交直流組網技術電力推進系統的對比研究

姜 江

交直流組網技術電力推進系統的對比研究

姜 江

（江蘇科技大學海洋裝備研究院，江蘇 鎮江 212000）

電力推進系統相對傳統推進系統具有顯著優勢，成為現階段船舶動力技術發展的主流方向。電力推進系統當前正從早期的傳統交流組網技術逐步向最新的直流組網技術發展。本文對交流組網及直流組網這兩種電力推進系統進行了介紹，簡述了這兩種系統各自的組成和技術特點，隨后通過對這兩種系統在設備組成成本、重量體積、能耗、兼容性、技術難點等多方面的分析對比研究，得出了直流組網技術在能耗、性能、兼容性等多方面具有顯著優勢的結論，進而論證了直流組網技術憑借其先進性將成為未來船舶電力推進系統發展的方向。

交流組網；直流組網；電力推進；對比研究

0 引言

隨著電子信息工程、船舶動力系統、新能源技術和智能控制技術的日益發展，船舶電力推進系統憑借高能效、低噪音、節能環保、維護便利等多方便的優勢，逐漸提高了在船舶動力裝置中的占有率。船舶電力推進系統的應用，優化了船舶空間利用率和能量效率，完成了發供電、動力系統用電、日常設備用電的統一管理和一體化控制，已成為目前船舶動力發展的主要趨勢和未來發展的主流方向。

在電力推進船舶的發展進程中，交流組網電力推進系統以其成熟的技術、簡單方便的開發環境、較為低廉的成本等優勢，成為早期電力推進船舶的主流方案。隨著對節能環保及高性能船舶電力推進系統的要求不斷提高，新一代以直流組網為特征的船舶電力推進系統已經開始嶄露頭角，憑借節能環保、空間利用率高、兼容性好等多方面優勢，將逐漸成為電力推進行業發展的新焦點。

1 交流組網電力推進系統

交流組網電力推進系統由交流發電機、交流配電板、變壓器、變頻器以及推進電機組成（見圖1）。系統通過交流發電機組，發出的固定電壓頻率的交流電通過交流配電板進行交流組網，日用負載由交流電網經變壓器降壓后直接取電，推進負載則由交流電網經過交-直-交的變頻器轉變為可變頻率，并輸出相應頻率的交流電驅動推進電動機，推進電機在匹配的轉速下運轉，帶動船舶推進器推動船舶航行。

圖1 交流組網電力推進系統結構圖

和由柴油機、齒輪箱、軸系組成的傳統驅動方式相比，交流組網電力推進系統減少了軸系占用空間，且快速響應的特性提升了推進系統操作的便利性。然而因為發電機組輸出的是固定頻率電壓的交流電，在船用負載功率改變時，只有利用交流發電機組在交流電網上的增減操作來應對。這種非線性的功率變化，導致柴油機無法工作在最佳效率區間，低能效高能耗的運行經濟性較差。另外，交流組網電力推進系統的配電系統中，電源側和負載側的控制單獨運作不統一，存在電源側發電機組控制與負載側推進電機控制的相互割裂、系統的集成性低、設備繁雜占用空間大、系統穩定性差等缺點。

2 直流組網電力推進系統

圖2為直流組網電力推進系統結構圖，和交流組網電力推進系統相比，原推進負載的交-直-交變頻器進行拆分，交流發電機發出的交流電經過整流單元，直接轉換成直流電接入直流電網，直流電網再利用逆變器直接輸送交流電給船舶上推進電機以及日用負載供電，這種型式可以將交流控制系統中的供電系統、變頻裝置、控制系統整合，從而使各種裝置的組網側由原來的發電機交流端遷移至直流端。

直流組網方式，電網上是直流電，但發電機組仍采用常用的交流發電機組，發出的交流電并不會直接連接輸出，而是經整流器，將交流電轉換為直流電輸出，從而組成直流電網。采用這種方式，直流組網電力推進系統將不再受到交流發電機組的輸出的電壓和頻率影響，全部經過整流器轉換成直流電壓，發電機組的轉速不需要做出調整，而通過整流器來實現系統功率調節和變換。利用這一特性，任一發電機組均可在理論上實現轉速不同步情況下的協同運行，提高了整個系統的機動性。

圖2 直流組網電力推進系統結構圖

發電機組會將直流母線上的直流電通過逆變器轉變成交流電，然后輸出給日用負載，而不直接給船上日用負載供電。逆變器使用了正弦波濾波器，產生的交流電源質量比常規交流發電機直接輸出的更加純凈，諧波污染相對更少，并且因諧波已經被直流母線所隔離，沒有發電機組諧波的危害。

3 交直流組網技術電力推進系統對比

對比交流組網和直流組網系統圖，直流組網在逆變器數量上相比交流組網有所增加，但相應省去了主配電板和推進變壓器，系統設備的減少更有利于設備布局，降低施工難度，總體來說直流組網系統方案的初始投入成本與交流組網系統相差不大。

3.1 直流組網相比交流組網電力推進系統的優勢

在成本相差不大的情況下，直流組網系統對比交流組網系統，在性能上具有顯著的優勢：

1）節能減排、降低油耗

直流組網支持柴油機組變速運行，交流電源單獨提供，頻率無需和柴油機組轉速同步。這種型式能夠有效降低燃油消耗、減少排放，提升了整個推進系統的能效；同時還能夠降低發電機組的噪音振動，延長使用壽命，降低維護成本。和常規交流組網電力推進技術相比，直流組網技術預計可提高15%左右效率。

2）節約空間、減輕重量

直流組網通過母線連接電力系統，日用電源和變頻器有效分開，可以省去變壓器；發電機組的功率分配和并車由變頻器完成，開關包含在直流組網系統內，又可省去主配電板。因此，整個系統的體積和重量都有所減少，集成度得到了很大提升。同時，設備數量的精簡也從一定程度減少了設備之間的連接點，降低了系統的復雜度，電纜用量及相關工程量和施工難度也相應減少。相對于傳統的交流系統組網方案，預計體積和重量可減少30%左右，電纜數量可減少10%左右。

3）兼容性高、拓展性好

直流組網對于新能源技術具有極好的兼容性。隨著新能源技術的發展，電池、超級電容、光伏太陽能、風能等新能源越來越多的應用到船舶上，接入到船舶電力系統中。這些新能源儲能設備一般都是以直流型式接入，和交流組網系統相比，新能源設備接入直流組網系統更簡單更方便，兼容性更好。

新能源儲能設備中鋰電池儲能的應用最為廣泛，以鋰電池儲能為例，接入交流組網系統需要變壓器、濾波器、逆變器等設備，而對于直流組網系統，利用直流變頻配電系統中集成的直流斬波器即可直接接入直流電網，接口簡單易于控制，有利于多種新能源的復合利用，進一步提高船舶運行經濟性。

3.2 直流組網相比交流組網電力推進系統的難點

采用直流組網的電力推進方案相比交流組網方案發展時間短，同樣也存在一定技術難點有待解決，主要體現在系統選擇性保護困難，技術成熟度有待提高。

和交流組網技術相比，直流組網技術設備選型困難，成本高昂，特別是直流斷路器的選擇是目前直流組網技術的難點。傳統的機械式交流斷路器的設計相對比較簡單，通過交流電流自然過零時熄滅電弧而分斷，分斷時間一般會達到幾十毫秒，難以實現選擇性保護，而新型電子式直流斷路器選擇范圍小、價格相對常規斷路器較高，因此直流開關方案的合理選擇是目前直流組網技術的一大難點。

發電機組能夠工作在不同的轉速是直流組網電推系統的最大特點，但這種變轉速運行方式控制難度很大，對控制系統的要求很高，柴油機調速系統和發電機調壓系統要能夠協調一致保持同步控制。因控制系統各不相同，其系統特性和反饋時間也無法統一，控制系統的設計如果不合理，極易引起系統運行不穩定甚至有崩潰的風險。而且因機組工作時轉速變化范圍較大 (額定轉速60%～100%區間)，出現共振點的可能性相比交流組網定轉速機組更大，對機組減震降噪系統的設計以及安裝精度都有更高的要求。

4 結語

通過對交流組網和直流組網電力推進系統方案的對比分析，直流組網電力推進系統技術憑借節能環保、系統集成性高、兼容性好等諸多方面的優勢，勢必將成為船舶電力推進系統的未來發展趨勢。尤其在新能源船舶領域，未來隨著科技的發展和不斷進步，電池、太陽能、風能等新能源將逐步代替部分傳統石化能源，更多的應用于船舶動力系統上，實現船舶的綠色化、智能化，屆時直流組網技術將會得到更廣泛應用，擁有更廣闊的市場前景。

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Comparative study on ac/dc power grid technology electric propulsion system

Jiang Jiang

( Jiangsu University of Science and Technology Marine Equipment and Technology Institute, Zhenjiang 212000, jiangsu, China)

U665.1

A

1003-4862（2024）03-0074-03

2023-10-12

姜江（1983-），男，碩士，工程師，研究方向：船舶電氣設計及研究。E-mail：jiangjiang1218@163.com