综合电力推进系统总体设计分析

陶佳欣 王西田

（上海交通大学 电气工程系 上海200240）

综合电力推进系统总体设计分析

陶佳欣 王西田

（上海交通大学 电气工程系 上海200240）

通过对综合电力推进系统的优点介绍，阐述了船舶电力推进的适用性、推进形式的分析比较及应用范围，对推进系统的构成中所涉及的一些主要问题进行分析比较与综合评估，为船舶综合电力推进系统在总体设计中的实际应用选型提供了参考。

船舶综合电力推进；变频器；推进器；电压等级

引 言

船舶电力推进与传统的机械式推进相比，具有控制灵活、易于实现自动化、振动小、噪声低、污染排放少、舱室布置方便、全寿期费用较低等特点。随着电力电子器件和各种调速变换器技术的进步及取得的重大突破，10 MW级以上的各种交流电机调速变换器已获得成功应用。电力推进不仅在商船上成功应用，发达国家海军也陆续使用［1-2］。可以断言，随着时间的推移和新技术的继续进步，电力推进技术的应用领域将不断扩大，所以船舶电力推进的前景十分广阔。电力推进系统一般包括发电机组、配电板、推进变压器、推进变频器、推进电机、PMS能量管理等设备，对于船舶总体设计来说，关键是要通过选用合适的设备构建一个满足使用要求的稳定、可靠、优化的系统。而目前国内对于电力推进的研究还处于起步阶段，缺乏应用和设计经验，绝大多数电力推进系统是由国外大公司推出方案并集成供货。令人担心的是这种状态不尽快改变，将会对国内船舶电力推进技术的发展带来不利的影响。目前国内众多科研院所对电力推进技术进行研究并开始进入实际使用［3］，但相对国外的成熟的运用，国内还是处于起步阶段，本文是针对电力推进系统的船舶总体设计进行一些相关技术分析。

1 电力推进的优点

与传统柴油机推进相比，电力推进的优点突出表现在以下几个方面：

（1）机舱和机舱内设备布置灵活；

（2）优异的操纵性；

（3）经济性好；

（4）可靠性高；

（5）噪声和振动小；

（6）节省空间；

（7）良好的水动力性能。

2 船舶采用电力推进适用性初探

基于上述的优势以及一些关键技术向纵深方向发展，近几年国外电力推进系统的应用高速发展，大有在各船型上超越常规推进的趋势。这几年，我国许多研究院所在船舶电力推进领域的研究工作也是蓬勃发展，但是由于国内电力推进技术基础薄弱，很多关键设备还只能依赖进口，系统的集成技术还得依靠国外著名大公司，使系统原本初投资偏高的矛盾更加突出，运营后的保障、维护成本和风险更大。因此，作为总体设计不仅要重视电力推进系统对于不同船型的适用性研究和概念设计，既要使我国的船舶设计紧跟世界先进技术发展的潮流，又要从本国国情出发，携手国内设备研制生产商走循序渐进的科学技术道路。以下是电力推进系统的一些典型应用情况，对电力推进系统的适用性问题进行初步探索。

2.1 破冰船

破冰船在工作时，由于受冰的影响，推进器可能会将高达200%的瞬间动态负载加到推进主机上，因此需要推进装置低转速时能够提供可控的高转矩，而这恰恰是电力推进系统的良好特性，所以电力推进系统非常适合用在破冰船上。

2.2 豪华游轮和客滚船

对于这类附加值较高的船，采用电力推进系统偏高的初投资并非主要矛盾，而电力推进系统（特别是吊舱式电力推进系统）具有振动小、噪声低、燃油费用低、操纵性优越、空间节省、冗余度高、安全性好等特点对于现代客船是非常重要的。近年来吊舱式电力推进装置已经成为豪华客船的标准配置。

2.3 散货船和油船

散货船和油船等运输货船以前很难证明采用电力推进的合理性，因为势必要较大幅度增加初投资费用。然而有电力推进研究报告指出：若将一艘36 000 t的成品油船由原来的低速主机与装卸系统换成交—交电力推进，则投资成本和运行费用都会降低，因此在运输船上也有一定的市场应用前景。

2.4 海洋工程类船

有很大一部分海洋作业船，如救生船、潜水作业船、布缆船、敷管船、供应船、海洋钻井船等，除航行推进以外其他系统还需要功率较大的能源，而且与推进不同时使用，例如动力定位。这类船为避免设置两套原动机，采用综合电力推进系统是十分合理的。此外电力推进技术应用于海洋工程类船舶与一般柴油机直接推进相比，具有操纵灵活机动、正倒车方便、可长期低速运行、低速时推力大、加速性好等优势。

但其缺点也显而易见，即初投资较高且存在谐波干扰，对经常装有高精度测量仪器的海洋工程船而言则是一个需要引起高度重视的问题。

2.5 特种船舶

海洋调查船、测量船等船舶都装备有多种声学海洋测量仪器设备，为保证声学测量设备正常工作，对船舶的噪声及振动性能要求很高，采用电力推进系统可由电动机直接驱动螺旋桨，不需减速齿轮，不存在减速器齿轮箱产生的噪声和振动；发电机组可安装在减振效果很好的浮筏上，因此可大大改善船舶辐射噪声水平。故电力推进系统被广泛应用于这类船舶。

此外，电力推进系统布局灵活，对某些特种船的总体设计也很有意义。小水线面船若采用柴油机直接推进，布置上将非常困难，而采用电力推进系统就比较方便。

2.6 军用舰船

高能武器和先进探测设备的飞速发展，使舰船的电力负荷等于或大于推进功率，而采用综合电力系统的全电力战舰可以满足这样的电力需求，供给高能武器和防御系统足够的电力。研究表明，水面战舰采用全电力推进系统，主要是基于把初始采购费用及全寿命费用降低到最低限度的考虑。此外，吊舱式电力推进系统可以减小船体阻力、减小噪声和振动、节省大量的船内空间、提高船舶的操纵性和灵活性、具有高冗余度等特点对于海军战舰来说具有非常重大的意义。当然质量轻、高功率密度、高效率、安静、抗冲击、高可靠性等战舰的主要需求是实现全电力战舰需要解决的问题。

3 综合电力推进系统的分析比较及应用范围

通过对综合电力推进系统的构成的一些主要问题进行分析比较，以便更好地选择其应用范围。

3.1 推进器形式

电力推进器的形式一般分为尾轴和全回转舵桨型。

尾轴型是一种传统的电力推进形式，推进电动机安装在船体内，螺旋桨通过轴系由低速电动机直接传动或中高速电动机经减速齿轮箱传动。轴系可长可短，可采用定距桨和调距桨。其特点是系统简单可靠，但缺点是和常规的轴系推进一样，噪声高、振动大、效率低，有轴系和舵系的附体阻力，并需要较大的舱室空间和更多的系统配置，维护保养工作量较大。

舵桨型推进器是一种新型的推进形式，一般分为Z型（L型）和吊舱型。前者的推进电机在船体上，通过齿轮组驱动螺旋桨；后者的推进电机装在桨毂内，吊在船体外。该型装置结构紧凑、可以360°全回转，船舶操纵非常方便，且可省去舵装置，对于需动力定位的船舶还可以省去艉部的侧推器。此外，由于不需要常规的轴系和舵系，船体的附体阻力（尤其对双桨船）大大降低，从而改善了船体的艉部线型和螺旋桨的水动力性能。

下文将对舵桨装置的各种形式进行比较。

3.1.1 SRP形式

SRP形式（见图1）是属于Z型推进器的第2代产品。该形式是由2对锥齿轮传动带有导管螺旋桨的全回转装置，由安装在船体内部的卧式电动机驱动。该形式现已广泛应用于航速低于15 kn的拖轮及海上作业船，可满足最佳操纵性、最大的系柱拉力以及良好的动力定位需要。该形式使用的功率范围由于受机械装置材料强度的限制，一般单机最大功率限制在4 000 kW以下。SRP形式用于低速船比较理想，用于18 kn左右的中等速度船存在一些缺点，与POD形式比较，首先是流体动力性能较差，导致电力推进总效率较低；其次是齿轮传动的机械振动以及齿轮舱与支架产生的空泡和涡流引起的振动及噪声较大。该形式已有50多年的使用实践，技术上比较成熟，维修也比较方便。

图1 SRP形式

3.1.2 STP形式

STP形式（见图2）是SRP形式的改进型，主要优化了支架及齿轮舱的线型，并改进螺旋桨设计，由单螺旋桨改为双螺旋桨，即在螺旋桨轴的前、后各设置一个同向旋转的螺旋桨，在齿轮舱两侧装有一对整流鳍片。

图2 STP形式

与SRP形式相比，STP形式优化了支架及齿轮舱的线型，改进了流体性能，从而避免空泡和涡流的产生，改善由此引起的振动和噪声。此外，由于采用双螺旋桨推进，前螺旋桨处于拉式工作状态，来流均匀；后螺旋桨处于前桨的尾流中，可以回收一部分前桨尾流的旋转功能。因此，该螺旋桨的效率较高，其组合体的效率高于单螺旋桨的敞水效率，螺旋桨效率可达0.71。由此可见，STP形式在流体性能方面完全克服了SRP形式的缺点，并达到与POD吊舱形式相同的水平。但其机械损耗较大且由机械传动引起的振动和噪声的缺点依然存在。

3.1.3 AZIPULL形式

该形式是一种新推出的Z型推进器。该形式的设计吸收POD形式的优点，且引入拉式螺旋桨设计概念，避免了SRP形式流体性能差的缺点。其水下部分结构改善了流线形，使流体动力性能基本上与POD形式相同；传动部分保持了SRP形式的特点，因此也有机械传动损耗及由机械传动引起的振动和噪声。

图3 AZIPULL形式

3.1.4 吊舱形式

5 MW以上的POD形式早在1990年就开始开发。吊舱形式与Z推形式比较具有明显的优越性：

（1）其支架和螺旋桨组合体具有完美的流线型，水动力特性好，水流阻碍小，故效率高。高的水动力效率节省了燃料，还减少了废气排放。

（2）推进电机在水下，没有传动齿轮，可节省机械传动损耗5%，而且没有机械传动带来的振动和噪声。

（3）Z推形式的推进电机由空气—水冷却，需能量消耗。而吊舱形式的推进电机在水下，由海水直接冷却，故推进效率可提高2%。

（4）将推进电机放在船体外，节省了船内空间。

（5）吊舱形式可以全功率倒车，应急倒车反应快。而Z推形式由于受到齿轮反转受力限制不能倒转，用旋转180°倒车反应较慢。

吊舱形式的单机功率范围可适用于大型船舶。自1999年后，适合中小型船舶的紧凑型吊舱就已推出，与大吊舱的相同点是均采用水下电机直接驱动螺旋桨，不同点是大吊舱装置人员可通过吊臂通道进入电机舱检查。紧凑型吊舱由于尺寸较小，吊臂无人员通道，人员不能触及电机，但它仍具有吊舱的全部优点。目前紧凑型吊舱已被广泛应用于单机相对功率较小的电力推进装置上。

图4 吊舱形式

3.1.5 综合评估

各种推进方式效率比较见表1。

表1 各种推进方式效率比较

3.2 电压等级

在综合电力推进系统中，随着推进装置功率的加入和其他用电设备的大量增加，电网的功率也大大增加。考虑到开关断流容量限制和电缆的合理用量，适度提高系统的电压等级是必然趋势。但是电压等级的选择涉及面广，不仅要有需求的牵引和技术的推动，还必须考虑相关电工产品工业的技术水平、经济发展的支撑和持续发展的能力。目前船用交流电网多为400 V、690 V（低压）或3 300 V、 6 600 V（中压）等级。

低压等级最高为690 V，可选的低压开关断流容量可能最大用到4×2 500 kW的电网和4 500 kW的电动机。但综合考虑到电缆的合理用量，应适当降低上述极限功率值，超过此功率等级宜采用中压等级。如直接采用400 V，极限功率将降低至4×1 500 kW的电网和2 000 kW的电动机。

据资料显示，如变频器采用中压等级，尽管输出电流减小，使用的电缆减少，但这些设备的外形尺寸却比采用低压690 V的情况要大，因此在推进功率小于5 MW的范围内，世界上变频器普遍采用690 V低压等级，国外公司都有这类产品，技术成熟、价格较低，且已广泛应用。采用中压等级，设备及元器件的耐压、冷却水的水质等要求就会相应提高，引起设备的外形尺寸增大、价格上升，在功率等级没达到一定程度的情况下，其性价比较差。

3.3 接地方式［4］

电力系统按系统中性点是否接地分为对地绝缘系统和接地系统。影响系统接地方式的因素一般有供电可靠性、人身和设备的安全、过电压、对通信等设备的干扰以及投资费用等。

众所周知，系统对地绝缘在一定条件下，当发生单相接地故障，只是故障相电压升高倍，而线电压维持不变，故不影响三相设备的正常运行。单相接地是船舶电力系统最常见的故障，在这种故障下系统仍能继续保持不间断供电是该接地方式的一个很大优点。此外，由于绝缘线制在发电机并联运行时没有高次谐波电流通路和不会在船体内流过接地电流，因此不至于产生杂散磁场和电磁干扰等特点使得现有的船舶电力系统广泛采用对地绝缘线制。

然而，完全对地绝缘的系统是不存在的，系统中的电缆、电机和变压器等设备产生的对地耦合电容使不接地系统事实上成为电容接地系统。当发生单相接地故障时，流经故障点的稳态电流是单相对地电容电流，而电容性的短路电流会引起间歇电弧过电压以及谐振过电压等操作过电压。据理论研究和实测统计，不接地系统的弧光接地过电压最高达3.5倍的相电压，操作过电压则可高达相电压的4.5倍。

按照IEC标准，电气设备的电压等级与其耐压性能即绝缘裕度在不同的电压等级下是不同的。在原则上电压等级越高绝缘裕度越小。例如低压系统设备耐压试验电压为2 kV，对于380 V设备而言过压倍数为5.26倍；而中压系统6～6.6 kV设备的耐压试验电压为20 kV，过压倍数略高于3倍；7.2～11 kV系统设备的耐压试验电压为28 kV，过压倍数更低。由此可见，为适应较高电压等级系统电气设备能安全运行，应防止系统内产生较高的过电压，特别是操作过电压。

也有运行经验表明，当电网中性点不接地时，即使单相接地电容电流不大，也会由于间歇电弧过电压或各种操作过电压使健全相的电位可能升高至破坏其绝缘水平，甚至形成相间短路故障。但如果在中性点接入一个电阻，就可泄放熄弧后半波的能量，则中性点电位降低，故障相的恢复电压上升速度减慢，从而减少电弧重燃的可能性，抑制电网过电压的幅值。如单相接地电流选择合适的话，故障的暂态过电压一般可限制在2.5～2.8倍以下。

中性点接地又分为直接接地、低电阻接地、高电阻接地和消弧线圈接地。前两种方式接地电流很大，无法保证供电可靠性，对人身设备安全性也较差，而且对通信、弱电设备的干扰大。消弧线圈接地方式尽管被证明在陆用电网是一种比较理想的形式，但是其所需的综合装备水平较高。目前，从国内外的船舶应用来看，中压电网基本采用中性点高阻接地方式。这种方式单相故障电流小（一般限制在10A左右），发生故障时，电力系统仍然能够连续供电；接地电阻由于在故障时通过一固定电流，便于故障检测和故障点定位；同时中性点接地电阻可有效抑制过电压，跨步电压和接触电压低，有较好的人身及设备安全保护水平［5］。

3.4 变频器形式

变频器分为交—直—交变频器和交—交变频器两大类［6］，其性能比较见表2。

表2 变屏器形式

对于一般大功率交流电力推进系统，与交—交变频器相比，采用交—直—交调速具有适应性强、结构简单、成本较低、控制方便等优点。目前绝大多数20 MW以下的变频器采用新型的脉宽调制型（PWM），其整流器用二极管组成，逆变器用IGBT或IGCT组成，具有线路简单、功率因数高、调速范围宽、谐波少和响应快等优点。

使用变频器会产生谐波电流，对电网造成污染，其主要影响是对电网中的其他设备（如发电机、电动机、电缆及电器设备）产生附加发热、脉动转矩、振动等，严重的还会使继电保护的整定动作值产生偏差，因此如何较好地抑制谐波，是变频器选择的一个主要原则。为了抑制谐波，从变频器角度可以采用增加变频器的脉动波数的方法，在技术上通常采用改变变压器接线方式组成多相整流电路或者采用一定相位差的多组三相整流桥串联或并联来增加脉动波数。标准产品变频器采用后者方式较多，分为6脉冲、12脉冲、24脉冲及2电平、3电平等多脉冲多电平电路形式，以满足不同用户的需求。此外，现在已有采用IGBT器件的有源前端电路（AFE），几乎可以使供电线路中不存在反馈谐波，但设备价格很高。

3.5 能量反馈形式

船舶从正车突然倒车或从高速降至低速过程中，有再生电能反馈。该能量有两种方式吸收，一种是通过制动控制单元接通制动电阻，消耗在电阻发热上；另一种是通过可逆整流器向电网反馈，减少发电机输出。由于船舶电网容量有限，推进产生的能量如向电网反馈，很容易造成发电机逆功保护动作，从而使机组停机。所以船舶通常采用电阻制动的方式。

值得一提的是，某些变频器具有抑制产生逆功的控制软件和功能，当螺旋桨发生风车效应时，变频器将自动控制推进电机的磁场和转矩，防止出现制动功率，因此系统不需要制动电阻。

3.6 推进电机形式［7］

交流电力推进的电动机类型有异步电动机和同步电动机。大功率的新型推进电机还有先进感应电机、永磁电机和超导电机等。

异步电动机具有结构简单、坚固、高速体积小、使用可靠、维修方便、经济等优点，但功率因数较低，一般应用于小型船舶。

同步电动机较异步电机对转矩的扰动具有更强的承受能力。从调速范围来看，同步电动机转子自带磁场，即使在很低的频率下也能稳定运行，调速范围比较宽。同步电动机励磁损耗小，功率因数高，可以在功率因数为1的情况下运行，因此同步电机在现代电力推进系统中得到越来越多的使用。但其需一套单独的励磁系统，增加了电机结构的复杂性，一般应用于大型船舶。

随着现代船舶对高功率密度、高转矩密度推进电动机的需求牵引，先进多相感应电机和永磁电机也投入运用，它们与常规电动机相比，体积小、质量轻、噪声低、效率高，显现了强大的竞争力。当然这种类型的电机需付出更高的初期投资。

4 结 论

由于电力推进系统涉及面广，另外诸如监控管理系统、交流调速控制策略、设备冷却、谐波控制等也是电力推进系统设计中需特别考虑的问题。本文不再赘述，也希望本文对电力推进的总体设计提供一定的参考作用。

［1］ 肖杨婷，赵跃平，曹爽. 国内外综合电力系统技术研究动态［J］.舰船科学技术，2010，32（8）：24-29.

［2］ 吴家鸣.九种常见特殊舰船推进器的特点分析［J］.船舶，2012（4）：1-6.

［3］ 朱炜，李辉辉.舰船综合电力推进技术的发展现状研究［J］.船舶，2013（3）：64-68.

［4］ 李晓涛，孙艾丽，梁星星. 船舶交流电力推进系统的接地方式研究与探讨 ［J］.船电技术，2008，28（5）：266-299.

［5］ 中国船级社.钢质海船入级规范［M］.北京：人民交通出版社，2012.

［6］ 乔鸣忠，于飞，张晓锋. 船舶电力推进技术 ［M］.北京：机械工业出版社，2013.

［7］ 云峻峰，黄仁和，赵建华. 现代舰船电力推进设计走向［J］.舰船科学技术，2003，25（1）：3-8.

Analysis of overall design of integrated electric propulsion system

TAO Jia-xin WANG Xi-tian
(Shanghai Jiao-tong University, Shanghai 200240, China)

This paper introduces the advantages of the integrated electric propulsion system, and presents the adaptability of electric propulsion, analysis and comparison of propulsion pattern, and application range. It also carries out the analysis, comparison and integrated evaluation of some major questions of composition of the propulsion system, which can provide references for the application of the integrated electric propulsion system to the overall design.

integrated electric propulsion system; inverter; propeller; voltage class

U665.13

A

1001-9855（2014）03-0066-07

2013-10-14 ；

2013-11-02

陶佳欣（1979-），男，硕士，高级工程师，主要从事船舶电力系统设计。

王西田（1972-），男，副教授，主要从事电力系统机网协调与分布式能源系统的教学与研究。