海洋工程船舶綜合電力推進系統的關鍵技術研究

鄭福光

摘 要：近年來，隨著社會經濟以及現代科技的不斷發展，以綜合電力推進技術為技術指導的海洋工程船舶成為了現代社會船舶的主流趨勢，實現了船舶動力綜合發展系統的“革命性”變革，由此推進了中高壓電力系統和區域直流配電系統在海洋工程船舶上的廣泛應用。本文基于我國現有的IEC相關標準以及船舶發展規范，闡述了船舶綜合電力推進特點與優勢，分析了國內外發展狀況，并對海洋工程船舶綜合電力推進系統中的區域直流配電技術、中性點接地技術、諧波抑制、系統保護技術等關鍵技術進行詳細探究，為后續綜合電力推進系統的設計提供參考。

關鍵詞：海洋工程；綜合電力推進系統；技術研究

中圖分類號：U664.14 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）29-0012-02

當前，隨著我國綜合電力推進技術的發展和進步，促進了大容量電力電子元件的快速發展，革新了傳統船舶動力系統的關鍵技術，通過深入研究船舶綜合電力推進技術發展思路，結合當前船舶工業的現狀和市場發展需求，提出了船舶綜合電力推進技術發展的新思路。綜合電力推進技術是將船舶動力系統與輔機電站系統進行有機結合，實現能源的最大化利用，提高船舶操作的靈活性，體現了海洋工程船舶推進裝置的動力定位功能。

1 船舶綜合電力推進特點與優勢

海洋工程的船舶動力系統由原動機與推進系統進行有機結構構造而成的，其中，原動機是動力系統的動力來源，推進系統是實現船舶高效運作的的高效機動。

當前，我國海洋工程的推進系統主要有機械式直接推進和電力推進兩類，其中，電力推進又分為傳統電力推進和綜合電力推進兩種推進技術。

綜合電力推進系統普遍采用中高壓交流電制，提升了系統的功率大幅度上升與響應速度，提高了電機轉矩密度和發電機功率密度，廣泛應用于高技術船舶運作。

1.1 綜合電力推進的基本特點

綜合電力推進系統的主要特點如下：

第一，綜合電力推進系統的復雜程度較高，具有較強的集成性；

第二，綜合電力推進系統是典型的高新技術產品；電壓等級與功率密度較高、容量較大；

第三，綜合電力推進系統具有優良的可操控性和隱身性，是水面艦艇動力系統的發展趨勢。

1.2 綜合電力推進的優勢

與傳統電力推進系統相比，綜合電力推進具有如下優勢：

其一，具有更好的綜合性、經濟性、科學性，降低了綜合運行費用的同時，減少了污染排放量；

其二，具有更高的可靠性；

其三，具有更舒適的艙室環境，大幅度提高航行舒適度；

其四，具有更大的有效艙容以及更強的操縱性能。

2 國內外船舶綜合電力推進技術發展狀況

2.1 國外船舶綜合電力推進技術發展狀況

俄國科學家雅柯賓通過直流電機和蓄電池的相關試驗，首次 提出了“電力推進 ”的概念，至今已有一百多年的歷史，其發展歷程可分為以下三個階段：

第一階段為1908—1945年的傳統電力推進早期應用階段，第一艘以直流電力推進作為主動力的消防船，開創了船舶電力推進技術應用的先河；

第二階段為1945年—1980年的傳統電力推進特殊應用階段，受電工技術發展條件的制約，傳統的低壓直流電力力推進系統存在一定的不足，但在潛艇和特種工程船等仍然發揮重要作用；

第三階段為1980年至今的綜合電力推進快速發展階段，隨著我國電子技術的不斷發展，船舶綜合電力推進技術取得突破性進展。

2.2 我國船舶綜合電力推進技術發展狀況

二十世紀的數十年來，我國的船舶配套技術發展緩慢，幾乎處于停滯狀態。進入二十一世紀后，在市場需求的牽引下，我國逐漸關注于船舶行業對綜合電力推進技術的發展，但尚不具備自主研發能力，推進系統大多是從國外引進，換言之，我國當下的電力推進系統還不完善。

3 海洋工程船舶推進電動機基本要求

推進電動機作為當下海洋工程船舶的重要推進動力，與傳統電機相比，它不僅要考慮船舶的使用環境，同時還要考慮艙室內的布置等要求，換言之，船舶推進電動機的基本要求是高轉矩密度、低振動噪聲、高可靠性。

4 綜合電力系統關鍵技術探析

4.1 中性點接地技術

當前，我國海洋工程船舶中對高壓供電網絡中性點接地處理方式的選擇是一個較為綜合的問題，通過系統分析可知，與傳統低壓電力系統相比，中高壓電力系統首要需要考慮的就是絕緣問題。目前，在我國海洋工程船舶中，中高壓電力系統電壓等級較高，當發生單相接地故障時，電弧不僅不能自我熄滅，同時還進一步擴大了故障的影響力，產生重大的安全事故。因此，在進行船舶中高壓電力系統設計時，設計人員要重點考慮電容電流問題。

當前，我國海洋工程船舶綜合電力系統推進中，對中性點接地的處理方式主要包括：中性點不接地、經消弧線圈接地等，同時還應該考慮電流、成本、安裝技術等方面的影響。

近年來，隨著我國科技的不斷發展，海洋工程船舶大多使用經高阻接地的接地方式，這種方式可以保障在發生接地故障時，所產生的電壓和電流都是零序的，起到了保護裝置和限制故障電流為目的。

總而言之，高電阻接地在設計上滿足通過高阻接地裝置的電流等于或稍大于系統的電容電流的設計原則，所以可以得知，在進行中性點接地技術，如何確定系統的電容電流是確定接地電阻的關鍵。

除此之外，同步發電機是海洋工程船舶電力系統最重要的設備之一，因此設計人員應該從發電機的安全性角度出發，確定高阻接地阻值。

4.2 系統保護技術

相對于傳統的低壓電力系統，海洋工程中的船舶中高壓電力系統在系統保護方面做了較大的調整，除了常規的保護外，中高壓電力系統還要考慮中性點接地方式、接地保障的監測與保護以及差動保護等保護技術。海洋工程船舶綜合電力推進系統大多采用多電站并聯的運行方式，與低壓電力系統通過空氣斷路器本身保護不同，中高壓電力系統是通過采用數字式綜合繼電保護裝置和真空斷路器來完成保護工作的，而我國海洋工程船舶電氣綜合推進系統保護技術又分為如下兩類：

①縱聯差動保護。

根據我國有關IEC標準和船級社規范，當發電機的容量超過一定數值后，在其內部應用大量的大容量發電機組和變壓器，設置短路故障保護。

②零序保護。

對于海洋工程船舶中高壓電力系統來說，除了某些特定的船舶外，大多的綜合電力推進系統采用中性點接地處理方式，這樣就可以確保在發生故障時，系統中會產生較大的零序電流和零序電壓，從而保障相關設備。

4.3 諧波抑制技術

當前，我國的電力綜合推進系統廣泛地應用于海洋工程船舶上，但也由此帶來大量的諧波問題，對電力系統的運行造成一定的危害，污染電網波，影響各種用電設備的正常工作。

因此，企業應該必須針對當下電力推進系統中的諧波問題通過采取有效的措施，進行及時的治理，避免電網因諧波問題而造成不無可挽回的嚴重后果。目前，針對諧波問題，國內外普遍采用THD指標來對電網中的電能質量進行客觀系統地分析與評價，并對其進行了規范標準。

近年來，隨著我國科技的不斷進步，變頻器抑制諧波的方法主要有補償性和預防型兩種。前者主要指的是在諧波處加濾波器，而濾波器又分為無源濾波和有源濾波器。后者主要指的是從電力系統的本身出發，經過相關數據試驗，設計出不會產生諧波的交流器。

4.4 區域直流配電技術

在海洋工程船舶運作過程中，除了考慮推進器等變頻驅動外，還應該考慮多方位的變頻驅動設備，即通常包括變壓器、逆變器、直流母線、逆變器、斬波電路和負載設備等。中壓配電板的工作原理為：通過聯絡電纜向區域直流配電中心輸送電能，則該區域中心不僅主要負責電能變換和分配，同時還反映了如海洋工程船舶起重和錨絞車等多臺大功率集中設備的變頻電機分布的情況，從而實現實現多臺電機的饋電共享和循環利用，緩解當下我國資源短缺的現狀以及傳統變頻控制裝置的弊端，優化系統構架的同時，減少了點擊作業時穿插電纜和變頻設備的數量，降低了系統的濾波復雜程度，提高了系統的生命力等特點。

在船舶的起重、鋪管等過程中，電動機狀態的轉變會產生大量的再生電能，三相交流電動勢被三相全控橋整流，從而反饋到直流配電板上，促使區域直流配電板電壓持續升高。在一定程度上雖然會促進直流交配技術的發展，但從長遠來看，倘若直流配電板電壓超過荷載范圍，則會對區域直流配電系統和變頻器產生危害。帶來嚴重的安全隱患。

除此之外，當區域直流配電的放電電流約為電動機額定電流的一半時，為了確保變頻器不受損壞，流過制動電阻的電流應該為額定電流，其電阻值應為制動電阻的最小值。

5 結 語

綜上所述，本文主要基于我國現有的IEC相關標準以及船舶發展規范，闡述了船舶綜合電力推進特點與優勢，分析了國內外發展狀況，并對海洋工程船舶綜合電力推進系統中的區域直流配電技術、中性點接地技術、諧波抑制、系統保護技術等關鍵技術進行詳細探究，為后續綜合電力推進系統的設計提供參考。

參考文獻：

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