某6 600 DWT 化學品船直流網絡型電力系統設計

劉興亮，孫玉寧

（蕪湖造船廠有限公司,蕪湖 241000）

1 前言

某6 600 DWT 化學品船是蕪湖造船廠傾心打造的一型化學品船。本船不僅滿足最新節能環保要求，同時具有CCS 的i-Ship(N, M, E, C, I)入級符號，滿足國際海事組織第2、3 類化學品及油品的運輸服務標準，其建造工藝、性能配置達到國內先進水平。

本船采用了直流網絡型電力推進系統，配以可變速柴油發電機組、直流配電系統、低速永磁電機推進方式；采用三臺發電機，配置一臺永磁低速電機驅動螺旋槳；以直流配電方式，最大程度發揮發電機組功率、轉速曲線和推進功率的最優參數，可實現一鍵式選擇低速、中速和設計航速的經濟巡航模式；在船舶可靠性和節能方面優勢明顯，可以智能能效控制，實現低碳航行；通過入級CCS 的i-Ship(N, M, E, C, I)，大幅減少人員配置，全面提升船舶運營管理綜合效率。

目前大多數電力推進船舶都是采用交流組網技術，本船則采用了直流組網電力系統設計。直流組網電力系統在高效節能、節省空間和重量以及系統的靈活性和簡便性方面都具有明顯的優勢；同時，由于采用了可變速發電機組，發電機組的轉速可以根據電網上的實際負荷情況進行自動調節，使發電機組工作在最優的轉速-功率曲線上，降低了油耗和減少了排放，使整體系統效率提高約20%。

2 系統組成

本船的直流網絡型電力系統單線圖，見圖1。

圖1 6 600 DWT 化學品船直流網絡型電力系統單線圖

（1）電站系統

設置了2 套AC690 V、50 Hz、750 kW 主發電機、1 套AC690 V、50 Hz、1 020 kW 主發電機，1 套AC400 V、50 Hz、250 kW 停泊兼應急發電機。

3 臺主發電機組為可變速，提供690 V、 50 Hz 交流電源，經3 臺主發整流器V1、V2 和V3 后并網連接到直流配電板；直流配電板額定電壓為DC950 V，主要是考慮到如額定電壓超過1 000 V，則相應的開關及保護器件、整流裝置和逆變裝置需選用更高的電壓等級。而本船推進電機等負載并不是特別大，直流母排按額定工作直流電壓950 V 設計可使整個系統配置的開關等在成本方面更具有經濟性；直流配電板通過兩臺主推進逆變器給主推進器及首側推、日用電逆變器和貨油泵逆變器分別供電。日用逆變器設置了V4和V11兩路，互為備用，滿足規范相應冗余要求；日用逆變裝置輸出690 V 50 Hz 交流電，經690 V/400 V 日用變壓器T1、T2 和400 V/230 V 日用變壓器T3 或T4 后，通過AC400 V 分配電板和AC230 V 分配電板分別給全船日用用電設備供電；在船舶港泊模式下，日用逆變器也可做整流使用，此時應急發電機工作在停泊模式下提供AC400 交流電，通過應急配電板經日用逆變裝置向直流配電板供電；日用逆變器正常做逆變電源使用時為240 kW，在停泊工況下做整流使用時功率輸出為250 kW。

（2）電力主推進系統

采用一臺雙繞組結構的主推進電機，雙繞組為PM1 和PM2：雙繞組電機額定推進功率為2x1 000 kW，電機直接驅動螺旋槳；雙繞組各配置一臺逆變器用作電機驅動，正常航行工況下，兩臺逆變器V7 和V8 并聯驅動主推進電機。為節省系統成本，本船首側推并沒像一般船舶那樣設置獨立驅動，而是利用主推進電機的其中一臺逆變器驅動；在船舶進出港工況時，主推進電機只使用一臺逆變器驅動一組繞組來帶動螺旋槳，而另一臺逆變器V8 驅動首側推。此時，斷路器K2 斷開，K1 和K3 閉合；本船貨油系統共配置12 臺貨油泵，電力系統共設置了4 臺貨油泵逆變器作為驅動，由于采用了矩陣式控制來驅動貨油泵，駁油工況下最多4 臺貨油泵可同時運行。

（3）自動化控制系統

主要提供整個直流電力系統的控制和狀態監測，包括電站管理系統、主推進遙控系統、首側推遙控系統以及貨油泵的變頻調速驅動控制系統。

3 系統特性

本船的變頻直流配電系統,主要由主發電機整流器、推進電機逆變器、貨油泵逆變器、逆變電源等電力電子設備和直流母排、熔斷器等設備組成。

發電機整流器采用IGBT 全橋式結構，通過先進的電機控制算法實現對變速發電裝置的精確控制；由于采用了全控型的IGBT 整流器，所以發電機的可調速范圍很大，可變轉速范圍為300～755 r/min，整流器可以根據實際電力負荷情況，實時控制調整發電機組的轉速和功率等實時參數，但并不會影響供電的可靠性和連續性。由于發電機的轉速和負荷實時匹配，相較于傳統的定速發電機組，可以保障變速發電機組始終以最佳的轉速-功率曲線運行，極大地降低了發電機組的燃油消耗，不但實現了環保節能要求，提高了經濟性，同時也改善了發電機的運行工況，有效提高了設備的使用壽命和使用性能。

本船的推進系統采用一臺具有雙繞組結構的主推進電機，推進功率為2x1 000 kW，由兩逆變器輸出交流電能進行驅動，逆變器采用船舶推進專用控制程序，集成了完善的轉矩/轉速保護、功率限制、螺旋槳出水保護、溫度保護及過壓、過流等保護功能；推進逆變器通過接收推進控制系統的指令，實現對推進器的轉速/轉矩的精準控制，調節過程更加平滑且調節速度更快，通過與PMS 系統的協調控制，避免了推進負載波動對電網產生的不良影響。

對于船上的泵、風機、空調、照明等交流日用負載，由兩臺逆變電源裝置輸出到低壓交流配電板進行供電。該逆變電源采用微網電源專用控制軟件，配合正弦濾波器的使用，保證輸出符合技術要求的正弦波，電網諧波被嚴格控制在5%以內，滿足規范和船上日用負載的供電需求；逆變電源裝置除了具有精準的電壓穩定性、頻率穩定性的控制功能，還具有過流過載、短路等保護功能，保障系統供電的可靠性和連續性。

在變頻直流配電系統中，還包含有電站功率管理系統（PMS），用以實現對整個供電網絡的電能管理和機組的節能控制。PMS 系統通過控制整流器完成發電機組的并網、脫網動作，在并網、脫網動作過程中斷路器并不動作，而是通過整流器的并網控制算法實現，整個并網、脫網過程可以在500 ms 內完成，大大優于傳統交流電網的控制特性，實現對電站能更加快速、精確的管理；此外，通過此種控制方式，使得頻繁并網、脫網的操作由于不需要斷路器閉合和脫扣來完成，所以對斷路器沒有任何影響，使得直流配電系統比交流配電系統具有更高的可靠性和使用時限。

為了滿足本船智能入級符號要求，變頻直流配電系統還將采用紅外熱成像技術對配電系統的匯流排、斷路器、整流器、逆變器等關鍵部件進行實時溫度監測；同時采用電氣信號分析技術，用于探測系統絕緣、定子電流不平衡、發電機定子繞組及轉子故障檢測、諧波監測等其它監測技術難以探測到的故障和數據采集。

4 系統主要控制功能

（1）主推進轉速和功率可實時調節：在船舶進出港工況時，船舶推進動力依靠一臺主推進逆變器驅動主推進電機的一個繞組，另一臺逆變器用來驅動首側推的啟動和速度控制；在主推進系統經濟巡航模式下，一臺大功率發電機和2 臺小功率發電機自動在網組合，使發電機組運行在經濟最佳區域；

（2）變速發電機組功率控制：變速發電機組的轉速隨電網負載變化而改變，實現發電機組的輸出功率控制和輸出功率分配；

（3）推進功率限制保護：通過對電站負荷的檢測，PMS 會根據發電機組的負荷率自動進行功率限制：當發電機的負荷率高于整定值電站容量無法滿足推進功率要求時，會自動限制推進功率，在保證船舶降低功率推進的情況下電站繼續運行，既可以保障供電的連續性也可提高船舶操作的安全性；

（4）直流母排電壓控制：直流母排由左、右兩段鍍錫銅排組成，兩段母排之間通過直流斷路器和直流快速熔斷器進行連接，實現快速的推進負荷控制和轉移，提高推進系統冗余性；

（5）日用逆變電源變頻器的恒頻恒壓的輸出控制：滿足日用交流配電的工頻電壓和恒定頻率輸出。

5 功率管理系統

功率管理系統（PMS）是直流網絡配電系統實現自動化控制的核心部分，它可根據電力系統的功率需求，自動管理發電機的運行及實現電能的分配。本船具有中國船級社智能入級符號，從而對功率管理系統的發電管理、負荷管理、配電管理以及狀態監測都提出了更高的要求。

PMS 安裝在直流配電板中，其模塊化的設計使系統簡潔并便于升級；PMS 系統可以根據電力負載的實時功率需求對每臺發電機組進行運行監控能協調各發電機組的工作，實現各發電機都能根據實時負荷要求運行在最佳轉速-功率曲線模式上；同時可以對電站系統進行故障報警和處理，確保為推進系統以及輔助設備等日用負載提供可靠、穩定及優化配置的電力能源。

PMS 與變速發電機整流器控制信號及柴油機ECU控制信號采用硬線連接；與人機界面之間采用通訊連接，可以直接觀察到發電機組以及整個配電系統的運行狀況，還可以通過觸摸屏手動控制發電機組的起停、并網、負荷轉移、解列以及更改控制參數等；

PMS 的拓撲結構采用星型結構，星型結構的中心為控制主站，采用高性能的西門子PLC，工作性能穩定可靠；當星型結構下各子節點出現故障時，不會影響控制主站對其它子節點的控制。

PMS 因故障無法使用時，電站可以手動切換到手動模式，在直流主配電板上即可手動對機組進行起停、并網解列和負荷分配等操作，最大程度地保證電站系統的可用性和供電連續性。

6 結論

通過上述對某6 600 DWT 化學品船直流網絡型電力系統設計的介紹，充分說明了直流組網技術同交流組網技術相比較所體現出來的技術優勢，包括高效率、電站操作的靈活性和快速性、低燃油消耗、空間位置及重量的節省等。而隨著電力電子技術的發展，也促進了變頻調速控制技術的突飛猛進，直流網絡型電力組網技術將在化學品船、瀝青船以及多用途船等船型上得到更加廣泛的推廣應用。