漁業(yè)科考船電力推進系統概述與分析

張志強，馬繼坤，鹿志祥，王 寧

(中國水產科學研究院黃海水產研究所，山東青島 266071)

漁業(yè)科考船電力推進系統概述與分析

張志強，馬繼坤，鹿志祥，王 寧

(中國水產科學研究院黃海水產研究所，山東青島 266071)

介紹了船舶推進的兩種方式：常規(guī)機械直接推進與電力推進。指出電力推進系統在漁業(yè)科考船應用的優(yōu)勢。分析了電力推進系統中兩種類型變頻器的工作原理：DFE整流前端變頻器和AFE整流前端變頻器，并進行了性能比較。認為AFE系統體積重量更有優(yōu)勢，DFE系統具有成本優(yōu)勢。

電力推進 有源前端整流 無源前端整流

0 引言

近年來，伴隨海洋資源的縮減，對船舶的噪音和振動性能、高可靠性及環(huán)保節(jié)能船舶的要求也增加，漁船科考船作為漁船領域的先驅者發(fā)展電力推進從效益角度和長遠利益來看，勢在必行。

目前，船舶推進主要有常規(guī)機械直接推進與電力推進兩種方式。以柴油機和汽輪機為主的傳統型船舶動力裝置，曾對船舶及航運的發(fā)展做出了重要貢獻，仍然廣泛應用在游輪、渡輪、散貨船等各種船舶，如圖1所示。然而這類動力裝置也因其一些固有的缺陷阻礙了進一步發(fā)展[1]。例如：占據空間過大，以柴油機和汽輪機為主機的船舶，其機艙空間都被體積龐大的發(fā)動機、機械傳動裝置、減速器和軸系等占據，艙室空間利用率大大降低，有效載荷減小。工作環(huán)境差，以柴油機或汽輪機為主機的機艙內，不僅振動大、噪聲高，而且油污多，廢氣排放影響空氣質量，衛(wèi)生條件差。主機大而高，系統復雜，增加維護難度，加重維護工作量。

圖1 傳統柴油機直接推進系統示意圖

推進系統示意圖如圖2所示。電力推進系統基本由機械原動機(柴油機、燃氣輪機或核動力)驅動交流發(fā)電機，發(fā)電機再為推進電動機提供動力。電動機可能是直流、交流同步電動機或交流感應電動機。從第一艘電力推進船舶誕生至今，船舶電力推進技術經歷了從直流到交流、從低壓小功率向中壓大功率發(fā)展的過程。20世紀90年代以后采用電力推進的船舶以35%的速度增長。隨著技術進步，電力推進優(yōu)越性日益凸顯，二十一世紀將是船舶電力推進系統發(fā)展的黃金時代。

圖2 電力推進系統示意圖

1 電力推進系統在漁業(yè)科考船應用的優(yōu)勢

漁業(yè)科考船采用電力推進方式與傳統的機械直接推進方式相比，電力推進主要有以下突出的優(yōu)點：

1）布局更靈活、有效空間更多、全壽命費用降低

如圖3所示，傳統船舶的軸系長度往往占到船長的40%左右，采用電力推進的船舶省卻了傳動軸系、減速齒輪箱，代之以柔性電纜。與常規(guī)機械推進相比，電力推進系統設備更多，但單臺設備體積更小，可以在船上分散靈活布置，因此可以合理有效的利用空間。對于漁業(yè)科考船來說，可以增加漁艙艙容，提高運行經濟性，降低全壽命費用。

圖3船艙布置示意圖

2）運行可靠、生命力提高

與常規(guī)機械推進相比，電力推進系統采用的推進電機結構更為簡單，尤其是異步推進電動機，非常堅固耐用。其它部件如推進變壓器、推進變頻器等沒有運動部件，更為可靠。同時，電力推進系統電源為恒速運轉的發(fā)電機組，磨損更小。

電力推進使用多臺柴油發(fā)電機組，個別機組的故障只對船速有一定的影響，不會導致喪失動力。目前的電力推進系統多采用兩條以上的推進支路，可互為備用。在有更高要求的情況下，可通過變頻器的模塊化和推進電動機的多繞組形式，達到更高的可靠性，即在變頻器一部分功率模塊故障或電機部分繞組故障的情況下，電力推進系統仍能降功率運行，不致失去動力，從而保證船舶安全性。

3）維護工作量減少

電力推進系統除推進電動機以外，均為靜止部件，維護工作量?。煌七M電動機結構簡單，維護工作量比常規(guī)機械推進的燃氣機及柴油機少的多，一般只需要對軸承進行維護保養(yǎng)。

4）操縱靈活，機動性能好

電力推進系統采用電動機直接驅動螺旋槳，扭矩響應速度快，螺旋槳由全速正轉轉換到全速反轉的時間非常短，機動性能好。電力推進船舶可頻繁正反轉、轉速調節(jié)速度快、調速精度高、自動化水平高。

5）易于獲得理想的拖動特性

電力推進系統由于采用變頻控制，低速下可以獲得較大扭矩，如圖4所示。對于具有強制散熱措施的推進電動機，在零轉速都有可能獲得額定轉矩，這種特性適合于具有拖網及圍網工況的漁業(yè)科考船在拖網運行工況下運行。

圖4 推進電動機轉矩曲線

6）減小振動和噪聲、環(huán)境更舒適

柴油機直接推進方式產生的水下輻射噪聲會對海洋和沿海生物多樣性產生影響。船舶振動噪聲主要來自燃氣機、柴油機等熱機。推進電動機由于轉矩平穩(wěn)，振動噪聲水平較低。而電力推進系統的電站中的燃氣機、柴油機等工作在恒速狀態(tài)下，振動比變速主機小，而且可以安裝在水線以上，允許封閉，可以通過采用較好的隔振裝置，增加隔音罩等措施降低振動噪聲。另外，設備可分散布置，通過合理的艙室布置也可以降低重要艙室噪聲。

7）提高經濟效益，減少排放物

遠洋漁業(yè)科考船運行工況多，變速較為頻繁、推進負荷變化區(qū)間大。電力推進配置有多臺柴油發(fā)電機組用于發(fā)電，可根據用電負荷選擇投入運行的發(fā)電機組臺數，使運行機組始終運行于高效工作區(qū)，保持燃油消耗率和CO2排放最低，實現最大的經濟性，提高續(xù)航力，降低運行成本，實現節(jié)能環(huán)保。

2 變頻器形式的比較與分析

目前廣泛應用的電壓源型變頻器有兩種類型的整流前端，即DFE整流前端與AFE整流前端。兩種整流前端具有各自特點，適用于不同場合。

2.1 DFE整流前端

圖5 DFE變頻器結構圖

圖6 DFE前端輸入、輸出波形

圖7 12脈沖整流器

如圖5所示，DFE前端使用的功率器件是二極管。二極管最大的特性就是單向導電，也就是電流只可以從二極管的一個方向流過，同時二極管是不可控器件，它沒有控制端，二極管的正向導通及反向截止是不可控的。由于二極管器件不可控，一般三相整流橋輸出直流電壓的紋波頻率6倍于輸入電源的頻率，網側電流含有大量的低次和高次諧波電流，造成輸入功率因數降低和電流諧波增高，如圖6所示。

由于DFE整流前端諧波過大，為減小諧波對電網影響，一般增加移相整流變壓器構成多脈波整流，常見的是12脈波整流變壓器，如圖7所示，即通過12脈波（3繞組）整流變壓器與兩組三相整流橋構成12脈波整流。

采用多脈波整流技術，可以有效地降低諧波，12脈波整流電流THDi約12%左右。在船舶電力推進應用中，通常每一舷推進系統采用12脈波整流，左右舷整流變壓器再移相15度（各移相7.5度），構成虛擬24脈波整流。通過這種方式可以將電壓諧波THDv降低到5%以下，滿足規(guī)范及使用要求。由于一般配合整流變壓器使用，采用DFE整流前端時系統的尺寸重量大一些。

DFE整流前端是一種最常用的整流前端，具有結構簡單、可靠性高、性價比高特點。

2.2 AFE整流前端

AFE整流前端使用的是IGBT或IGCT器件，IGBT或IGCT器件屬于全控型器件，通過控制信號既可以控制其導通，又可以控制其關斷。IGBT 或IGCT器件具有驅動功率小、開關速度快、飽和壓降低而容量大的優(yōu)點，但價格要高于同容量等級的二極管器件。

AFE前端與變頻器的輸出逆變部分(逆變器)結構一樣，使用IGBT或IGCT等全控器件組成三相橋式結構，如圖8所示。三相橋式結構在電力電子領域應用廣泛、技術成熟，非?？煽?。

圖8 AFE前端變頻器

從結構上看，AFE前端相當于一個逆變器，其有源的含義在于，與傳統的二極管整流技術相比，有源前端不再是被動地將交流轉變成直流，而是具備了很多主動的控制功能。通過控制全控器件的開通與關斷，它可以消除諧波，提高功率因數，回饋能量，保持直流母線電壓恒定。通過合適的控制策略，AFE前端變頻器網側功率因數可以為1，大幅降低網側電流諧波，如圖9所示，其直流母線電壓也更為穩(wěn)定。

圖9 AFE前端輸入、輸出波形

回饋能量是AFE整流前端的另一個特點，可以將電機制動返回到直流母線的能量回饋電網，實現節(jié)能環(huán)保。能量回饋功能主要用于起重、提升類負載，或者用于各種試驗臺架作為可回饋負載[2]。

AFE整流前端由于采用高頻開關控制，其共模電壓幅值及頻率比DFE整流前端高。

表1 DFE和AFE整流前端比較

2.3 電磁兼容性的影響

DFE與AFE整流前端工作原理不同，電磁兼容性差別較大。對于實驗設備較多，對電源品質要求高，同時對運行電磁環(huán)境也有較高要求的船型來說，變頻器是全船最大的干擾源，選擇變頻器技術方案時，必須考慮其帶來的電磁兼容性問題。

科考船的船載實驗室安裝有大量精密實驗設備，這些實驗設備的供電存在著供電品質問題。對于精密測量儀器，純凈的電源十分重要，當電網品質較差時，電源噪聲容易串入測量回路，導致采集的信號失真，影響實驗效果，因此需要采取技術措施保證實驗室用電設備的供電品質[3]。另外許多船載測試設備對運行電磁環(huán)境的要求非常高，應采取措施降低各種傳導及輻射干擾。

主推進變頻器功率大，運行頻率高，非線性工作，是全船主要的電磁干擾源，如果技術方案不完善，會帶來較大的電磁兼容性問題，甚至可能導致全船電氣系統無法正常工作，因此需要分析變頻器的干擾模式，提出合理的解決方案。

1）干擾范圍

變頻器干擾產生的位置包括整流單元及逆變單元兩個位置。整流單元的電磁噪聲直接影響電網，其干擾范圍包括發(fā)電機、配電板、全船日用負載及相關設備之間的空間區(qū)域；逆變單元的電磁噪聲直接影響推進電動機、變頻器與推進電機之間區(qū)域。

2）干擾模式

變頻器的干擾分為差模干擾及共模干擾兩類。差模干擾即變頻器輸入或輸出三相之間的非基波正弦含量，差模干擾在電網側及電機側都存在。電網側差模干擾即通常所說的諧波成分，影響電網電能品質；電機側差模干擾直接影響推進電機性能。差模干擾通過技術措施可以抑制，例如輸入側采用移相變壓器多脈波整流方式，輸出側采用正弦波濾波器等措施。

共模干擾即變頻器三相對地干擾，常規(guī)線性系統中三相對地電壓瞬時值接近零，而變頻調速系統中，無論整流單元還是逆變單元都運行在非線性狀態(tài)，變頻器輸入輸出對地電壓瞬時值不為零，產生對地共模干擾，如圖10所示。共模干擾主要表現在三相對地，不容易通過普通的濾波措施抑制，需要引起特別重視。

圖10 共模電壓示意圖

DFE整流前端變頻器與AFE整流前端變頻器在輸入及輸出端均存在差模與共模干擾，區(qū)別在于干擾的頻率成分和幅值不同。

DFE整流前端差模干擾較大，一般采取多脈波整流方法降低差模干擾（即諧波），可以將各種工況下電壓諧波畸變率THDv降低到5%以下，正常運行時（虛擬24脈波）THDv低于2%。

DFE整流前端共模電壓是由于二極管非線性產生的，其三相電壓波形基本為正弦波，因此其共模電壓的幅值與頻率較低。對電網的影響較小。DFE前端使用時，一般不考慮其共模電壓的影響。

圖11 共模干擾示意圖

AFE整流前端差模干擾較小，是AFE整流單元的特點。AFE整流前端不用配置整流變壓器就可以滿足規(guī)范對諧波要求，其各種工況電壓諧波畸變率THDv均低于3%，正常能夠運行時約1%左右。由于AFE整流前端工作在高頻狀態(tài)，其共模干擾較為嚴重，AFE整流前端共模電流分布如圖11所示。

共模電流由共模電壓通過變頻器、配電板及發(fā)電機的分布電容及船體形成回路。共模電壓幅值的理論值為：Vcm= （V1+V2+V3）/3

V1、V2、V3為交流側三相相電壓，由于三相PWM波瞬時值不為0，所以具有共模電壓，對于低壓3AC690 V系統，共模電壓幅值約為400 V，為直流母線電壓的一半，PWM信號通過長線反射后，共模電壓幅值更高，可接近800 V。圖12 為3AC380 V變頻器共模電壓實測圖。

由圖12可見，曲線1為記錄的無電壓反射時的共模電壓，幅值約為270 V，曲線2為通過100 m左右電纜產生反射后的共模電壓，幅值約為400 V。

圖12 共模電壓示意圖

以上分析建立在理論計算基礎上，針對的回路十分簡單。實際上由于共模電壓頻率高，接近開關頻率，容易產生諧振，對于配電板等線路復雜的系統，諧振幾率高。諧振后的共模電壓幅值可以達到理論值的3～5倍，對于低壓系統，發(fā)電機、配電板的絕緣水平可以滿足要求，但對于中壓系統則具有較大風險。對于中壓6600 V系統，共模電壓理論值高達4000 V，如果產生諧振，有可能產生十幾千伏以上的高頻共模電壓。

以往中壓AFE變頻器主要用于陸地電網，前端配置一臺配電變壓器，利用該變壓器漏抗作為前端升壓電感的一部分，起到隔離作用，同時簡化了AFE變頻器供電電源線路，降低了高頻諧振的可能性，所以有效地降低了共模電壓幅值。當共模電壓幅值較低時，對設備的絕緣不構成沖擊，同時形成的共模電流值較小。

當AFE變頻器用于船舶電力推進時，與DFE變頻器相比主要優(yōu)點就是省掉整流變壓器，這樣共模電壓將直接串入船舶電網，影響發(fā)電機、配電板及各種日用負荷，由于沒有陸用場合中的配電變壓器隔離共模干擾，對設備絕緣構成威脅。同時由于配電線路復雜，產生諧振的幾率增加，共模電壓幅值更高，對于系統絕緣來說可謂雪上加霜。

綜上所述，AFE變頻器共模電流帶來的危害如下：

1）共模電壓通過船體及分布電容耦合，由于船體是良導體，很容易形成全船性的干擾；

2）共模電壓過高形成較大的共模電流，對發(fā)電機軸承具有較大的危害；

3）共模電壓一旦諧振，幅值放大后對配電板、發(fā)電機及日用負荷的絕緣損害較大。

正是由于以上原因，AFE變頻器用于船舶主推十分少，即使采用也僅限于低壓系統，極少用于中壓系統

無論變頻器采用AFE前端還是DFE前端，其逆變單元干擾水平基本一致。逆變單元差模干擾主要體現在高頻干擾，頻率分布在開關頻率附近，幅值大的諧波電流主要分布在一倍和兩倍的開關頻率的頻帶范圍內，而諧波電流引起的電磁噪聲也集中在這個頻帶附近[4]。這些高頻成分的主要影響如下：

1）由于變頻器輸出的高次諧波分量與轉子固有頻率的諧振，使轉子固有頻率附近的噪音增大；

2）由于變頻器輸出的高次諧波使鐵心機殼軸承座等的諧振在固有頻率附近的噪音增大。

若船舶對推進電機振動噪聲要求嚴格，則推進電機與推進變頻器之間配置有正弦波濾波器，濾出這些高頻成分，降低差模干擾對推進電機的影響。

由于工作在高頻開關狀態(tài)，電機側逆變單元共模干擾也較為嚴重，具有高壓高頻的共模干擾成分，主要通過以下措施解決：

1）變頻器與電機就近安裝，遠離重要儀器設備艙室，減小干擾影響區(qū)域；

2）變頻器與電機之間選用變頻電纜，提供共模地電流回路，減小共模干擾對其他設備的影響；

3）最重要的是推進電機采用專門設計的變頻電機，絕緣裕量較大，確保可以承受較高的對地共模電壓；

4）變頻電機轉子通過電刷接地，減小共模電流對軸承的損壞；

表2 DFE和AFE整流前端電磁干擾

逆變單元產生工模干擾的原理與AFE整流前端類似，但逆變單元與推進電機直接連接，回路簡單，產生高頻諧振的可能性很小，同時由于推進電機設計的特殊性，主要考慮到電纜的選擇、布線及接線工藝，逆變單元比AFE整流前端更容易解決電磁兼容性問題。

3 DFE與AFE整流前端的船舶應用

目前國內外集成商提供電力推進系統解決方案主要采用DFE變頻器，也有少量低壓船舶采用AFE變頻器。采用DFE變頻器的電力推進系統如圖13所示，采用AFE變頻器的電力推進系統如圖14所示。

圖13 DFE電力推進系統示意圖

圖14 AFE電力推進系統示意圖

如圖所示，采用DFE變頻器電力推進系統多出兩臺整流變壓器，其余部分基本一致。從系統體積重量上來說，AFE系統更有優(yōu)勢。但AFE系統變頻器造價高于整流變壓器與DFE變頻器造價之和，在成本上，DFE系統更有優(yōu)勢。

表3 DFE和AFE前端比較分析

雖然AFE變頻器可以向電網回饋能量，但由于船舶電網容量較小，推進電機所占比重過大，如果將推進電機的制動能量回饋到電網，嚴重影響電網的穩(wěn)定性。所以無論是DFE系統還是AFE系統，用于船舶電力推進時，均需要配置制動電阻，這樣AFE變頻器最大的節(jié)能特點在船舶電力推進上無法應用。目前國內外AFE變頻器作為主推進裝置的應用僅限于低壓系統，中壓系統由于系統電壓高，共模干擾帶來的危險更大以及電壓匹配性問題，風險過大，沒有應用業(yè)績。當然，如果AFE系統增加隔離變壓器，實現與電網的共模干擾隔離，同時進行電壓匹配，可以降低系統風險。但如果采用隔離變壓器，與DFE系統相比，在體積重量及成本上沒有任何優(yōu)勢。

目前AFE應用于船舶最多的場合是低功率甲板機械驅動，甲板機械下放重物時，通過將勢能回饋到電網實現節(jié)能。一般來說，低功率甲板機械功率占電網容量的比例較小，又是低壓裝置，所有采用AFE變頻器風險低，應用較多。

從上述分析中可以明顯地看出，AFE系統除了重量上略有優(yōu)勢（可減少2臺主推進變壓器），在成本、可靠性、電磁兼容性上均沒有特別明顯優(yōu)勢，尤其在中壓系統中反而增加了技術風險。

4 結論

通過以上分析可知，對于科考船來說，需要解決的關鍵技術較多，建議綜合電力推進系統設計時將重點落腳在降低推進電機振動噪聲，為試驗室系統構建良好的電磁環(huán)境，提高系統安全性等關鍵技術上，選擇合理的電力推進系統技術方案對全船性能尤為關鍵。

[1] M.Chow, P.M.Mangun, and S.O.Yee. A Neural Network Approach to Real-Time Condition Monitoring of Induction Motors. IEEE Trans. OIE, DEC.1991, PP.448-453.

[2] 王兆安等. 諧波抑制與無功功率補償[M]. 北京∶ 機械工業(yè)出版社, 1998.9

[3] 管小銘. 船舶電力系統及自動化[M]. 大連∶ 大連海事大學出版社,1999.

[4] 林海雪, 孫樹勤. 電力網中的諧波[M]. 北京∶ 中國電力出版社, 1998.

Review on the Integrated Electric Propulsion System for Fishing Survey Boats

Zhang Zhiqiang, Ma Jikun, Lu Zhixiang, Wang Ning

（Yellow Sea Fisheries Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences, Qingdao 266071 , Shandong, China）

This paper introduces two types of electric propulsion, including conventional mechanical propulsion and electric propulsion. It points out the advantages of the electric propulsion system used in fishing survey boats. The principle of two types of transducer for electric propulsion system is analyzed: DFE rectifier front-end converter and AFE rectifier front-end converter, and the compares the performance. It considers that AFE system has volume and weight advantage, and DFE system has cost advantage.

electric propulsion; AFE; DFE

TM771

A

1003-4862（2015）08-0070-06

2015-04-28

張志強（1963-），男，高工。研究方向：船舶管理。