiàn)了強大的競爭力。當然這種類型的電機需付出更高的初期投資。

4 結(jié) 論

由于電力推進系統(tǒng)涉及面廣，另外諸如監(jiān)控管理系統(tǒng)、交流調(diào)速控制策略、設備冷卻、諧波控制等也是電力推進系統(tǒng)設計中需特別考慮的問題。本文不再贅述，也希望本文對電力推進的總體設計提供一定的參考作用。

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Analysis of overall design of integrated electric propulsion system

TAO Jia-xin WANG Xi-tian
(Shanghai Jiao-tong University, Shanghai 200240, China)

This paper introduces the advantages of the integrated electric propulsion system, and presents the adaptability of electric propulsion, analysis and comparison of propulsion pattern, and application range. It also carries out the analysis, comparison and integrated evaluation of some major questions of composition of the propulsion system, which can provide references for the application of the integrated electric propulsion system to the overall design.

integrated electric propulsion system; inverter; propeller; voltage class

U665.13

A

1001-9855（2014）03-0066-07

2013-10-14 ；

2013-11-02

陶佳欣（1979-），男，碩士，高級工程師，主要從事船舶電力系統(tǒng)設計。

王西田（1972-），男，副教授，主要從事電力系統(tǒng)機網(wǎng)協(xié)調(diào)與分布式能源系統(tǒng)的教學與研究。