深遠海多功能船舶電力推進系統關鍵技術研究

顏小明，袁 遠，宋秀麗，劉 鶴

（1.招商局重工（深圳）有限公司，深圳 518054；2.招商局深海裝備研究院（三亞）有限公司，三亞 572025）

1 前言

我國是一個海洋資源大國，隨著我國一帶一路戰略和海洋經濟發展戰略的穩步實施，海洋資源開發也逐步由近海、淺海走向深遠海區域。深遠海多功能船舶，是保障和支撐各類海洋經濟活動的重要裝備，具有高速巡航、救助、海上消防、拖帶、起重安裝、深海資源探測、追蹤水下目標、海上后勤補給等多種功能，屬于高附加值、高技術船舶，是深遠海資源開發不可缺少的利器[1]。

推進系統及動力裝置被喻為船舶的心臟，對在深遠海惡劣海況中執行多種復雜、精確任務的多功能船來說尤為重要。近10 年來，隨著電力電子技術的進步，以及國際社會對海洋大氣環境保護要求日益嚴格，電力推進已逐漸發展成為深遠海多功能船舶的主要推進形式[2][3]。本文重點對電力推進適應性、電力推進系統總體配置、關鍵電力設備設計選型等關鍵技術進行研究。

2 電力推進系統適應性

傳統多功能船舶的推進系統，主要采用中速柴油機通過減速齒輪箱，驅動尾部螺旋槳推進，其在船舶高速航行狀態下，總體經濟性能良好。但是在執行進出港口、海上救撈、海底探測、低速追蹤水下目標等任務時，需要船舶具有良好的低速操縱性、機動性。由于受柴油機調速系統限制，低速航行時，中速柴油機效率、經濟性大幅下降。然而，對于多功能船舶來說，低速作業任務又是其重要的設計指標，也是其常用工況，如采用傳統推進方式，船舶經濟性較差；而且一旦發生機艙浸水或者火災，全船的動力將大部分或者全部喪失，嚴重危及船舶自身安全；如在寒區作業，則需要額外電力用于伴熱保溫，以便對傳統推進及其輔助系統的運行提供保障[4]。

相比于傳統的柴油機推進，電力推進具有下列獨特的優勢[2][3]:

1）變頻驅電力推進系統的調速比，通常可達到1:10甚至更高，并能實現無極變速，在獲得極低轉速的同時仍能保持極高的效率，具有良好的低速經濟性；同時，原動機排放量少，有利于環境保護；

2）采用電力推進，除了在船尾設置推進器外，還可以在船首部、尾部的舷側設置側推、伸縮推等推進器，使船舶在低速狀態下獲得良好的操縱性和機動性，能夠準確可靠的避碰、進出港口，安全地接近需要補給或者救助的船舶；

3）電力推進不需要設置長傳動軸系，可以方便地在全船范圍內分布式布置多臺套發電機裝置和驅動電機。當某一機艙浸水或者發生火災時，剩余的電動機驅動系統完整，船舶仍然擁有足夠的動力，顯著提升了船舶的生命力。

電力推進系統的上述優點，完全滿足深遠海多功能船舶對低航速操縱性、機動性、經濟性、生命力和綠色環保的要求，因此現代深遠海多功能船舶基本上都采用全電力推進系統或者柴-電聯合推進系統。典型的柴-電聯合推進系統的拓撲結構圖，如圖1 所示。

圖1 柴-電聯合推進系統拓撲結構圖

3 電力推進系統關鍵設備配置

電力推進系統主要采用交流電力推進系統，交流系統具有容量大、系統簡單、成本低、能適應中高壓電力等級（如6.6 kV）等優點，特別是在變頻調速系統的控制下，能夠獲得接近直流電機的調速性能，在大功率推進船舶動力系統中得到了廣泛的應用。目前，典型大型深遠海多功能船舶的總推進功率可達6～15 MW，甚至更高。

交流電力推進系統，一般由原動機、交流發電機、移相變壓器、變頻裝置、交流異步電動機和主推進器組成，如圖2 所示。

3.1 變頻調速系統配置

三相異步交流電機的轉速表達式為[5]：

式中：n 為電機轉速；s 為轉差率；f 為電源頻率；p 為電機的極對數。

異步電機可以通過調節極對數、轉差率和頻率來調速，其中效率最高、調速范圍最大的是調頻率，其核心裝置為變頻器。

交流變頻器，分為：間接變頻器（交-直-交變頻）和直接變頻器（交-交變頻）兩大類。其中，間接變頻器又可分為電壓型和電流型兩種。

上述變頻器與不同類型的驅動電機配合，可以構成如下三類基本的船舶電力推進系統：

1）交-直-交電壓型變頻器VSI，匹配交流異步電機；

2）交-交變頻器CYCLO，匹配交流同步電機；

3）交-直-交電流型變頻器CSI，匹配交流同步電機。

直接變頻器省略了中間變流環節，與間接變頻器相比能量轉換效率高，但是存在功率因素低、調速范圍窄、配套的同步電動機價格較昂貴等不利因素[3]，因此在船舶電力推進系統中應用較少；

交-直-交電流型變頻器CSI，優點是能實現電機制動功率向電網反饋，實現四象限運行，但是通常需要配套同步電機，變頻器需要與電機集成設計，難以實現通用性；

交-直-交電壓型變頻器VSI，屬于通用變頻器，并且可以使用籠型異步電機，顯著降低了全套裝置成本，因此深遠海多功能船舶廣泛采用交-直-交電壓型變頻裝置，匹配交流異步電機推進。

交-直-交電壓型變頻器，主要由二極管全橋整流、直流儲能電容及三相電壓型PWM 逆變器組成：整流器一般采用不可控整流二極管Power Diode；逆變器則采用高頻大功率可關斷半導體器，通常為絕緣柵雙極晶體管IGBT，常規在第一象限運行，通過改變逆變元件的導通次序，可以實現電機反轉。典型交-直-交電壓型變頻器的主電路圖，如圖3 所示。

圖3 典型交-直-交電壓型變頻器主電路圖

當船舶從正車突然倒車、減速過程中，電機會產生再生電能反饋，變頻器將產生泵升電壓，因此直流電路中應并聯制動電阻和制動控制元器件，當泵升電壓達到閾值時，通過IGBT 元件VB 接通制動電阻RB，將電能消耗在電阻上。

交-直-交電壓型變頻器在船舶電力推進系統中的應用比較成熟，如應用在半潛船、起重船、海洋工程船等特種船型上。國際主要供應商如西門子、ABB和GE 等，均推出了適用于船舶推進的中壓和低壓系列產品，目前國內應用較多的有西門子公司低壓S120CM系列（690 V）,中壓GM150 系列（3.3 kV 和4.16 kV）;ABB 公司的主流產品則為低壓ACS880 系列（690 V），中壓ACS6080 系列（3.3 kV）等。

3.2 諧波畸變控制

整流二極管和IGBT 等非線性電力電子器件所產生的諧波，在注入電網后會使電網電壓波形產生畸變，影響其它設備正常工作，并降低電網的功率因素，加速絕緣老化，產生振動和噪聲等。因此，需要對電壓總諧波畸變THD 進行控制，國內外各大船級社均制定了相應的THD 控制標準[6]。對于大型船舶來說，通常要求對推進供電的匯流排，電壓總諧波畸變THD 最大允許值為8%，單次諧波最大值為5%。

電壓總諧波畸變率THDU，可以按下式計算：

變頻裝置所產生的諧波次數為：

式中：U1——基波電壓；

UH——諧波電壓；

k=1,2,3…，為正整數；

m 為變頻器整流模塊整流脈波數。

由于諧波分量值隨諧波次數而下降，消除諧波危害的最有效方法是增加整流脈波數。如：當采用12 脈波整流時，諧波次數為11,13,23,25 …；而采用24脈波整流，則電網中只出現23 次以上諧波，此時全船的THD 值通常均能滿足設計要求[3]。

電力推進系統中，常采用2 臺三繞組移相變壓器，形成虛擬24 脈波整流，相應的移相變壓器與變頻器配置的拓撲結構圖，如圖4 所示。

圖4 虛擬24 脈波交-直-交變頻裝置拓撲結構圖

4 移相變壓器和預充磁變壓器

如前所述，虛擬24 脈波整流模塊輸入側由2 臺三繞組移相變壓器組成：2 臺移相變壓器的原邊，分別移相±7.5°；移相變壓器的原邊采用延邊三角形聯接實現移相，二個副邊則分別采用常規的d型和y型聯接，即D（+7.5°）y5d0 和D（-7.5°）y5d0。延邊三角形的繞組聯接和相量原理圖，如圖5 和圖6 所示。

圖5 延邊三角形的繞組聯接圖

圖6 延邊三角形相量圖

延邊三角形聯接中，各電壓量之間的關系如下：

式中：U1——一次側電網電壓；

Uy——移相繞組電壓；

Um——主繞組電壓；

α——移相角度7.5°。

在二次側，兩個繞組分別采用d 型和y 型聯接，因此二者繞組匝數應滿足下列關系：

式中：N2d——d 型聯接繞組匝數；

N2y——y 型聯接繞組匝數。

大功率電力推進系統中，移相變壓器的容量通常為1～2 MW 甚至更高；變壓器鐵芯一般工作在接近飽和狀態，空載變壓器合閘時會產生較大的瞬時勵磁電流，其最大值高達變壓器額定電流的6～10 倍。這種勵磁涌流通常會引起電力系統中過電流保護斷路器動作，從而變壓器合閘失敗，同時還會對船舶電站和其它用電設備造成損壞，因此在電力推進系統中，通常對大容量變壓器設置預充磁設備，主要由小型預充磁變壓器和相應的控制開關組成，其基本原理圖，如圖7所示。

圖7 變壓器預充磁合閘原理圖

圖中：TR2 為主連接主推進電機的主變壓器；

Pr2 為小型預充磁變壓器，其容量通常為主變壓器的1%～2%左右。

合閘順序為：

1）合閘S1 為Pr2 充磁；

2）當Pr2 充磁完畢后，合閘S2 對主變壓器TR2的二次側進行預充磁；

3）當TR2 中建立起穩定的磁通以后，合閘S3；延時后斷開S1 和S2，將Pr2 從系統中切除。即可實現順利合閘。

圖7 中，Pr1 也是TR1 的預充磁變壓器，操作方法與之類似。

5 結論

根據上述分析，可以得出如下結論：

1）電力推進系統在總體布置、經濟性、操作性、生命力和環境保護方面具有顯著的優勢，完全滿足現代大功率深遠海多功能船舶對推進系統的要求，是未來該類型船舶推進系統的主流形式；

2）交-直-交電壓型變頻器VSI，可以匹配籠型異步電機，具有優秀的通用性、經濟性和調速性能，在船舶電網總容量不大于15 MW 時，具有良好的適用性；

3）利用2 臺三繞組移相變壓器，構造虛擬24 脈波整流模塊，能夠有效抑制變頻裝置產生的諧波畸變，提升電網供電質量；

4）應用變壓器預充磁技術，可以避免大容量移相變壓器空載合閘時所產生的浪涌沖擊電流，保護重要船舶電氣設備的安全。