直流電站電力推進系統在小水線面雙體科考船中的應用

李明剛，袁 毓

直流電站電力推進系統在小水線面雙體科考船中的應用

李明剛，袁 毓

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

某型小水線面雙體科考船是國內大型科考船之一，該船建造項目屬于國家重點工程項目，本文詳細介紹了直流電站電力推進系統在小水線面雙體科考船上的應用。通過典型方案的比對，表明了所選方案的先進性與可靠性，具有一定的工程實踐指導作用。

直流電站電力推進系統 小水線面雙體科考船

0 引言

某型小水線面雙體試驗船是是目前批復建設噸位最大的小水線面雙體試驗船，對配置的船舶綜合電力推進系統[1]的先進性、可靠性等有很高要求。

該船綜合電力推進系統基本組成如下：

1）主推進功率：2×3.2MW

2）側推進功率：2×1000kW

3）日用負荷供電：1100kW/3AC380V/50Hz

4）大型甲板機械：2×300kW

5）DP1級動力定位系統

針對上述要求，我們通過對目前主流的電力推進系統拓撲型式進行對比論證后，給出適合該船的系統型式。

1 方案論證

本船推進功率較大，單軸推進功率達到3.2MW以上。從推進電機來說，該功率等級上中壓及低壓推進電機都可以選用，因此本方案論證的重點在于系統型式，并根據系統型式確定采用何種電壓等級。

目前可用于本船的電力推進系統有三種型式：

1） 交流DFE型式的電力推進系統

2） 交流AFE型式的電力推進系統

3） 直流電站型式的電力推進系統[2,3]

1.1交流DFE電力推進系統

交流DFE電力推進系統是當前船舶電力推進系統廣泛采用的技術方案，其前端采用不控整流器件，其典型系統拓撲如圖1所示。

交流DFE型式電力推進系統的顯著特點是推進支路上具有整流變壓器，用于實現電壓匹配及降低電網諧波。該系統從上世紀80年代應用到現在，有接近40年的歷史，技術極為成熟，也是目前大多數電力推進船舶的常用系統。DFE型式電力推進系統主要缺點是具有整流變壓器，體積較大，同時由于螺旋槳制動能量無法回饋，需要配置大型的制動電阻耗散螺旋槳回饋能量。

圖1 交流DFE電力推進系統拓撲圖

1.2 交流AFE電力推進系統

隨著技術的進步，AFE前端變頻技術越來越成熟，采用交流AFE型式的電力推進系統也逐步得到推廣應用，其典型系統拓撲如圖2所示。

圖2 交流AFE電力推進系統拓撲圖

交流AFE型式的電力推進系統顯著的特點是采用有源整流前端（即AFE前端）的推進變頻器，不再需要龐大的整流變壓器，由于同容量AFE變頻器與DFE變頻器體積重量差別不大，因此AFE型式的電力推進系統比DFE型式電力推進系統設備數量少，總體體積更小，重量更輕。但交流AFE型式的系統由于采用了有源整流前端，對船體地容易產生高頻共模干擾，在低壓系統中共模干擾影響較小，但中壓系統的影響則不容忽視，因此AFE型式電力推進系統主要用于低壓系統中，在中壓電力推進船舶中應用較少。

1.3 直流電站電力推進系統

隨著電力電子技術的發展，直流電站型式的電力推進系統倍受關注[4,5]。該系統的應用，具有節能減排、節省艙室空間、電源品質優秀等特點。其典型系統拓撲圖如圖3所示。

圖3 直流電站電力推進系統拓撲圖

直流電站型式的電力推進系統主要特點是全船主干電網采用直流電制，發電機組整流供電，所有設備從直流電網上取電，通過逆變或變頻后供電。直流電站電力推進系統中，雖然主干電網采用直流電制，但系統中主發電機組仍然為交流發電機組，推進電機仍然為交流推進電機，日用負荷依然為常規的交流負載，因此對船舶系統外部設備影響較小，具體說明如下：

1）變速發電，節能減排。采用變速發電技術，提高柴油機低工況下的燃油經濟性，有效地彌補了交流DFE及AFE系統中機組低工況下油耗激增的缺點；

2）節省艙室空間，減小重量。AFE系統一樣，沒有龐大的整流變壓器，2種系統從總體積重量上差別不大，而且目前主流的直流電站系統將整流、逆變及配電保護集成為一體，比AFE型式的系統進一步減少了設備數量，有效的簡化了艙室及電纜布置；

3）電站穩定性更好。動力系統的主發電機組仍然為交流發電機組，發電機組整流后給直流主電網供電，多臺發電機組可并聯運行。由于發電機組整流后在直流電網側并聯，只需要對電壓進行控制，對機組頻率的敏感程度下降，因此更容易實現機組的并聯運行，機組并網快速性及運行穩定性更好，而且發電機組不會出現逆功狀態。

4）日用負荷電源品質更好。直流電站電力推進系統對日用負荷電制沒有特殊要求，逆變電源將直流電網逆變成三相交流后供電，供電電源品質更好，不再受DFE系統中主發電機組諧波干擾或AFE系統中高頻共模干擾。

綜上所述，3種型式的電力推進系統均可在本船上應用，以下將分別進行說明。

2 三種系統方案對比

2.1 交流方案

國內外標準的船用交流電制主要有AC690V、AC6600V兩種。如果選用交流電制，必須選用3×2940kW+1×1960kW機組，才能滿足定位工況負荷要求，本船電力系統容量接近11MW，單段母線容量接近6MW，最大單發電機容量為3MW，如果選用AC690V電制，發電機斷路器應選擇4000A檔，母聯斷路器應選擇6300A檔，估算系統最大短路電流至少達到120kA，峰值短路電流達到183kA，基本接近低壓斷路器的極限，不利于系統安全性，而且配電板體積重量將十分巨大。因此如果選用交流系統，則主干電網系統建議采用中壓電制，主要有以下三種方案：

1）6600V中壓電網+中壓DFE推進方案；

2）6600V中壓電網+低壓DFE推進方案；

3）中壓電網+AFE推進方案。

2.1.1 6600 V中壓電網+中壓DFE推進方案

圖4 中壓DFE方案單線圖

如圖4所示，系統電網由3臺2940 kW及1臺1960 kW交流發電機組供電，電壓為3AC6600 V/50 Hz，系統主推采用中壓推進電機及配套的中壓DFE變頻器。另外，日用電網上還配有1臺800 kW的停泊發電機組。

2.1.2 6600 V中壓電網+低壓DFE推進方案

如圖5所示，系統電網由3臺2940kW及1臺1960kW交流發電機組供電，電壓為3AC6600V/50Hz，系統主推采用低壓推進電機及配套的低壓DFE變頻器。另外，日用電網上還配有1臺800kW的停泊發電機組。本方案與前述方案類似，不同只是整流變壓器副邊電壓，主推變頻器及主推電機。

圖5 低壓DFE方案單線圖

2.1.3 6600 V中壓電網+AFE推進方案

考慮到主電網電制標準性及應用的廣泛性，中壓等級首選AC6600V，如果主干電網采用AC6600V中壓電制，受限于功率器件的電壓，目前最高的電壓源型AFE變頻器只能到AC4160V，無法匹配AC6600V電網，目前只有美國AB公司有一款AC6600V電流源型變頻器，但無法驅動永磁電機，因此當電網采用AC6600V標準電制時，無法選用合適的AFE變頻器匹配電網電壓，如果增加變壓器進行電壓匹配，那么與DFE系統相比不在具有任何優勢，反而增加了建造成本。另一種辦法是主干電網選用非標或者較少使用電制，如AC4160V或AC3300V等電制，再配合AFE變頻器使用，但非標或者較少使用電制影響了全船設計及設備選取。

由于中壓AFE方式存在設備選型困難，同時中壓電壓源型AFE變頻器在船舶應用經驗很少，后期可能帶來電磁兼容性上的風險，因此該方案缺少實際工程應用經驗，實踐性較差，。

2.2 直流方案

目前具有實船業績的直流電站系統只有低壓系統方案，直流電制為DC1000V。低壓1000V等級的直流系統最大實船電網容量已超過18MW，遠大于低壓交流系統。

采用直流方案后可實現停泊發電機組與主發電機組的長期穩定并聯運行，因此可以進一步降低主發電機組的容量，可以采用2臺2940kW及2臺1960kW主發電機組，800kW的停泊發電機組不變，就可以滿足系統需求，有效的降低了系統造價，減小了系統重量。直流方案如圖6所示。

圖6 直流方案單線圖

本方案所有的整流裝置、變頻驅動裝置及逆變電源裝置均集成到一個直流主配電板中，對外直接連接發電機、推進電機及日用變壓器，系統較為簡潔。由于全部設備共用直流母線，因此不需要配置龐大的整流變壓器，也不需要配置較大的制動電阻。由于逆變電源采用先進的控制算法，因此逆變電源與停泊發電機組可長期并聯，并實現能量的雙向流動，等效于全船實現了一個靈活的交直流混合電網。

2.3 方案對比

上述幾種可行方案的主要對比如下所示：

系統方案6600 V中壓DFE方案6600 V低壓DFE方案直流電站方案 對比內容電網電壓等級中壓中壓低壓 對船員要求高高低 成熟度高高高 設備數量多，29臺套/船多，29臺套/船少，15臺套/船 綜合油耗高高低 系統穩定性一般一般高 設備總重量約414.1噸約414.6噸約337.2噸 設備體積大大小

3 小結

由前述分析可知，直流電站電力推進系統系統的特點主要包括：

1）對于科考船，直流電站系統中變速發電技術可有效降低燃油消耗率，節省營運成本，通常會存在在非設計工況下運行的情況（如低速航行時），變速發電技術可實時降低機組單位油耗，動態節能，具有補齊了交流系統中能量管理系統的短板之作用；

2）直流電站電力推進系統設備占用更少的艙室間，總重量更低，優化了科考船總體布置，有利于搭載更為豐富的實驗測試裝備；

3）電力推進船舶中，電網為全船所有設備供電，電網的穩定性對全船航行安全十分重要，采用直流電站電力推進系統有效的提高了科考船電力系統的安全性；

4）由于直流電站電力推進系統的日用負荷電源品質更好，相比交流電力推進系統，可以確保實驗儀器設備不受推進系統諧波干擾。

綜上所述，直流電站方案具有更多的優點，更適合于小水線面船型，因此推薦本船動力系統選用直流電站系統方案。

[1] 芮江, 由大偉. 艦船綜合電力推進技術的現狀和發展趨勢[J]. 艦船科學技術, 2010, (04): 3-6.

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[4] Paran T V Vu S, Mezyani T E and Edrington C S. Real-time distributed power optimization in the DC microgrds of shipboard power systems[C]. 2015 IEEE Electric Ship Technologies Symposium(ESTS), 2015: 118-122.

[5] Greig M, Wang J. Fuel consumption minimization ofwariable-speed wound rotor diesel generators[C].43rdAnnual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, 2017, 8572-8577.

Application of Electric Propulsion System with DC Power Station to Small Water-plane-area Twin Research Ship

Li Minggang, Yuan Yu

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TH311

A

1003-4862（2019）06-0004-04

2019-03-20

李明剛（1986-），男，工程師。研究方向：控制工程。E-mail: 18040510963@163.com