浅谈采用变速发电机组的新型工作船电力推进系统

王平 王金苓

摘 要：本文概要介绍了一种以可变速发电机组作为主电站，主电网采用直流系统、交流电机推进、大容量电池组或电容器作为辅助能量存储单元、系统扩展性强的节能环保的电力推进系统，这种电力推进系统是未来绿色船舶发展的方向。

关键词：变速发电机组；直流电网； 能量存储单元；绿色船舶

中图分类号：U664.14 文献标识码：A

1 引言

船舶交流柴电推进系统以其机组配置和空间布置的灵活性、良好的操作性、低排放、低振动噪音、良好的经济性等优点，在海洋平台工作船上得到越来越多的应用。传统船舶交流柴电推进系统中发电机组以额定转速运行，以保持电网频率稳定（50 Hz或60Hz）。根据柴油机的燃油消耗曲线，机组低速运行时燃油消耗少，高速运行时燃油消耗高。根据柴油机的负荷特性曲线，机组运行于75%～85%的负荷区间时，具有最低的燃油消耗，低于或高于这一区域则燃油消耗增加。对于具有DP能力的海洋工作船来说，DP及低速standby时间占了其操作时间的40%以上，DP及低速standby是典型的低负荷工况，此时发电机组高速运行，且负荷非常低，燃油消耗高，经济性差。

本文介绍一种新型电力推进系统，其发电机组可根据负荷需求降低转速并发出相应功率，使发电机组保持运行于最佳负荷率，最大限度的降低燃油消耗。同时该系统可以方便的接入其它清洁能源发电系统，如光伏、风能等，是绿色环保的电力推进系统。

2 系统基本组成及优点

传统船舶电网中，发电机组均以额定转速运行，以保持电网频率恒定。改变发电机组转速，必然会改变系统的频率，从而影响电网的稳定性。随着电力电子等新技术的迅速发展，为发电机组的变速运行提供了条件。

2.1 系统基本原理

系统的基本原理如图1所示。发电机的容量按最大负荷设计，根据母线实际负荷调节转速并输出相应功率，低负荷时降低转速即可减少燃油消耗量。变速发电机可输出恒定电压，恒压是为了避免在PWM整流模块前再进行稳压，恒压变频发电机可以采用特殊的励磁设计来实现，IGBT PWM模块可以将谐波的影响消除到最低。

图1 变速发电机供电网络基本原理

2.2 系统的组成

图2是经过扩展后的电力系统结构示意图。变速发电机的数量及容量根据船舶系统的实际负荷和相关规范确定。增加蓄电池组的目的是为了改善系统的动态特性，当发电机组以低速或高速运行时，如遇负荷突增或突降，柴油机调速特性不能满足负荷的突变时，由双向DC/DC斩波器控制蓄电池组向直流网络补充能量或吸收网络的富裕能量，以稳定系统。蓄电池组同时也起到了降低燃油消耗的辅助作用。系统中以电力电子功率单元取代了交流网络中的交流断路器，系统的选择性保护采用熔断器、隔离开关和功率单元的开关控制进行组合来实现。

图2 变速发电机组船舶电力系统结构

2.3 系统的主要优点

（1）采用变速发电机组，根据负荷需要降低转速并提供相应功率，发电机组工作于最佳负荷率，极大的降低了油耗；

（2）采用直流网络，不存在交流系统并网对相位、频率的限制，各发电机组独立运行，增强了系统的稳定性。电网具有更强的可扩展性，如增加光伏、风能等；

（3）灵活的配电设备布置形式，可采用将所有整流和逆变模块集成到一体的集中式布置，还可采用将整流和逆变模块分别布置在离电源和负荷最近的分散式布置，使总体布置更加灵活；

（4）与交流系统相比，配电设备的重量和体积均有下降，增加了船舶的载重量和节省了船舶空间；

（5）方便的岸电连接方式，不受岸电频率影响；

（6）对辅助风机、油水泵等也采用变频驱动的船舶，可以共用直流母排，节省整流模块投入；

（7）降低了维护成本，减小了振动噪音，减少了电缆的用铜量等。

3 变速发电机组

本系统进行燃油节省的关键是采用了变速发电机组，在低负荷时降低发电机组的转速，以达到节省燃油的目的。

3.1 原动机

如图3所示是一台柴油机的转速—功率/燃油消耗曲线，可以看出柴油机的功率和燃油消耗随转速的升降有明显的关系。在船舶系统负荷降低时，降低柴油机的转速，就可达到节省燃油的目的。特别是在DP工况时，占电站总容量60%以上的主推进和侧向推进系统负荷处于50%左右的负荷率，如降低柴油机转速，会有明显的节油效果。

图3 柴油机转速-功率曲线

在交流船舶电力系统中，发电机组原动机调速器按程序设定将原动机的转速控制在额定值，该设定值一经设定就不能更改。为了满足发电机组的变速运行，可采用能与船舶控制系统进行通信的调速器，以使柴油机转速按控制系统的要求稳定运行于某一转速，发电机组原动机的转速范围和相应的功率输出应与发电机相匹配，并取决于船舶电力负荷计算结果。

3.2 发电机

在交流船舶电力系统中，发电机均是以恒转速（频率）设计，如直接以变速运行，会导致输出电压和频率同时发生变化，而AC/DC整流功率单元的特性，要求输入的交流电压是恒定的，才能保证输出直流电压恒定，因此本系统需要采用特殊设计的可变速运行发电机，图4是一台900 r/min至1 800 r/min可变速、AC690V恒压、额定频率90 Hz向下可调变频恒压发电机组转速—功率关系。实际应用中发电机的容量和转速可调范围取决于电力负荷计算。

图4 变速发电机转速-功率关系

3.3 变速系统效果对比

某型电力推进二级动力定位海洋平台供应船（PSV）主要功能是向海洋平台输出钻井、修井材料及生活用品等物资，采用了变速发电机—交直交电力推进系统，其主要机电设备配置为：4台CAT 3516C（HD）、2 350 kW、3p、690 V、1 200～1 800 r/min发电机组；2台2 200 kW全回转主推；2台925 kW隧道式首侧推；1台880 kW首伸缩推；2台1 250 kVA ROV预留接口；1台4x550 kW海工吊。船用负荷约600 kW，其它有货油泵、货水泵、泥浆泵、散料压缩泵等货物负荷。 DP最小负荷率时单位时间燃油消耗量以发电机组降速后负荷率85%估算，如表1所示：

4 结语

随着燃油价格不断的上涨和新环境保护法规的出台，如何进一步减少燃油消耗及废气排放将是船舶设计需要考虑的重点，新技术的发展为减少燃油消耗及废气排放提供了条件。世界上第一艘采用变速发电机组—交直交电力推进的海洋平台供应船2013年4月已经在挪威交付船东，目前运营状况良好，此类船舶未来必将得到船东的青睐。

参考文献

[1] 徐立华.船舶柴油机.[M]哈尔滨.哈尔滨工程大学出版社， 2006.

[2] Paul Anthony Stott. Renewable Variable Speed Hybrid System.2010.

[3] Peter Dengler， Marcus Geimer. Potential of Reduced Fuel Consumption of

Diesel-Electric APUs at Variable Speed in Mobile Application.2011.

[4] CAT MARINE ENGINE PERFORMANCE DATA SHEET.

[5] Siemens Three-Phase Synchronous Electrical Generator Data Sheet.