船舶電站系泊試驗電能回饋船廠電網探討

摘" " 要：本文介紹了新造船舶系泊試驗過程中，被測試船舶電站發出的電能回饋到船廠電網進行回收利用的初步可行性分析。該解決方案，有助于節能減排，創造良好的船廠和社會的經濟、生態效益。

關鍵詞：系泊試驗；船舶電站；電能回饋；回收利用；節能減排

中圖分類號：U671.99 " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標志碼：A

Preliminary Study on Electric Power Feeding-back to Shipyard Electric Grid during the Mooring Test of Ship Power Station

SHU Zhongwang

（ Guangzhou Marine Technology Co.， Ltd.，" Guangzhou 511458， China ）

Abstract： This paper presents a preliminary feasibility analysis of feeding back the electric energy emitted from the tested ship's power station to the shipyard electric grid for recycling and utilization during the mooring test of a newly-built ship. This solution helps to save energy， reduces emissions， and creates good economic and ecological benefits for the shipyard and the society.

Key words： mooring test; ship power station; electric power feeding back; recycling and utilization; energy conservation and emission reduction

1" " 引言

截至2022年6月底，全球手持新造船訂單量為3590艘，中國前50名船廠手持訂單量為1 519艘，該統計口徑，主要是貨物運輸類商船，尚未覆蓋各類艦船、公務執法船以及部分工程類船舶。每艘新建造船舶航行試驗之前，都需要對船舶電站進行系泊試驗，其主要目的是驗證船舶電站及其監控系統滿足船級社規范以及船舶建造技術規格書中的相關要求。

試驗過程包括船廠自行調試、摸底階段和船廠向船東、船檢報驗、驗收階段，被測試船舶電站發出的電能，傳統做法是通過試驗用負載，如干式電阻箱或水電阻箱，配上用以調整功率系數的電抗器，直接轉化成熱能，白白消耗掉，實屬浪費。這部分電力資源如何回收利用，將其回饋到船廠的內部電網給船廠生產、辦公以及生活區供電，或進一步將船廠電網自身負載消耗不掉的多余電力賣給市電電網，值得研究并產業化，每年可為船廠節約大量費用并實現節能減排。同時，有助于舒緩整體電力緊張，創造良好的船廠和社會的經濟、生態效益。

2" " 研發思路

2.1" "船舶電站系泊試驗

根據挪威船級社規范[1]的要求，船舶電站系泊試驗主要包括：

負載試驗：首先，每單套發電機組負載試驗。步驟：啟動并穩定→負荷緩慢增加到額定功率的25%（測試時間約半小時）→緩慢增至50%（測試約半小時）→緩慢增至75%（測試約半小時）→緩慢增至100%（測試2小時）→緩慢增至110%（測試10分鐘）；每臺發電機組都需要獨立測試。然后，每兩臺發電機組進行組合并車負載試驗，主要測試手動、自動增減在網發電機數量，在網發電機組的負荷分配。通常，船舶電站有3臺以上的主發電機組，需要根據船載發電機組的數量進行組合測試；最后，進行所有主發電機組的并車試驗。電力推動的船舶，其推進器通常為中壓電力系統6 600 V、60 Hz，其額定功率更是低壓電站的幾倍。

動態試驗：主要是測試發電機組中的發動機調速器性能。每臺單機機組都要實施，突加突卸負載，步驟：0%（空載）- 負載突加到單機組額定功率的50% - 穩定并測試后，另突加50%達到100% - 穩定測試后，負載突卸到0%（空載）。這個過程，由于測試時間非常短，電能本身并沒有回收利用的價值。

保護功能試驗：控制、監測系統中的各種功能，如：自動功能中的發電機組自動啟動、自動同步、自動并車、自動負載轉移、自動卸載、自動脫網、自動停車；過載保護，逆功率保護，接地故障，差動，欠壓，過壓；手動操作發電機組等。這部分試驗，主要測試各種功能，發出的電功率不穩定，也可考慮放棄這部分的電能回饋。

系泊試驗是驗證船舶電站的各種性能，達到船級社規范和船舶建造技術規格書的要求，是船舶進行航行試驗的前提條件。這是試驗的根本目的，是“本”；而試驗過程中發出的電，只是整個試驗的“副產品”，是“末”；不得主次顛倒、舍本逐末。

2.2" 基本框架

船舶電站負荷試驗階段，功率輸出穩定。通過整流設備變為直流，再通過逆變轉化為與電網同頻率、同相位的正弦波輸出，將這部分電能經船廠電網由船廠自身負載消耗，如有剩余，則將剩余部分電力向城市電網輸送；或者，在三相整流階段，將電能存儲到船廠的大容量蓄電池庫，由于場地的局限性，這個方案的實施，困難比較大。基本構思框圖見圖1。對于輸出功率不穩定的功能性試驗，通常，輸出的功率很低，這部分電能，直接通過船廠的負載消耗掉即可，或者直接利用船舶設備來消耗。

2.3" "主電路

系統采用雙逆變背靠背結構，輸入為三相有源IGBT整流，可調節輸入功率因數；電網側為SVPWM逆變，可調節饋入電網的電量；變流器控制系統分為三相BOOST升壓控制和電網側的變流器控制兩部分。通過控制發電機組和直流側間的變流器而控制電壓、電流的相位，達到測試感性、容性和阻性負載的目的。主電路原理見圖2。

整流器和逆變器：PWM整流器是比較理想的用電設備或電網與其它電氣設備的接口，實現幾乎無電網污染并可調整功率因數[2]。這樣，船廠電網和市電電網能接收該饋電。

網側變流器采用基于DQ解耦矢量控制，輸入電流為正弦波、功率因數可控、能向電網回饋電能（見圖3）。直流母線電壓恒定且具有良好的動態響應能力、網側功率因數調節和輸入電流為正弦波是網側變壓器的控制目標[3]。

也可采用直流電壓外環和無功率外環調節器，產生有功電流給定I×q和無功電流給定I×d。電壓外環控制直流側電壓穩定，可使變流器穩定地向電網饋電；無功功率環可控制變流器輸出無功，從而滿足電網對無功功率的要求。電流內環采用基于旋轉坐標軸的解耦控制，并對電網電壓加以前饋。

在轉子側變流器實現良好均流的情況下，網側變流器相互獨立工作，之間不必進行復雜的均流控制。升壓電路將采用穩壓控制模式，較為簡單。發電機組系泊試驗的測試要求，可參考船用發電機組本身的特性，但必須遵照船級社規范和船舶建造技術規格書的要求。

空間電壓矢量SVPWM控制方法比較新穎，由三相功率逆變器的六個功率開關元件組成的特定開關模式產生的脈寬調制波（見圖4），能夠使輸出電流波形盡可能接近于理想的正弦波形[4]，且更易于實現數字化?；谄骄档刃г?，使其平均值與給定電壓矢量相等。

逆變器三相橋臂共有6個開關管，為研究各相上下橋臂不同開關組合時逆變器輸出的空間電壓矢量，特定義開關函數Sx（x=a，b，c）為[5]：

（Sa，Sb，Sc）的全部可能組合共有八個。以其中一種開關組合為例分析，假設Sx（x=a，b，c）=（1，0，0），此時：

解得：UaN=2Ud/3、UbN=-Ud/3、UcN=-Ud/3。同理，計算出其它各種組合下的空間電壓Udc矢量。

圖6" 電壓空間矢量圖

其中，非零矢量的幅值相同，相鄰的矢量間隔60°；而兩個零矢量幅值為零，位于中心。每一個扇區，選擇相鄰的兩個電壓矢量以及零矢量，按伏秒平衡的原則來合成每個扇區內的任意電壓矢量，即：

或等效成下式[6]：

式中：Uref為期望電壓矢量；T為采樣周期；Tx、Ty、T0分別為對應兩個非零電壓矢量Ux、Uy和零電壓矢量U0在一個采樣周期的作用時間。

要產生三相正弦波電壓，可利用向量合成的技術，在電壓空間向量上，將設定的電壓向量由U4 （1，0，0）位置開始，每一次增加一個小增量，每個小增量設定電壓向量可用該區中相鄰的兩個基本非零向量與零電壓向量合成，所得的設定電壓向量等效于一個在電壓空間向量平面上平滑旋轉的電壓空間向量[7]，達到電壓空間向量脈寬調制的目的。

2.4" "通訊功能

變流器具有完善的CANbus或RS232/485通訊接口，實現控制信號輸入、實際量輸出、參數設定、系統調試、診斷等功能。變流器能夠與發電機控制系統正常通訊以完成主控的控制任務，變流器能夠根據功率因數的設定來調節有源功率因數調節器的負載特性和控制系統對電網的無功輸入。以太網的連接被用于變頻器遠程診斷等，如圖7所示。

3" " "結論

3.1" "節能效果

假設單船船舶電站平均為2 000 kW、總試驗有效時長為30 h、船廠年交船50艘為例估算，實現船舶電站試驗過程中的電力回收，船廠每年可節約用電約300萬度，節約電費約300余萬元。單是新造船舶，按2022年6月底全球手持新造船訂單量為3 590艘，中國前50名船廠手持訂單量為1 519艘估算，這批船可以饋電回收利用：21 540億度，其中，中國前50名船廠為9 114萬度。

3.2" 延伸應用

內燃機出廠前均需測定額定輸出功率，傳統采用水力測功器，即通過水的能量傳遞來測定。由于能量傳輸過程中損耗大，實際得到的測功精度會受影響。如果將內燃機跟發電機組成機組，通過對機組輸出電功率的測定來確定內燃機的機械輸出功率，則更加精準。同時，測試過程中的機械能轉換成電能后，同樣可以回饋電網加以利用。

3.3" "存在問題及建議

由于動態試驗需兩套獨立控制的負載。將這兩套負載按特定的功率因數，分別按被測發電機組各50%額定功率預先調好，才能實施；另外，大功率負載突加突卸，會對船廠電網的穩定性產生一定的沖擊。如采用傳統的電阻箱負載和電抗性負載組合裝置來解決，則需要額外增加測試工裝，造成測試工裝的重復投入以及占地、線纜拉設等；此外，還需對船廠電網進行改造，費用也不低。如能很好地將動態試驗在內的需求涵蓋進去，則可避免兩種試驗工裝同時存在帶來的極大不便。因此，相關配套設施的改造方案還需要做進一步的研究和技術細化。

船用發電機負荷試驗電力回饋電網的目標實現，需要得到政府的重視、供配電部門的鼎立支持，船舶行業的協助；也需要結合各船廠電網的品質，開展相關聯合開發利用的課題研究。此文僅起到拋磚引玉的作用，希望能夠引起政府和各級部門的重視和支持，大家同心合力，為節能、減排、增效貢獻一份力量。

參考文獻

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