直流配电技术电力推进系统在物探船上的应用

池 波，翁 爽

(1.中海油田服务股份有限公司，北京 101149；2.上海船舶研究设计院，上海 201203)

直流配电技术电力推进系统在物探船上的应用

池 波1，翁 爽2

(1.中海油田服务股份有限公司，北京 101149；2.上海船舶研究设计院，上海 201203)

分析物探船对推进系统的要求，同时分析针对低噪声、低振动、低转速高牵引力、电能质量的要求，推进系统采取的相应措施。对基于直流配电技术的电力推进系统特点和关键技术进行分析，说明基于直流配电技术的电力推进系统可以很好地满足物探船作业工况时的要求，具有广阔的应用前景。

物探船；变频驱动；电力推进；直流配电

0 引 言

近年来，世界油气需求增长强劲，随着陆上油气资源逐渐减少甚至枯竭，海上油气资源越来越成为未来开采的重点，未来世界油气总储量的44%将来自海洋的深水区[1-2]。而中国海域特别是深海海域目前油气的发现率比较低，极具勘探开发潜力，深水油气勘探开发将成为我国未来油气资源勘探开发的重要领域。三维高性能深水物探船是海洋油气勘探、开发、利用产业链上的一个重要环节。

目前，新建12缆及以上的三维物探船均采用电力推进系统，如中海油服公司“海洋石油720”地球物理3D地震勘探船，阿联酋Polarcus公司的ULSTEIN SX134型14缆物探船，以及PGS公司的Ramform W系列24缆物探船。基于直流配电技术的电力推进系统相比常规电力推进系统，具有全寿命周期经济性好、供电连续性高、优化振动噪声指标、电网谐波小、利于舱室安装的优点，在各船型中逐步推广应用。如挪威MT公司为Myklebustaug Offshore公司设计的PSV Dina Star上使用了ABB公司的Onboard DC Grid System，其能效水平达到目前电力推进系统的最高水平，同时降低排放。多缆三维物探船设备多，空间紧凑，专业设备的技术要求高，拖缆作业时需要较大的牵引力，对推进系统的设计和配置提出了很高的要求。因此采用基于直流配电技术的电力推进系统可以满足物探船对推进系统的要求，有着广阔的应用前景。

1 物探船对推进系统的要求

海洋地震勘探是传统性的海洋声学技术，是目前海底探查应用最广、成效最高的地球物理技术，目前拖缆工作方式是应用最成熟、最商业化的类型[3]。

物探船由于其地震勘探作业工况的特点，对船体的推进系统有较高要求，主要是：船体应具有低噪声、低振动的性能，在低航速下要求有较大的牵引力，物探设备中用电设备对电网电能质量的要求。以中海油服公司的“海洋石油720”为例，分析对推进系统的特殊要求和相应解决方法：

在考虑该物探船震源和拖缆设备的抗噪声能力的分析后，提出了对水下噪声等级的要求：在提供不小于100 t的牵引力5 kn航速下，水下声辐射在3～250 Hz频带内1/3 倍频程的最大噪声不能超过168 dB；在3～250 Hz频带内1/3 倍频程的最大总的声压级不能超过176 dB[4]。

为了满足对水下噪声的要求，该船采取了相应措施：

1)主要设备减振降噪

在主机、震源空压机、泵、风机等主要设备均安装弹性基座。采用弹性联轴器用于连接主推进电动机和减速齿轮箱以及主推进系统的轴系，采用低噪声的减速齿轮箱，同时主推进电动机的定子结构设计上采取特别措施，有效地降低噪声。

2)螺旋桨激振力优化

根据船体参数设计与该船相匹配的主推进装置可控螺距桨，并在欧洲船模水池研究所进行广延船模试验，通过船模试验结果、船体参数以及给定的推进轴输入功率进一步优化该船主推进装置可控螺距桨在水下噪声和输出推力方面的综合性能。

3)采用变频驱动系统

该船的作业工况是在5 kn航速下输出不小于100 t 牵引力来拖动设备[5]，这就要求推进系统具有良好的低速大转矩特性，并且还要满足低振动噪声的要求。该船采用的是变频驱动可控螺距桨系统，使整船能在较低的转速下通过调节桨的螺距实现更加稳定的大功率输出，改善了推进系统引起高振动和高噪声的情况。

物探船需配备功能强大的数据处理中心实时处理采集来的数据，因此需要电网提供高质量的电能。由于系统容量较大，该船采用中压电力推进系统[6]。主推的变频器的输入进线侧接入2台移相变压器提供24脉冲系统，以减少电网谐波。在所有工况且在不配备滤波器的前提下，确保整个船舶电网中的总电压谐波畸变(THD)不超过5%，任何单次谐波不超过3%。对于特殊电能质量要求较高的供电部位，通过电网谐波干扰及抑制分析，适当设置滤波器以达到要求。

2 基于直流配电技术的电力推进系统

2.1 概述

电力推进系统一般由电站、配电设备、电力推进装置及其他日用负荷等组成，其工作原理是通过船舶集中电站发电，电能通过配电设备分配给电力推进装置与其他日用负荷。常规电力推进系统如图1所示，这种系统的电站及配电设备均采用3相交流电制，目前在电力推进船舶上得到广泛应用。

图1 常规电力推进系统示意图Fig.1 The conventional electric propulsion system

随着常规电力推进系统的发展，提高系统供电连续性以及效率越来越受到设计者的重视，在这种背景下，基于直流配电技术的电力推进系统概念被提出，其系统如图2所示。基于直流配电技术的电力推进系统的电站依然采用3相交流电制，但电站输出通过整流装置变为直流电后再由配电设备分配到电力推进装置及各种日用负荷。目前，整流装置分为发电机自带的多相整流装置和单独设置的整流柜2种形式。此外，由于日用负荷一般采用交流电源，所以系统中具有逆变电源装置，将直流电逆变为交流电供日用负荷使用。

图2 基于直流配电技术的电力推进系统示意图Fig.2 The electric propulsion system basedm DC distribution technology

2.2 技术特点

2.2.1 全寿命周期经济性好

船舶采用基于直流配电技术的电力推进系统具有较好的全寿命周期经济性。主要体现在：

1)系统效率高

与常规电力推进系统相比，从发电机组开始到推进电机的一系列转换设备中，省略了整流变压器，降低了部分损耗。直流母线下的电机全部可以实现四象限运行，电网输入的电能和电机回馈的电能在直流母线上自动调配，回馈能量不须回馈电网即可得到利用。当采用全控型整流器时，网侧功率因数可调，可实现单位功率因数调节。常规电力推进系统的总体效率约为86%，基于直流配电技术的电力推进系统可以达到88%以上，能节省大量的燃油消耗。

2)发电机组机械磨损小

当船舶处于稳定的低负荷率运行工况时，常规电力推进系统发电机组只能维持额定转速运转，而采用直流配电技术的电力推进系统则自动降低发电机组转速，使发电机组处于低转速稳定运行，发电机组机械磨损更小，可以降低机组的维修成本。

2.2.2 电网谐波小

常规电力推进系统中，推进变频器与其他交流用电设备在同一电网中，推进变频器工作时，会产生大量的谐波电流，进而导致交流电网电压发生畸变。在常规电力推进系统设计中，一般通过整流变压器实现多相整流，降低变频器谐波对交流电网的影响，但整个交流电网的谐波畸变率(THD)仍然在2%至5%之间。采用直流配电技术后，交流用电设备由逆变电源供电，其输出电压波形好，谐波畸变率低于1%。

2.2.3 优化振动噪声指标

推进系统的主要振动噪声源是发电机组原动机，基于直流配电技术的电力推进系统中，当船舶运行在稳定的低负荷率工况下，原动机处于低速旋转状态，其振动噪声较高速旋转状态低，能较有效的优化振动噪声指标。

2.2.4 灵活的岸电输入

目前岸电频率主要有50 Hz及60 Hz两种。常规电力推进系统中船舶岸电直接连接到低压配电板，供日用交流负载使用，所以只能适应50 Hz或60 Hz电制中的一种。采用直流配电技术后，由整流装置将岸电变为直流电后接入直流母排，再由逆变电源将直流电逆变后供给日用交流负载使用，可直接适应50 Hz或60 Hz电制的岸电。

2.2.5 利于舱室安装

基于直流配电技术的电力推进系统与常规电力推进系统相比，设备具有更多空间优势，有利于舱室的布置，主要体现在以下方面：

1)电力推进系统整流变压器一般与主推及侧推装置的功率一致，体积重量大，增加了舱室设备较多的船舶总体布置难度。基于直流配电技术的电力推进系统不需要采用整流变压器，因而可以节省较多的舱室空间。

2)采用直流配电技术后，日用负荷可以采用集中供电方式，也可采用分布式供电方式。集中供电方式采用1台或2台大功率逆变电源将直流电逆变为3相交流电，供全船交流用电设备使用；分布式供电方式则通过电缆将直流电从直流母线引入各设备舱室，在这些舱室中安装1台或2台小功率逆变电源，将直流电逆变为交流电给舱室设备供电。采用分布式供电方式时，由于每个舱室的逆变电源体积重量均很小，所以易于舱室布置。

2.2.6 发展趋势

综上所述，基于直流配电技术的电力推进系统优点众多，但现阶段应用较少，制约其发展的主要因素是集成了较多的新技术，其系统设计技术及专用设备垄断程度高，同时各大船级社相关规范的制定也处于起步阶段而没有明确的内容，船东出于技术风险及初期建造成本的考量推广该系统的积极性略差。但可以肯定的是，随着国外同类船型投入使用及技术经验的积累，该技术在未来5至10年内会逐渐在海洋工程船舶中推广开来，其发展过程应该类似于常规电力推进系统的发展过程——常规电力推进系统经过10年左右的推广后最终被各种海洋工程船所接受而成为现阶段海工船的主要推进系统之一。

2.3 需研发的关键技术

基于直流配电技术的电力推进系统的应用需要解决好以下问题：

2.3.1 变速发电机组控制技术

变速发电机组控制技术是直流配电电力推进系统核心技术。常规电力推进系统中发电机组运行于恒压恒频状态，发电机组的控制主要由调速器、自动电压调节器实现，控制设备成熟，控制方法相对简单。而基于直流配电技术的电力推进系统的变速发电机组需要对原动机转速及发电机的励磁系统协调控制，在变速降低原动机单位油耗的同时尽可能稳定发电机的输出电压，同时实时监控发电机组的运行状态，确保发电机组不过载。由于变速发电机组较少使用，因此需要熟悉原动机及发电机机电特性，选择合适的调速器及自动电压调节器，开发相应的协调控制软件，并开展相关的发电机组试验才能较好的实现机组的变速控制。

2.3.2 直流电力系统保护技术

电力推进船舶需要首先考虑电力系统的安全问题，直流电力系统保护主要涉及继电保护和执行机构(直流开关设备)。直流系统无论是故障类型还是故障后果都与交流系统不同，实际运用中又因大量电力电子装置的存在，给保护配合带来了挑战。开关设备是隔离故障线路或故障区域防止故障扩大化，保障系统正常部分安全运行的关键，由于直流电流没有自然过零点，直流电流的分断比交流电流的分断困难，因此直流开关设备的制造要困难得多。近20年来研究者们在相关领域进行了大量研究，在中低压领域已出现了可开断数十千安的直流断路器。

2.3.3 逆变电源设计技术

逆变电源作为一种电力电子变流装置，是基于直流配电技术的电力推进系统中重要设备之一。由于常用的小型低压负载一般采用交流供电，因此需要提供专用逆变电源将直流电逆变为3相交流电，相当于直接推进船舶的辅发电站。这种逆变电源与普通逆变电源相比，特殊之处在于需要提供选择性保护功能。由于逆变电源是电力电子装置，过流能力弱，因此电流保护功能十分灵敏。一旦逆变电源后端的任何小型低压负载出现短路，短路电流被该负载的断路器切除之前，逆变电源本身就可能因为检测到过流而保护停机，无法与后端断路器实现保护的配合，降低了供电的可靠性，并无法满足船规要求，因此通过控制软件和硬件结构的改进实现逆变电源的选择性保护功能是直流配电电力推进系统的关键技术之一。

3 结 语

通过对物探船作业工况的分析，可知对船体的振动、噪声提出了较高的要求，在低航速下给多根长距离拖缆提供较大的牵引力，同时数据处理中心设备对电网电能质量要求很高。而基于直流配电技术的电力推进系统方案的特点非常适合物探船作业时的要求，在解决好变速发电机组控制技术、直流电力系统保护技术、逆变电源设计技术等关键技术的情况下，基于直流配电技术的电力推进系统在物探船上具有较大的应用前景。

[1] 江怀友，齐仁理，鞠斌山，等.世界海洋油气勘探开发技术与装备览观(上)[J].石油和装备，2011：52-57.

[2] 殷俊俊.浅谈12缆三维地球物理深水勘探船的舾装设计[J].船舶，2011，22(5):58-60.

[3] 马灵.海上地震数据多缆采集与记录系统设计研究[D].合肥：中国科学技术大学，2012.

[4] 童宗鹏，叶林昌，倪明杰，等.深水物探船水下噪声评估及控制技术[J].噪声和振动控制，2012(2):79-82.

[5] 张舒蓉.12缆物探船电力推进系统研究[J].船舶与海洋工程，2012(2):47-52.

[6] 吴刚.电力推进科考船总体设计要点综述[J].船舶与海洋工程，2013(3):1-5.

Application of electric propulsion system based on DC distribution technology in seismic vessel

CHI Bo,WENG Shuang

(1.China Oilfield Services Limited,Beijing 101149,China；2.Shanghai Ship Designdnd Research Institute,Shanghai 201203,China)

This paper analyzes requirement for propulsion system of seismic vessel; meanwhile solutions to meet the requirement of low noise, low vibration, low speed high traction and power quality are studied. After analyzing the advantages and key technique of electric propulsion system based on DC distribution technology, the system can satisfy seismic operation is demonstrated and its application prospect is also indicated.

seismic vessel;variable frequency drive;electric propulsion;DC distribution

2014-05-23;

2014-06-20

池波(1978-)，男，硕士，研究方向为电气工程。

U665.1

A

1672-7649(2014)11-0108-04

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.11.021