大容量低壓電站系統的研究及應用

沈 愷，楊金國，顧健飛,苗 青

(1.中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰 214433；2.32119部隊，吉林 集安 134200)

0 引言

隨著國際貿易的迅速發展，進出沿海港口的集裝箱船和各類型的集裝箱數量日益增多，冷藏集裝箱運輸越來越發達。全冷集裝箱船上的冷藏集裝箱多達上千只，集裝箱船越來越大型化，這大大增加了船舶電站的容量。一般冷藏箱功率在10 MW左右及以上均采用中高壓電力系統，但中高壓電力系統配置中高壓配電板、大型變壓器及中高壓電纜時，需要很大的布置空間。特別是大型變壓器，電力轉換消耗大，能量比差，除了需要大空間外還需要提供散熱設計。為克服中高壓電力系統的不足，近年來發電機效率不斷提高，開關技術、雙母排技術也不斷發展，這使得大容量低壓電站系統的設計成為可能。2020年，簡化的電力系統在新型15 000 TEU集裝箱船上得到成功應用。該系統使用低壓配電系統取代了現有的高壓配電系統，并獲得了DNV·GL船級社原則上批準(AIP)。該系統通過消除每艘船的電壓轉換節省了大約32萬美元，同時增加了冷藏箱的裝箱量[1]。

本文以910 FEU全冷集裝箱船為研究對象，將中高壓電力系統和低壓電力系統進行對比，結合電力負荷估算及發電機優化選型，進行預估短路電流計算，分析大功率電站低壓電力系統在該船上的可行性。

1 系統分析與設計

1.1 電力負荷計算

910 FEU全冷集裝箱船的大型用電設備主要包括冷藏箱、克令吊、混合式脫硫塔、艏側推等，其中用電比重最大的還是冷藏箱，因此電力負荷計算主要估算冷藏集裝箱的裝載負荷系數。目前，英國勞氏船級社(LR)規范建議冷藏集裝箱運行的不同時系數要不小于0.75。挪威船級社(DNV)對此有專門的分析和規定，用冷卻比例百分比Cd來表示預期同時工作在冷卻模式下的冷藏箱數量除以冷藏箱總數量，見圖1。

根據圖1對整個冷藏集裝箱功率進行估算，發現總共需要4臺功率在2 500 kW以上的發電機。由于國際上一般將2.0～2.5 MW確定為低壓發電機組的容量上限(國內船用低壓發電機的單機容量一般不超過1.5 MW)，在容量超過10 MW的船舶上安裝六七臺甚至更多的發電機顯然不合理，這也是引入中壓電的原因之一[1]。

為了加大采用低壓系統的可行性，有必要對電力負荷進行優化。首先對上述幾個大型設備的系數需要進行合理調節；然后和船東對航線、碼頭及冷藏箱裝載使用率進行分析，估算平均每個冷箱功率為4.2 kW左右，比之前根據規范估算的要低；最終確定使用4臺主發電機，每臺額定功率為2 300 kW，這個功率大大提高了低壓系統運用的可行性。

1.2 中壓電力系統

中壓電力系統采用電壓6.6 kV、頻率60 Hz、3相3線絕緣系統中性點接地系統[2]。6.6 kV中壓配電裝置由主發電機控制屏、日用變壓器控制屏、冷藏變壓器控制屏、艏側推器控制屏、匯流排隔離屏及接地屏、同步屏和分段屏等組成，按照法規要求整個匯流排須通過隔離開關分成2個獨立的分段。由于中壓配電裝置結構復雜，隔離開關和分段母線引上需由2屏組合構成，每屏只能裝1個斷路器，所以整個配電板屏數較多。同時，系統還需配置6套常用的低壓配電板裝置、照明生活用變壓器、冷藏集裝箱配電裝置，在冷藏集裝箱配電板裝置之間母聯開關通過電纜連接。由于采用中高壓6 600 V、功率為2 300 kW的額定電流僅為252 A，系統最大短路電流預估7 kA，中壓斷路器都能滿足要求。

1.3 低壓電力系統

1.3.1 低壓系統的方案可行性分析

大型全冷箱船電站功率大，一般采用中高壓電力系統的方案，但會帶來配電裝置龐大及變壓器數量較多的問題，影響整個系統布置，且經濟性很差。對低壓系統進行技術分析，其關鍵點在于整個電網的短路電流與配電系統是否能夠相互匹配。

根據預估計算，主匯流排上的短路電流應是最大的。考慮到本項目發電機的特殊情況，發電機直軸超瞬態電抗預估盡量選小，為11%。通過預估公式，對稱短路值大約為134 kA，峰值為341 kA。雖然快要到達極限值，但沒有超過低壓開關的極限值，即使后期因參數變化，也在可控范圍內，因此采用低壓系統方案是可行的。

1.3.2 發電機選型與短路電流計算優化

結合經濟性和高效性對發電機進行選型，每臺發電功率要求2 300 kW，柴油機的額定功率點就要盡量接近這個值，以免柴油機跨檔和加缸，導致整個機組外尺寸加大，且費用昂貴。最終發電機型號選擇為HFJ 5718-14K-S-L，柴油機功率為2 384 kW，使用效率達到97%。

在提高發電機效率的同時，發電機直軸超瞬態電抗的值就會相應變小，選用的發電機直軸超瞬態電抗僅僅為0.96%，已經超出了預估值。這就意味著整個電網的短路將會變得很大，這對低壓開關的選型帶來非常大的困難。一旦數值超大，超多低壓開關的極限值，則需要重新選用中高壓方案，這對船舶電網系統設計是個顛覆性的修改。所以，一定要保證短路計算的結果滿足相關使用值。

因此，對每臺發電機的電纜進行合理加長，可增加系統內的阻抗值，從而減小短路電流值。另外，通過比對減小系統中電機的同時使用系統，可以減少電力負荷計算書中電機等效電路的功率值，從而減小短路電流值。

通過最終的短路電流計算書發現：最大對稱短路電流Iac=118 kA，最大短路電流峰值Ip=324 kA。常規項目選Iac值基本就能滿足要求，一般不用考慮峰值。而這個項目是需要以Ip值選型，所以最終開關選型是施耐德最高的分斷能力等級R型。

1.3.3 母排的選擇和配電板布置優化

根據電力負荷計算，由于4臺發電機有同時工作的工況，總功率為9 200 kW，配電板母排的電流會非常大，所以采用配電板雙母排的方案。水平母線設計，位于柜體后上部，用絕緣子固定，銅排相間距105 mm，5 mm厚扁平銅排，最多每相5片排，雙水平母線，最大至7 300 A。考慮到雙母排配電板方案，整個配電板的尺寸會非常大，對配電板和集控室布置進行優化，將AC110 V饋電屏獨立出來，外形由一字型改成槽型。

最終經過核算，從發電機耐受曲線與相應開關的參數及整個短路電流計算書可知，整個設計滿足船級社規范及相關法規要求，同時也滿足了船東實際使用要求。

1.4 電站功率管理系統設計

船舶電站是船舶電氣系統的重要核心部分，而電站自動化是船舶自動化的主要組成部分。電站運行的穩定性、合理性及自動化程度對保證船舶航行安全性、經濟性具有重要意義。本文研究的全冷集裝箱船電站管理系統是集成到船舶綜合控制系統里，是一個高穩定性、全面性的網絡型多工作站分布式電站自動化控制系統。

經電力負荷計算，冷藏箱的功率約占到整船總功率的41%，其他用電設備的功率大致占到整船總功率的59%。另外，由于船舶模式變化較多，如：航行模式、停泊模式、進出港模式、裝卸貨模式等，其中還有Tirell 3模式、是否帶冷藏箱，船舶電力系統的用電負載變化會非常頻繁。尤其是在如此大的電站容量下，由于冷藏集裝箱船對集裝箱的控制相互獨立，全船的負荷功率可能會出現峰值功率和峰谷差更大。對于該問題，本文通過采集冷藏監測系統數據及裝載計算系統的裝載數據，由電站管理系統進行數據分析后，將相關信息反饋給冷箱工作人員，在不減少貨物質量和船上電力安全的原則上，對冷藏集裝箱運行總功率進行調節、其他負載總功率預測和船舶電站控制，將冷藏集裝箱作為蓄能單元，通過科學調節冷藏集裝箱運行總功率，達到削峰填谷和維持全船功率基本平衡的作用。在電站容量不變的情況下，冷藏集裝箱船可以提高冷藏箱的裝載數量，降低運營成本。

1.5 系統經濟性對比

在物量費用方面，通過表1的對比可以看出低壓電力系統無論從系統配置的數量上，還是單個設備的費用上，都比中高壓系統節省。整個系統預估節省的費用約為40萬美元。

表1 中高壓與低壓電力系統主要配置差異

2 實船驗證

雙母排設計的配電板工廠試驗(FAT試驗)的所有試驗數據，不僅滿足規范和使用要求，而且優于上述要求。FAT試驗的部分數據見表2。

表2 FAT試驗的部分數據

3 結論

(1)在已定下電站容量的情況下，一定要在掌握完整數據后，對電力負荷計算優化，以降低電站功率，減小短路電流。

(2)為提高機組的利用率和減少能源的消耗，盡量使用高效率的發電機組，但同時也要注意直軸超瞬態電抗數值的變化。因為隨著效率的提高，這個值很容易變小，從而會加大短路電流數值。這個須根據實際項目，找到兩者的平衡點。

(3)由于大容量電站的短路電流是很靠近極限值的，因此每個環節都需要仔細核算，避免在后期更換方案。

(4)該系統已在910 FEU全冷集裝箱船上成功應用。營運中，整個低壓電力系統運行正常，并得到船東的好評。