重型破冰船電網架構研究

陸 瑋 智 力

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011）

0 引言

重型破冰船電網架構研究的目標是找到一個合適的電網架構，用于國產重型破冰船的研發。重型破冰船是指破冰等級達到PC2 級以上的破冰船，包括PC1 級和PC2 級。PC2 級的定義是在中度多年冰況下全年運行，PC1 級的定義是在極地水域全年運行[1-2]。此型破冰船破冰厚度超過2.5 m，破冰航速大于2 kn。根據相關船模實驗并參考國外類似船型，常規動力重型破冰船所需的推進功率將超過40 MW。

分析國外常規動力重型破冰船實船并結合設備技術發展趨勢[3]，國產重型破冰船將采用電力推進式及綜合電力系統。電網架構研究的重點目標是滿足船舶需求，重型破冰船的需求特點包括極大的推進功率、破冰卡冰時極大的過扭矩需求及單一故障下可以保證船舶脫困等。具體到電網架構研究內容包括選擇電網電壓、選擇電網關鍵設備，尤其是推進電機的選型。本文將通過確定電網關鍵設備參數，結合船級社要求，研究確定一型交流電網架構，滿足船舶運行需求，并可以基于此研究開展下步研發工作。

1 電網主要構成系統分析

重型破冰船電網組成的主要單元為發電機系統、配電系統、電力推進系統和任務配電系統。由于電力推進系統的功率消耗占整個電站容量比重超過80%，電網架構設計將重點分析研究發電機系統、配電系統和電力推進系統。

根據破冰能力需求，船體專業初步估算本船需要配置3 臺推進器，即2 臺10 MW 推進器和1 臺 18 MW 推進器，由此估算電站總功率需達到50 MW。

1.1 電網電壓等級的選擇

綜合電力推進系統根據電壓和電制不同可分為：低壓交流電力推進系統、低壓直流電力推進系統、中壓交流電力推進系統以及中壓直流電力推進系統。

對于低壓交流電力推進系統而言，目前低壓斷路器最大額定電流為6 300 A，極限分斷電流約為200 kA。因此，低壓電力推進系統電站容量有限，無法滿足50 MW 電站容量時各開關的分斷要求，故不能采用低壓交流電力推進系統方案。

目前，低壓直流電力推進系統最大電站功率為18 MW，同樣也無法滿足本船電力推進系統的需求。

中壓交流電力推進系統方案屬于常規方案，國外在該領域領先于國內。按照目前國內系統設計水平及設備現狀，現已經具備50 MW 級系統（6.3 kV、10.5 kV）的全國產化能力。

中壓直流電力推進系統屬于更先進的綜合電力系統，國內技術也領先于國外，但目前4 kV 直流斷路器的最大額定電流為6 kA，分斷能力最大為 110 kA，還不能滿足50 MW 電站容量的分斷能力要求。故中壓交流系統是近期較為成熟的工程技術方案。

采用中壓交流電力系統方案，結合電站容量、推進功率等級可以選用三相交流6.3 kV 與三相交流10.5 kV 這2 種電壓等級。我們將電網進行簡化，構建一個包含發電機、推進配電板、推進電機和等效負載的電網模型如圖1 所示，使用計算軟件進行短路電流計算，估算結果見下頁表1。

表1 不同電壓等級短路電流計算結果

圖1 用于計算的電網簡化模型

由計算結果對照可知，當采用6.3 kV 母線時，對斷路器的額定分斷能力要求較高。饋電支路斷路器的額定分斷能力接近40 kA，目前國內6.3 kV 的真空斷路器額定分斷能力為40 kA，裕度較小，故選擇10.5 kV 為交流母線電壓等級較為合理。

1.2 發電機系統

發電機系統為船舶動力能源提供系統。發電機的選型原則至少有以下幾點：

（1）每個工況下的電力負荷率應盡可能控制在70%～ 90%，使原動機工作在最佳工作點附近；

（2）航行工況下電力系統需要有備機；

（3）破冰工況時考慮全部發電機投入使用；

（4）漂泊工況（長期低功率工況）下，電站負荷率需＞30%，最好＞50%，防止原動機因長期低負荷而影響使用壽命；

（5）應盡可能提高燃油效率，在允許的情況下，單臺電站功率盡可能最大。

根據估算的典型工況下電力負荷數據，大小機配置的電站方案可以更好地匹配各工況下的電力負荷，具有更好的經濟性和使用靈活性，典型工況電力負荷如表2所示。

基于上述原則，考慮國產設備情況，可供優選的電站方案如表3所示。

表3 優選的電站方案

由于碼頭停泊工況和應急工況的電力負荷差距不大，出于減少電站數量的考慮，可配置1 臺 1 200 kW 左右的應急發電機并兼作停泊發電機。

1.3 配電設備

重型破冰船的配電設備可分為推進配電板、日用配電板和應急配電板。根據船級社的要求[2,4]，推進配電板和日用配電板需分為至少2 段母排，根據不同的入級符號的要求，2 段母排可以在1 塊配電板中，也可以分隔為2 塊獨立的配電板。主推進器直接連接在推進配電板上。由于側推功率較大，優選中壓設備，有利于減少工作電流和電纜數量。因此，中壓側推也連接在推進配電板上。

考慮輔助設備一般是低壓設備，所以由日用配電板供電。為保證推進的冗余性，日用配電板也分為至少2 段，且可以分段運行。推進系統的輔助設備根據不同設備廠的配置方案，可能由日用配電板供電，也可能由獨立配電板供電，此獨立配電板往往由推進變壓器供電。

1.4 電力推進系統

主推進系統為綜合電力系統的核心，主要設備包括移相變壓器、推進電機和推進變頻器。推進電機和推進變頻器更是其中的關鍵元件。

1.4.1 推進電機

目前，交流異步推進電機、交流同步推進電機和永磁同步推進電機均可用于船舶推進電機[5]，高溫超導推進電機技術成熟度不夠，是下一代船用推進電機。

美國RAND（蘭德）公司對20 MW 左右功率等級低速推進電機功率密度進行了對比，數據如下頁圖2 所示。可見，同步推進電機的功率密度最低，異步推進電機要比同步推進電機的功率密度更高，永磁同步電機的功率密度最高。

圖2 20 MW 功率等級不同電機功率密度對比

針對各型推進電機在重型破冰船中的應用進行對比分析，得到以下定性結論[6]，如表4所示。

表4 推進電機類型對比

根據高過載能力需求，重型破冰船選用交流同步推進電機或永磁同步推進電機較合理。

以前電網與電機直接相連實現電氣傳動，由于電網是三相交流系統，因此電機也是三相電機。變頻器的應用使電機和電網不用直連，因此電機相數也不再由供電源的相數來決定。而近些年來電機功率級別越來越大，電機高性能的配套驅動應用也越來越廣泛，對于那些要求輸出大功率并且可靠性必須很高的場合（如船舶推進領域等），多相電機是最佳選擇。

與傳統三相電機相比，多相電機具有以下優點：冗余度、可靠性高；推進系統性能好；控制靈活度高；對功率器件要求降低。

綜上所述，推進電機優選多相同步電機方案。考慮推進電機的轉矩過載情況以及推進變頻器匹配性，推進電機選用九相或十二相電機。

1.4.2 推進變頻器

推進系統通常有二極管整流裝置（diode front end,DFE）方案和有源前端整流（active front end,AFE）方案：DFE 方案采用整流變壓器+DFE 變頻器，AFE 方案采用AFE 變頻器。這2 種方案的差異在于DFE 方案采用二極管整流方式，而AFE 方案采用脈寬調制（pulse width modulation,PWM）整流方式。

根據前述電網電壓等級選擇論證，電力系統選用10.5 kV 系統，但主流AFE 變頻器廠家如ABB、西門子和GE 的中壓變頻器電壓等級主要為3.3 kV，采用AFE 方案需要增加變壓器，無法體現常規AFE 方案中省掉變壓器的優勢，反而會存在AFE 系統的缺點（如共模電壓問題）[7]。因此，選擇采用DFE 系統是較合理的方案。

對于大功率DFE 整流器，一般有12 脈波、24脈波及48 脈波整流方案。其中：12 脈波整流方案中，整流單元輸入側采用三繞組移相變壓器的原邊側相位均相同；24 脈波整流方案中，整流單元輸入側采用2 臺原邊相位角±7.5°的三繞組移相變壓器并聯；48 脈波整流方案中，整流單元輸入側采用4 臺原邊相位角分別為±3.75°、±11.25°的三繞組移相變壓器并聯。采用圖1 模型，在推進電機線路增加不同型式的變頻器，不同脈波整流下電網諧波估算如 表5 所示（正常運行及故障單側配電板運行）。

表5 推進配電板諧波估算%

由表5 所示的結果可以看出：采用24 脈波整流方式即可在各種工況下使電網諧波都能滿足船級社要求，而48 脈波整流方式雖然在母聯開關閉合運行時諧波含量較小，但是在母聯開關分斷情況下，電網諧波與24 脈波整流相當；而且對48 脈波整流方案的變壓器制造而言，要保證相位角精確度，移相變壓器的生產工藝要求較高，技術成熟度不高，且成本更高。因此，采用24 脈波整流方式是較優方案。

2 電網架構分析

2.1 國外典型案例分析

2.1.1 LK-25 破冰船

俄羅斯于2016 年12 月下水的LK-25 型破冰船。該船排水量約22 600 t、總長度146.8 m、寬度29 m、最大吃水9.5 m。

其采用常規的柴電綜合電力推進，擁有2 臺吊艙和1 根中間軸系，敞水航速約17 kn(約31.5 km/h)，續航能力60 d。當冰層厚度達2 m 時，能持續不間斷地前進后退，最大破冰厚度可達5 m。

該船可在極地冰海執行考察任務，在堅冰攔路時為其他作業船只開路，將被浮冰圍困的船舶拖至清水區，并為北極海洋鉆探和開采海底石油等作業提供輔助保障及救援。

圖3 LK-25 電力系統單線圖

LK-25 電力系統單線圖中，中壓推進配電板分為2 塊獨立的配電板，每塊配電板連接2 臺發電機和1 臺日用變壓器。左右2 個吊艙推進器采用24脈DFE 系統，2 臺推進變壓器分別連接至左右配電板上，勵磁電源也分別從2 塊配電板上取電。中間軸漿電機也是24 脈DFE 系統，推進電機和勵磁裝置的供電方式與吊艙電機相同。2 臺側推采用雙路電源切換方式，可分別從左側或右側供電。

此電力系統的最大單一故障后果是損失一半推進器能力，但不會導致任意推進器的損失。

2.1.2 亞馬爾液化天然氣(LNG)運輸船

Christophe de Margerie 是第1 艘亞馬爾級液化天然氣（LNG）運輸船。該船長299 m、寬50 m、最大吃水10.4 m、總噸位128 806 t、夏季載重噸位96 779 t，能夠裝載172 600 m3液化天然氣，破冰等級達到了PC2[8]。

圖4 為亞馬爾LNG 運輸船電力系統單線圖。中壓推進配電板分為2 塊獨立的配電板，每塊配電板連接3 臺發電機和1 臺日用變壓器（未反映在單線圖上）。左右2 個吊艙推進器采用24 脈DFE 系統，兩側吊艙只從其相應側供電。中間吊艙推進器也是24 脈DFE 系統，其2 臺推進變壓器分別從左右兩側取電。此電力系統的最大單一故障后果是損失1臺吊艙和中間吊艙的一半能力。

圖4 亞馬爾LNG 運輸船電力系統單線圖

由圖4 和下頁圖5 可以看出，示例中的2 艘國外破冰型船的推進配電板均采用2 塊獨立配電板，其好處是若將2 塊配電板分別放置在2 個艙室，除了可以防止電氣故障引起全船失電，還可以防止火災或艙室浸水引起的全船失電，提高安全冗余性。另外，推進器是否需要兩側供電與電網最大故障下的船舶需求相關。在破冰航行時，保持船舶機動能力很重要，吊艙在船上的作用除了提供推進動力外，還擔任舵的作用，所以LK-25 采用了故障下損失能力的方式保證船舶機動能力（保證具有足夠的轉舵能力）；LNG 運輸船由于采用三吊艙，所以無論采用哪種方式都可以保證單一故障下具有足夠的機動能力，兩側吊艙采用不跨接的方式可降低系統復雜度。

2.2 擬采用的電網架構分析

根據上述分系統分析和國外破冰船電網型式分析，重型破冰船擬采用的電網型式如下：推進配電板分為2 塊獨立配電板，每塊配電板連接3 臺主發電機，2 臺日用變壓器分別連接至左右推進配電板。推進電機采用24 脈DFE 系統，采用跨接模式，由于中間推進電機容量較大，采用雙套變頻器系統。應急發電機兼作停泊發電機，連接至應急配電板，具有供電至低壓日用配電板的功能。擬采用的重型破冰船電力系統單線圖如圖5所示。

圖5 重型破冰船電力系統單線圖

此電力系統的最大故障后果是損失一半推進器能力，不會導致任意推進器的損失，從而保證船舶電網故障狀態下的機動性。

2.3 3種電網架構比較

對上述3 種電網進行比較，可以發現LNG 運輸船電網總容量大于重型破冰船，但其電壓等級卻比重型破冰船低。這主要是因為國產開關短路能力較差，重型破冰船電網考慮通過提高電壓等級來降低短路電流。此外，3 種電網在最大單點故障下推進能力和機動能力也相當，具體比較如表6所示。

表6 電網架構比較

3 結語

本文根據船舶破冰能力需求，通過計算推進配電板端短路電流和諧波，結合國產設備選型和研究國外現有實船電網架構，確定了電網電壓等級、推進電機變頻器方案和配電板分段型式等電網架構關鍵參數，并提出了一型電網架構。此電網架構可以滿足常規動力重型破冰船運行需求，具有較好的冗余性，選型的國產設備也達到了一定的技術成熟度，可滿足船舶后續的設計開發需求。

隨著新能源在船舶領域的廣泛運用，諸如儲能電池、超級電容等電氣裝置將越來越多地出現在電力系統中，通過將電池或電容接入變頻器直流匯流排或增加專業配電板等方式，本電網架構也可以集成新的儲能元件。如何更好地集成新型儲能元件，則是電網架構研究的下一步重要工作方向。