新型直流配電推進船舶的配電系統設計

孫 林

(上海瀚順船舶設計有限公司，上海 200135)

0 引言

目前，航運業正向節能減排、綠色航運的方向轉型。全球范圍的硫排放限制區和中國近海及內河航道的硫排放限制要求，都對目前使用燃燒傳統化石能源的柴油機進行推進的船舶提出了挑戰。對此，營運船舶都在采用燃燒低硫燃油、安裝脫硫裝置或使用生物燃料LNG的方式進行應對[1]。而國際海事組織(IMO)海上環境保護委員會于2019年5月17日在倫敦召開了會議，結合之前在全球范圍內設置的硫排放限制區，會議不僅討論了將制定更加嚴格的硫排放規則，同時提出了到2050年在2008年基礎上減少溫室氣體排放50%的長期目標。因此，要切實降低溫室氣體排放，勢必要降低柴油機的運行時間。而現階段，對安裝鋰電池、超級電容等儲能元件，或者燃料電池等新能源的混合推進船舶的研究，無疑是一重要的發展方向。本文提出了一種適用于頻繁在內河航道低速航行的成品油船的直流配電電力推進系統，電源為異步變速發電機和鋰動力電池，對雙繞組低速永磁同步電機供電驅動螺旋槳。該配電系統可以有效降低溫室氣體排放，且能接駁岸電用于船舶卸貨，實現港口停泊時的零排放。

1 混合推進模式

以儲能元件鋰動力電池為例，適用于電池-柴油機混合推進的模式一般有兩種：(1) 推進柴油機和電池驅動的推進電機共同驅動螺旋槳；(2) 柴油發電機和電池共同對推進電機供電驅動螺旋槳。兩種推進方式見圖1。

圖1 混合推進模式

第1種模式令推進電機在PTO/PTI模式下切換實現減排[2]：推進功率富余時，電機在PTO模式下作為發電機供電。由于推進柴油機工作在高負荷率區域，油耗較低，通過減少柴油發電機的使用頻率來降低排放；進入排放限制較高的區域時，電機在PTI模式下作為推進電機由鋰電池供電驅動螺旋槳，通過減少推進柴油機的使用降低排放。這種模式涉及推進電機和推進柴油機之間的機械配合，復雜且存在較多損耗。

第2種模式簡化了柴油機的數量，船舶變成純電力推動，各動力能源之間僅有電氣連接，簡化了系統。鋰動力電池作為儲能單元可以隨時介入船舶電網，無疑是更可靠有效的推進模式。

因此，本文設計的配電系統基于第2種柴油發電機和動力電池結合的混合推進模式。

2 推進電機選型

對于需要在國際范圍內進行成品油貨品的運輸，同時又頻繁在內河各成品油碼頭進行貨物接駁的化學品成品油船，其航速特性一般為：在外海航行時一般排放限制要求較低，航速較高，為12～13 kn，推進電機負荷率較高；而在近海內河航行時一般排放限制要求較高，航速較低，為8～9 kn，推進電機負荷率較低。表1為某6 500 載重噸化學品船的航速預估報告，以此為依據，結合此類船舶的航速特點，進行推進電機的選型。

表1 某6 500載重噸化學品船航速預估報告

首先，出于節能的考慮，在推進電機的選擇上須選擇效率更高的電機。相較于傳統的交流同步電機(ASM)，永磁同步電機(PMSM)有更高的效率。電機效率比較見圖2。從圖中看出，在高負荷率的狀態下約有2%的差距。由于船舶所用的推進電機功率較大，以表1中13 kn航速下的功率1 535 kW為例，則ASM和PMSM的功率損耗會有30.7 kW的差距。考慮供電線路和器件的損耗，反應在發電機和電池側，此差距會更大。同時PMSM有著更小的體積利于船內布置，因此本文選擇更高效節能的PMSM作為推進電機。

圖2 電機效率比較

同時，加大電機的極對數，降低電機的額定轉速。使用例如32極的電機，可以使電機的額定轉速降至112 r/min，適用于低轉速的螺旋槳，從而在軸系中省去齒輪箱的損耗，進一步提升效率。

通過對表1的分析可知，當船舶低速航行(航速8～9 kn)時螺旋槳收到功率為高速航行(航速12～13 kn)時的50%甚至更小。以航速9 kn為例，推進電機負荷率僅為航速13 kn滿負荷時的31%。通過圖2中電機負荷率與電機效率的關系曲線，可知對PMSM而言，低負荷率時電機效率也會隨之降低。因此，為了保持電機的高效運行，選擇圖3的雙繞組PMSM。高速航行時啟用2套繞組在100%額定功率運行；低速時啟用1套繞組，以50%額定功率運行，提升電機的負荷率從而提升電機效率，進一步減少電能損耗。

圖3 串聯式雙繞組電機結構

因此，本文選用雙繞組低速永磁同步電機作為此類型船舶的推進電機，適合其使用工況，同時滿足節能的相關要求。

3 配電母線選型

對于使用傳統交流配電母線的純電力推進船舶，作為主電源的柴油發電機一般為交流同步發電機，并車運行對交流配電母線供電，而推進電機經變頻器由母線供電驅動。作為直流電源的鋰動力電池需經逆變器和變壓器與母線連接供電，其配電結構見圖4(a)。這種配電方式存在著低負荷率時柴油發電機效率、低油耗高，電池與柴油發電機并車復雜等缺陷。

采用圖4(b)所示的直流配電母線結構，將變頻器單元的AC/DC整流模塊和DC/AC逆變模塊進行拆分，所有的整流和逆變模塊都共用直流母線，避免了交流配電系統中存在的各變頻器單元在母排上產生的諧波污染。同時，并聯運行的發電機組都經過整流器整流接至直流母排，因此無需考慮并聯運行需電壓頻率一致的問題，可以選用交流異步變速發電機組。

交流異步變速發電機組的特點是：當與交流同步發電機工作在同一功率點時，異步變速發電機可以工作在其他燃油消耗率更低的轉速下，不必像同步發電機一樣恒速運行，從而達到節能的效果。另外，儲能元件如電池的標準輸出一般為直流電，使用直流母排，更利于儲能元件接入配電系統，節省了器件。因此，本文選用直流配電母線，以異步變速發電機為主電源的配電系統服務于此類型船舶。

4 配電系統

結合分析和選型，設計的新型直流配電推進船舶的配電系統見圖5。

主推進電機的2個繞組分別由2臺逆變器供電：一臺逆變器可在船舶靠泊碼頭時兼用于驅動艏側推電機；另一臺逆變器驅動主推進電機的1組繞組，實現船舶的機動操縱。

船舶上AC380 V/2.21 kW/50 Hz的工作及生活用電由母排經逆變器、濾波單元和變壓器供給，保證交流母排上的諧波量不超過規定值。用于船舶卸貨的貨油泵電機經相應的逆變器由直流母排供電。

由岸電接駁至船上的岸電可經由其中1臺發電機的整流器對直流母排供電。電能可以用于鋰動力電池組的充電、船舶在港時的工作及生活用電，以及卸貨時貨油泵電機的運行，從而實現了船舶在港時的零排放。同時，由于整流器的存在，當船舶靠泊國外港口時，岸電規格為AC440 V/2.21 kW/50 Hz時，也不影響使用，具有更廣泛的適用性。

5 節能減排

6 500 載重噸化學品船，依據圖5的系統結構設計了配電系統。主電源為2臺異步變速柴油發電機組，規格為AC690 V/1 020 kW；輔助電源約為1 000 kWh的鋰動力電池組。船舶螺旋槳由1臺雙繞組低速永磁同步電機驅動，規格為AC690 V/29.9 Hz/112(r·min-1)/(1 000 kW×2)。配電母線為1 000 V的直流配電母線，與相應容量的整流和逆變器件均安裝在直流配電板內。

設置船舶的運行工況為在內河以9 kn航行，船舶所需功率約700 kW，船舶航行10 h，則航程所需總電量約為7 000 kWh。在此工況下優先使用1 000 kWh的鋰動力電池單獨供電驅動船舶，則柴油機的運行時間降低了1.4 h。

6 結論

(1)減少了柴油機的溫室氣體排放。靈活的直流配電網絡和作為儲能元件的鋰動力電池的介入供電，降低了柴油發電機的在網功率和時間，切實降低了排放。

(2)損耗的降低。選用PMSM電機提升了電機效率；低速電機減少了軸系損耗；雙繞組提升了低負荷工況下的電機效率。因而從推進的角度整體提升了供電效率，降低了損耗。

(3)有著優良的擴展性。目前新型的儲能元件如鋰電池和超級電容等，以及新能源如燃料電池等，其輸出的電制大都為直流電，直流母排對新能源的支持，為未來船舶電站進一步提升新能源比重，降低傳統能源比重設置了良好的升級能力。