船舶综合电力推进应用探讨

刘波 陈明 侯锦福 胡成

摘 要：作为先进的船舶动力，电力推进的应用对谐波干扰抑制、中压接地、电磁兼容、绝缘等方面提出苛刻要求。通过对电力推进系统原理及设计思路的阐述，结合中船黄埔文冲船舶有限公司已建电力推进船舶所采用的电力推进系统，总结出电力推进系统的选择、安装及调试的思路及方法。

关键词：船舶；综合电力推进；谐波抑制

中图分类号：U664.14 文献标识码：A

1 前言

船舶综合电力推进是现代船舶动力发展的方向。与传统船舶动力相比，电力推进具有巨大的优势：燃油效率高、机动性高、自动化程度高等。船舶综合电力推进技术将在新建船舶中得到越来越广泛的应用。

2 综合电力推进系统概述

综合电力推进系统是同时为船舶电力推进系统和船舶日常用电系统提供电能的统一系统，它实现了推进动力与电站动力合二为一。

典型的综合电力推进方案框图，如图1所示。

综合电力推进系统包括：原动机单元；发电机单元；配电单元；电力变换单元；电力控制单元；推进电机；螺旋桨等。与传统动力系统相比，电力推进系统具有显著优点：操控性好，倒车迅速；节能性好，发电机可以根据负荷的大小合理地发出和分配电能；可靠性高；可维修性好等。但是，电力推进也不可避免地存在一些不足，如一次性投入成本较高、功率受限制、高负荷导致电机推力轴承密封易磨损等。

3 综合电力推进现状

船舶电力推进装置功率从几百千瓦到几十兆瓦，其中以吊舱式推进器最具代表性。目前世界上吊舱式电力推进器系统主要有：Azipod 、SSP、 Mermaid和Dolphin 4种。

ABB开发的吊舱式电力推进器Azipod是将马达装入一个流线型壳体内，螺旋桨置于壳体前端，其推进效率高于常规螺旋桨。Azipod操作十分方便，可以在很低转速下运行，又可作为转向装置。

与传统的船舶推进系统相比，吊舱式电力推进系统的优点如下：

（1）优良的操纵性，只需通过改变推进电机转速即可实现调速；

（2）节省了船上空间，不需要传动轴系；

（3）经济性好，可根据船舶电量的需求量来决定并入电网的发电机数量；

（4）噪声低、振动小，提高了舒适性。

（5）船舶生命力强，电力推进组成元件为电器元件，故障发生率低；

（6）自动化程度高，可以通过电能的馈送把全船电气设备联系起来。

3.1 50 000 t半潜船的电力推进技术应用

对于半潜船而言，采用电力推进方式，可以避免常规推进方式尾部布置烟囱对货品装卸的阻碍，具有布置灵活、安全高效等优势。

由中船黄埔文冲船舶有限公司设计和建造的50 000 t半潜船，其电力推进系统主要装备了4台3 840 kW的主柴油发电机，通过变压、变频装置供电联合或独立2套推进电动机，驱动螺旋桨。该船有以下特点：采用了交流6 600 V中压电力系统，电力推进系统具有高电压、大功率等特点；采用了先进的双独立机舱、双螺旋桨电力推进系统，在一个机舱或推进系统发生意外的情况下，凭借另一个独立机舱和推进系统，可以继续提供稳定的动力；在机舱设置了中压配电板室和低压配电板室，并且为左右相互独立的两个舱室，两边通过常闭的隔离开关连接，既可独立使用，也可联合使用，有效提高了供电可靠性。

3.2 英国“果敢”号防空驱逐舰的电力推进技术应用

2006年2月下水的英国海军45型“果敢”号防空驱逐舰是世界上第一艘具有全电力推进（ FEP） 特点的战舰，全动能通过电缆以电能的形式输送给电力推进系统，从而节省了大量的布置空间。另外，其静音能力是机械推进舰艇所无法比拟的，对于反潜作战非常有益。

4 综合电力推进系统的关键工艺技术

4.1 抑制电网谐波

4.1.1 电网谐波概述

电力推进系统大多采用交流变频调速系统，其调速范围广、技术经济性能好，缺点是会向电网注入大量谐波。在船舶电网中，有变频器、推进电机、控制单元等非线性负载，当电流流经这些负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，即电路中有谐波产生。由于晶闸管的开关操作和二极管、晶闸管的非线性特性，将会产生畸变电流，从而产生谐波电压，使变频驱动系统故障率增加，甚至会发生操舵无反应，严重影响船舶航行安全。

通常用总畸变率、谐波含量和n次谐波的含有率，表示畸变波形偏离正弦波的程度。 根据国际船级社关于谐波抑制的要求，谐波电压畸变因数THD应在5%以下，关键场所则要求低于3%。

4.1.2 电网谐波抑制方法

4.1.2.1 提高变流器相数

通过对6脉冲整流电流进行多重化组合，可以得到多重化的整流电路。这样在采用相同器件时可达到更大的功率、较高的功率因数，同时还可起到减少交流侧输入电流谐波的目的。

4.1.2.2 无源滤波技术

交流电网侧并联LC滤波器是一种能降低谐波电压的有效手段。LC滤波器的原理是利用LC回路的电路特性，对基波呈现低电抗，对谐波呈现高阻，从而使谐波可通过滤波器而不能进入电源系统。在电网两端并联滤波器时，谐波电流将会反送给负载。同时，谐波电压明显升高，谐波电流在变压器和电容器之间循环振动，这样就能起到较好的抑波作用。

无源滤波器主要由滤波电容器、滤波电抗器等组成。滤波器除起滤波作用外，还可利用电容器进行无功补偿。LC滤波器的种类可分为调谐和滤波器、双调谐和滤波器、高通滤波器、C型滤波器等。滤波器一般分组使用，从而达到分类滤波的目的。

4.1.2.3 其他抑制谐波技术

（1）提高主变压器的内阻抗，可达到限制谐波和短路电流的目的。变压器的原边采用星型接法，变压器的两个副边分别采用星型接法和三角型接法。当有两个二极管供电单元模块时，可构成24-脉波的连接方案，使电网波动平缓，从而最大限度地消除谐波干扰；

（2）采用脉冲电压调制技术，消除电网谐波。在Azipod电力推进系统中，有源整流单元ARU通过使用预定义的优化的脉冲模式，降低和消除主电网上的谐波；

（3）采用双重电抗器组将电站的推进负荷母线与其他负荷母线进行一定的隔离，也可使其他负荷的配电网的谐波分量维持在较低的水平；

（4）采用电动发电机组的方式，构建日用负荷电网。

4.2 电磁兼容性

（1）在设备柜本身的EMC方面，通过柜壁内侧非涂漆处理实现。柜体各部分之间通过螺栓连接并采用EMC密封，柜门和内部的电缆槽都装有EMC密封；

（2）在电缆选型方面，变频电缆必须具备优良的电磁兼容性，能抑制电磁干扰，减少整个系统中的电磁辐射。屏蔽是实现电磁兼容、减少电磁辐射最好的方式。一般来说，电缆至少需要屏蔽90%以上的电磁辐射，铜带绕包的覆盖密度达100%，而铜丝编织屏蔽达不到要求；

（3）在电缆选择方面，电机和变频器之间的电力线必须为对称三线屏蔽电缆或变频电缆。为了抑制电磁干扰，主电缆采用高频接地。电缆在托架内走线布置，与变频器联接的电缆要与其他系统的电缆分开布置；

（4）在接线方面，电缆必须通过EMC屏蔽模块进入机柜；信号电缆、控制电缆、中压电缆必须并行接入，不能交叉进入控制屏。

4.3 中压接地技术

中压电力系统绝大多数采用中性点接地系统，主要为中性点高电阻接地方式，其原因是：中压系统对地电容电流较大，当发生单相接地故障时，不接地系统可能引发火灾。接地系统能自动检测出故障点，并可自动切除故障；中压电力设备的绝缘水平较低，当运行中产生的过电压超过设备的耐受电压标准时，安全运行性能将会受到破坏。

在电力推进系统中，变压器、变频器、推进电机之间加装接地电缆，实现可靠接地。

4.4 绝缘性

中压会引起导体和地之间闪弧，故电缆不能与其他电缆端子接触，并至少保持55 mm的间距。

主电网侧和电机侧的电缆，必须满足下列要求：

（1） 使用三芯单独屏蔽的铠装电缆，如果电缆长度不超过100 m，也可以使用三根单芯电缆；

（2）使用铜芯电缆，如果使用铝芯电缆，则对电缆头有特殊要求；

（3）电缆最大长度不能超过300 m；

（4）电缆横截面积，推荐使用的电缆导体为 3×240 mm2，屏蔽层为 3 × 35 mm2；

（5）如果电缆屏蔽层的总截面积小于单相导体截面积的50%，需沿着电缆增加一根地线，以防止工厂接地网电势差造成屏蔽层过载。

（6）用于 LSU的电缆，按 3.3 kV 、有效值/6 kV 峰值进行设计。

4.5 冗余设计

（1）对中压配电板，可拆成两个甚至更多独立安装的配电板，这样既有利于布置，又可提高冗余度；

（2）电能馈送方面，一般均考虑冗余，即有两路供电。一个馈电单元供两个用电设备，两个馈电单元可互相转换备份，达到电能馈送的冗余。

5 其它

（1）针对机舱设备密集、电缆通道和风管较多的情况，布置电缆时，由于中压电缆外径较粗且重量大，要注意到设备的进线方式及电缆弯曲半径要求，考虑单层敷设，拐弯处要平滑过渡；对中压配电间地板夹层内的低压电缆和信号电缆，采用改从机舱下平台走的方式，减轻夹层内电缆密集及分类敷设的压力。

（2）为了满足RPS要求，中压配电板和低压配电板分为相互独立的左右两个舱室布置，两边通过常闭的隔离开关连接，既可独立使用，也可联合使用，有效提高了供电可靠性。

6 结束语

由于综合电力推进系统的操作性好、经济性高，已受到越来越多的关注。吊舱式电力推进方式是当前最流行的应用方式。抗电力谐波干扰、电磁兼容性、中压接地技术、提高绝缘性等将是综合电力推进系统应用中需要研究的重点。可以相信，在不久的将来，船舶动力将迎来“全电船”的新时代。