ABB船載直流電網系統淺析

張志旺 曹 莉

（上海ABB工程有限公司 上海201319）

引 言

船載直流電網，因其高效等諸多優點，各大供應商競相提供了不同的方案以供客戶來選擇。早在2013年ABB船載直流電網技術就已經獲得美國休斯頓國際石油石化天然氣展（OTC）創新技術獎。ABB船載直流電網是高能效的配電、自動化電力推進系統，能顯著降低能源消耗和排放，明顯減輕電氣設備質量、減少電氣設備占地面積。不同于傳統的交流電力推進系統， ABB通過船載直流電網連接和輸配電，顯著節省了船舶電能消耗、優化了推進性能。在船載直流電網應用中，發電機組不再以固定的轉速運行，發電機組原動機的轉速可根據系統負載的不同而調整到最佳能源消耗點運行，最高節能達27%［1］。同時，相對于傳統電力推進系統，船載直流電網系統可以省去移相變壓器和主配電板，減少船上設備總重及安裝空間達30%左右，能夠為船舶提供更多的儲貨空間，擴大工作區域，可以更靈活地配置、安裝船舶設備。不僅如此，船載直流電網還是個開放的系統，還能實現不同能源的接入（如功率電池、燃料電池、太陽能板可直接連接至船用直流電力系統中），從而實現更多的能源節省。

1 船載直流電網的構成

可以簡單地將船載直流電網看成是我們熟悉的直流多傳動的延伸。相比于通常的直流多傳動，船載直流電網變頻驅動的所有推進器的功率大約占了整艘船電站功率的80%。直流多傳動的這一延伸應用可為用戶帶來眾多優點：首先，我們仍然可使用在交流推進系統中已經成熟應用的交流發電機、變頻器模塊、交流電動機等；其次，不再需要交流電力推進系統中的交流主配電板和移相變壓器（如圖1和圖2）［2］，這將使客戶擁有最靈活的電站和推進系統。

1.1 船載直流電網的兩種典型拓撲結構

實際項目中，根據各個推進器的分布情況以及各個推進器的功率情況，船載直流電網有兩種主要的系統形式：集中式系統（圖3）和分布式系統（下頁圖 4）［1］。

圖1 傳統交流電力推進系統

圖2 船載直流電網系統

圖3 集中式船載直流電網系統

圖4 分布式船載直流電網系統

實際項目應用中也可以有兩種系統的組合。在集中式系統中，所有的變頻器模塊（整流、逆變、LCL濾波器、斬波器、直流斷路器、隔離開關）如同交流配電板一樣都集中在同一個柜體內。在分布式系統中，每個變頻器模塊將就近布置在交流設備的附件；整流模塊布置在交流發電機的附件。在一些項目中，如果發電機的容量不太大，也可以將整流設備集成在發電機的冷卻單元中，與冷卻單元共用一個機械外殼。如發電機功率比較大，則需要的整流模塊的功率也比較大時，整流單元就需要單獨布置放在一個獨立的外殼中。逆變模塊將就近布置在推進馬達的附件。關于分布式系統，既可以使用線纜，也可以使用直流母排輸送電能［3］。當輸送的功率較大、大功率設備比較分散時，使用直流母線是一種很好的工程方法。

1.2 船載直流電網的保護及選擇性

在省去交流配電板的同時，也省略了交流斷路器和保護繼電器。那么，對于船載直流電網系統來說是如何來滿足系統的選擇性和設備的保護呢？ABB船載直流電網對直流母排進行了邏輯功能分割，不同功能的分段分別稱為“DC Link”和“DC Grid”。在DC Link區域內的保護是通過快速熔斷器來完成的，這里的故障通常會在1 ms之內完成。這個區域的保護將通過熔斷器選擇性分析來證明，確保熔斷器能有選擇地清除故障并斷開故障段。DC Grid分段內的保護是基于對短路電流有貢獻的電源的限制以及DC Grid分段內的直流斷路器。

2 船載直流電網的優點

2.1 安全可靠

ABB船載直流電網的保護和選擇性是通過快速熔斷器、半導體功率器件的受控關斷以及母聯直流斷路器來聯合實現的。船載直流電網故障電流的截堵速度比傳統的帶有保護繼電器的斷路器的速度要快得多，因而對系統的保護更高效、安全、可靠。

2.2 高 效

傳統交流推進系統對電網的電壓和頻率有很苛刻的要求，船級社對這兩個參數都給出了具體的嚴格限制。基于此，發電機組中的柴油機就被要求以同步轉速運行，但需根據負載的要求輸出不同的功率，從而大大犧牲了發電機效率（見圖5和圖6）。而對于某些船舶（比如多功能海上支援船PSV/平臺供應船OSV），當DP作業時，相當長的時間內要求推進器低負荷（比如推進電動機的30%的額定功率）運行、從而也要求發電機以較低的負荷率（20%左右）運行，某些情況下的發電機帶載率甚至僅為15%左右。比如在母聯斷開的DP工況下，為了能持續保持定位功能，即使多臺發電機都以極低的效率運行，也不能為了提高一臺發電機的效率而停止另一臺發電機。這就使多臺發電機組都以很低的負荷率長時間運行，從而導致傳統交流電力推進系統中的發電機組的效率很低。

圖5 柴油機不同負荷率下的耗油率

圖6 柴油機變速情況下不同負荷率下的燃油的節省率

船載直流電網可以高效地解決這個問題：首先，相比于交流電力推進系統可以使在網發電機的數量減少；其次，如果發電機的負荷率比較低，可以降低柴油機的轉速，讓柴油機仍然工作在效率較高工作區域。

2.3 質量輕、占地少

船載直流電網另一個顯而易見的優點就是可以減輕質量，減少在船上設備的占地空間。隨著船型不同以及工況要求不同，減少的空間和質量是有變化的。下頁表1為一個PSV的對比表格［1］，該設備質量較傳統的交流電力推進減輕約26%。

表1只給出了設備本身的對比。此外，船載直流電網效率的提高也有效節省了燃油，這意味著可以減少船舶的儲油量，也即增加了船舶的有效空間。

2.4 開放、靈活

船載直流電網是一個開放、靈活的系統。這個系統可以將不同形式的能源都集成在同一個平臺上（如柴油機、燃氣機、雙燃料機，燃料電池、超級電容和功率電池等）。用戶可以根據不同的燃料價格水平、能源的可用性以及各個國家的法規要求選擇不同的燃料型式。

表1 PSV傳統交流電推系統與船載直流電網的質量比較kg

3 船載直流電網中樞——功率能量管理系統（PEMS）

ABB PEMS的主要目的是確保用電設備有足夠可用的功率。PEMS包含了所有必要的功能用來遙控電能的產生和分配。ABB PEMS通過不同層次的硬件及軟件來實現不同層次的功能，這些不同層次的控制硬件對不同的設備（產生電能的發電機、控制電能流向的整流器、隔離開關、斷路器等）根據系統工藝的使用要求進行控制。不同的控制硬件通過工業以太網聯絡成一個完整的網絡平臺。柴油發電機通常以額定的轉速運行，但速度的設定點是可以調整的，柴油機速度設定點可以根據電氣負載來調整而使發電機維持在一個優化的水平高效運行。PEMS通過AVR控制直流電壓水平，直流電壓的電壓降特性［4］確保了負載在并聯運行的發電機中分配。

相比于傳統的PMS，ABB PEMS充分應用了當今的數字化技術，在PEMS網絡中有大量的數據在交互，通過對這些大量數據的分析計算，而使整個電網完全成為一個客戶定制化的智能電網。

4 船載直流電網實船應用情況

應用ABB第一艘全套船載直流電網系統的是隸屬于船東Myklebusthaug的一艘平臺供應船（見圖7），如今該船已經成功應用多年。

圖7 Dian Star PSV船

該船基本參數如下：

船名：Dian Star

船型：OSV/PSV（多功能海上支援船/平臺供應船）

設計：MT6015 MPSV

船廠：Kleven Yard BN357

交付時間：2013年

船級社及入級符號：DNV DP2 Closed， ERN 99 99 99 99

船東：Myklebusthaug Management AS

船體總長LOA：93.80 m

寬度B：20 m

總登記噸位GRT：4 826 t

航速：15 kn

該PSV共有5個推進器。T1、T2： 管隧式推進器 ；0～925 kW ； CPP ； 0～1 200 r/min。T3： 全回轉推進器 ； 0～880 kW ； 0～1 791 r/min。T4、T5： 主推進，全回轉推進器 ： 0～2 200 kW ； 0～1 200 r/min。5 臺發電機：4×2 240 kW， 1×920 kW；1 200～1 800 r/min。各個推進器和發電機的邏輯布置見圖8。

圖8 推進器及發電機

表2是這艘船一年的運行工況表，為便于比較，也列出常規交流電力推進系統使用燃油的情況。

由表中數據可以看出，該船一年34%的工況下處于DP工作模式，在這種模式下可以節省大量燃油。相比于傳統交流推進系統，這樣不僅每年可節省約13.1%的燃油（約361 t），并且可減少CO2排放約1 150 t，具有良好的運行經濟性和社會環保性。

表2 PSV一年運行數據

5 結 語

ABB船載直流電網是一種安全、高效、開放的電力系統，對于工況多變的船舶是一種很好的選擇，可應用于配有低壓船載電力系統的船舶，如海洋工程船、拖船、渡輪、游艇、科考船、近海及內河小型船等。