渔业科考船电力推进系统概述与分析

张志强，马继坤，鹿志祥，王 宁

(中国水产科学研究院黄海水产研究所，山东青岛 266071)

渔业科考船电力推进系统概述与分析

张志强，马继坤，鹿志祥，王 宁

(中国水产科学研究院黄海水产研究所，山东青岛 266071)

介绍了船舶推进的两种方式：常规机械直接推进与电力推进。指出电力推进系统在渔业科考船应用的优势。分析了电力推进系统中两种类型变频器的工作原理：DFE整流前端变频器和AFE整流前端变频器，并进行了性能比较。认为AFE系统体积重量更有优势，DFE系统具有成本优势。

电力推进 有源前端整流 无源前端整流

0 引言

近年来，伴随海洋资源的缩减，对船舶的噪音和振动性能、高可靠性及环保节能船舶的要求也增加，渔船科考船作为渔船领域的先驱者发展电力推进从效益角度和长远利益来看，势在必行。

目前，船舶推进主要有常规机械直接推进与电力推进两种方式。以柴油机和汽轮机为主的传统型船舶动力装置，曾对船舶及航运的发展做出了重要贡献，仍然广泛应用在游轮、渡轮、散货船等各种船舶，如图1所示。然而这类动力装置也因其一些固有的缺陷阻碍了进一步发展[1]。例如：占据空间过大，以柴油机和汽轮机为主机的船舶，其机舱空间都被体积庞大的发动机、机械传动装置、减速器和轴系等占据，舱室空间利用率大大降低，有效载荷减小。工作环境差，以柴油机或汽轮机为主机的机舱内，不仅振动大、噪声高，而且油污多，废气排放影响空气质量，卫生条件差。主机大而高，系统复杂，增加维护难度，加重维护工作量。

图1 传统柴油机直接推进系统示意图

推进系统示意图如图2所示。电力推进系统基本由机械原动机(柴油机、燃气轮机或核动力)驱动交流发电机，发电机再为推进电动机提供动力。电动机可能是直流、交流同步电动机或交流感应电动机。从第一艘电力推进船舶诞生至今，船舶电力推进技术经历了从直流到交流、从低压小功率向中压大功率发展的过程。20世纪90年代以后采用电力推进的船舶以35%的速度增长。随着技术进步，电力推进优越性日益凸显，二十一世纪将是船舶电力推进系统发展的黄金时代。

图2 电力推进系统示意图

1 电力推进系统在渔业科考船应用的优势

渔业科考船采用电力推进方式与传统的机械直接推进方式相比，电力推进主要有以下突出的优点：

1）布局更灵活、有效空间更多、全寿命费用降低

如图3所示，传统船舶的轴系长度往往占到船长的40%左右，采用电力推进的船舶省却了传动轴系、减速齿轮箱，代之以柔性电缆。与常规机械推进相比，电力推进系统设备更多，但单台设备体积更小，可以在船上分散灵活布置，因此可以合理有效的利用空间。对于渔业科考船来说，可以增加渔舱舱容，提高运行经济性，降低全寿命费用。

图3船舱布置示意图

2）运行可靠、生命力提高

与常规机械推进相比，电力推进系统采用的推进电机结构更为简单，尤其是异步推进电动机，非常坚固耐用。其它部件如推进变压器、推进变频器等没有运动部件，更为可靠。同时，电力推进系统电源为恒速运转的发电机组，磨损更小。

电力推进使用多台柴油发电机组，个别机组的故障只对船速有一定的影响，不会导致丧失动力。目前的电力推进系统多采用两条以上的推进支路，可互为备用。在有更高要求的情况下，可通过变频器的模块化和推进电动机的多绕组形式，达到更高的可靠性，即在变频器一部分功率模块故障或电机部分绕组故障的情况下，电力推进系统仍能降功率运行，不致失去动力，从而保证船舶安全性。

3）维护工作量减少

电力推进系统除推进电动机以外，均为静止部件，维护工作量小；推进电动机结构简单，维护工作量比常规机械推进的燃气机及柴油机少的多，一般只需要对轴承进行维护保养。

4）操纵灵活，机动性能好

电力推进系统采用电动机直接驱动螺旋桨，扭矩响应速度快，螺旋桨由全速正转转换到全速反转的时间非常短，机动性能好。电力推进船舶可频繁正反转、转速调节速度快、调速精度高、自动化水平高。

5）易于获得理想的拖动特性

电力推进系统由于采用变频控制，低速下可以获得较大扭矩，如图4所示。对于具有强制散热措施的推进电动机，在零转速都有可能获得额定转矩，这种特性适合于具有拖网及围网工况的渔业科考船在拖网运行工况下运行。

图4 推进电动机转矩曲线

6）减小振动和噪声、环境更舒适

柴油机直接推进方式产生的水下辐射噪声会对海洋和沿海生物多样性产生影响。船舶振动噪声主要来自燃气机、柴油机等热机。推进电动机由于转矩平稳，振动噪声水平较低。而电力推进系统的电站中的燃气机、柴油机等工作在恒速状态下，振动比变速主机小，而且可以安装在水线以上，允许封闭，可以通过采用较好的隔振装置，增加隔音罩等措施降低振动噪声。另外，设备可分散布置，通过合理的舱室布置也可以降低重要舱室噪声。

7）提高经济效益，减少排放物

远洋渔业科考船运行工况多，变速较为频繁、推进负荷变化区间大。电力推进配置有多台柴油发电机组用于发电，可根据用电负荷选择投入运行的发电机组台数，使运行机组始终运行于高效工作区，保持燃油消耗率和CO2排放最低，实现最大的经济性，提高续航力，降低运行成本，实现节能环保。

2 变频器形式的比较与分析

目前广泛应用的电压源型变频器有两种类型的整流前端，即DFE整流前端与AFE整流前端。两种整流前端具有各自特点，适用于不同场合。

2.1 DFE整流前端

图5 DFE变频器结构图

图6 DFE前端输入、输出波形

图7 12脉冲整流器

如图5所示，DFE前端使用的功率器件是二极管。二极管最大的特性就是单向导电，也就是电流只可以从二极管的一个方向流过，同时二极管是不可控器件，它没有控制端，二极管的正向导通及反向截止是不可控的。由于二极管器件不可控，一般三相整流桥输出直流电压的纹波频率6倍于输入电源的频率，网侧电流含有大量的低次和高次谐波电流，造成输入功率因数降低和电流谐波增高，如图6所示。

由于DFE整流前端谐波过大，为减小谐波对电网影响，一般增加移相整流变压器构成多脉波整流，常见的是12脉波整流变压器，如图7所示，即通过12脉波（3绕组）整流变压器与两组三相整流桥构成12脉波整流。

采用多脉波整流技术，可以有效地降低谐波，12脉波整流电流THDi约12%左右。在船舶电力推进应用中，通常每一舷推进系统采用12脉波整流，左右舷整流变压器再移相15度（各移相7.5度），构成虚拟24脉波整流。通过这种方式可以将电压谐波THDv降低到5%以下，满足规范及使用要求。由于一般配合整流变压器使用，采用DFE整流前端时系统的尺寸重量大一些。

DFE整流前端是一种最常用的整流前端，具有结构简单、可靠性高、性价比高特点。

2.2 AFE整流前端

AFE整流前端使用的是IGBT或IGCT器件，IGBT或IGCT器件属于全控型器件，通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断。IGBT 或IGCT器件具有驱动功率小、开关速度快、饱和压降低而容量大的优点，但价格要高于同容量等级的二极管器件。

AFE前端与变频器的输出逆变部分(逆变器)结构一样，使用IGBT或IGCT等全控器件组成三相桥式结构，如图8所示。三相桥式结构在电力电子领域应用广泛、技术成熟，非常可靠。

图8 AFE前端变频器

从结构上看，AFE前端相当于一个逆变器，其有源的含义在于，与传统的二极管整流技术相比，有源前端不再是被动地将交流转变成直流，而是具备了很多主动的控制功能。通过控制全控器件的开通与关断，它可以消除谐波，提高功率因数，回馈能量，保持直流母线电压恒定。通过合适的控制策略，AFE前端变频器网侧功率因数可以为1，大幅降低网侧电流谐波，如图9所示，其直流母线电压也更为稳定。

图9 AFE前端输入、输出波形

回馈能量是AFE整流前端的另一个特点，可以将电机制动返回到直流母线的能量回馈电网，实现节能环保。能量回馈功能主要用于起重、提升类负载，或者用于各种试验台架作为可回馈负载[2]。

AFE整流前端由于采用高频开关控制，其共模电压幅值及频率比DFE整流前端高。

表1 DFE和AFE整流前端比较

2.3 电磁兼容性的影响

DFE与AFE整流前端工作原理不同，电磁兼容性差别较大。对于实验设备较多，对电源品质要求高，同时对运行电磁环境也有较高要求的船型来说，变频器是全船最大的干扰源，选择变频器技术方案时，必须考虑其带来的电磁兼容性问题。

科考船的船载实验室安装有大量精密实验设备，这些实验设备的供电存在着供电品质问题。对于精密测量仪器，纯净的电源十分重要，当电网品质较差时，电源噪声容易串入测量回路，导致采集的信号失真，影响实验效果，因此需要采取技术措施保证实验室用电设备的供电品质[3]。另外许多船载测试设备对运行电磁环境的要求非常高，应采取措施降低各种传导及辐射干扰。

主推进变频器功率大，运行频率高，非线性工作，是全船主要的电磁干扰源，如果技术方案不完善，会带来较大的电磁兼容性问题，甚至可能导致全船电气系统无法正常工作，因此需要分析变频器的干扰模式，提出合理的解决方案。

1）干扰范围

变频器干扰产生的位置包括整流单元及逆变单元两个位置。整流单元的电磁噪声直接影响电网，其干扰范围包括发电机、配电板、全船日用负载及相关设备之间的空间区域；逆变单元的电磁噪声直接影响推进电动机、变频器与推进电机之间区域。

2）干扰模式

变频器的干扰分为差模干扰及共模干扰两类。差模干扰即变频器输入或输出三相之间的非基波正弦含量，差模干扰在电网侧及电机侧都存在。电网侧差模干扰即通常所说的谐波成分，影响电网电能品质；电机侧差模干扰直接影响推进电机性能。差模干扰通过技术措施可以抑制，例如输入侧采用移相变压器多脉波整流方式，输出侧采用正弦波滤波器等措施。

共模干扰即变频器三相对地干扰，常规线性系统中三相对地电压瞬时值接近零，而变频调速系统中，无论整流单元还是逆变单元都运行在非线性状态，变频器输入输出对地电压瞬时值不为零，产生对地共模干扰，如图10所示。共模干扰主要表现在三相对地，不容易通过普通的滤波措施抑制，需要引起特别重视。

图10 共模电压示意图

DFE整流前端变频器与AFE整流前端变频器在输入及输出端均存在差模与共模干扰，区别在于干扰的频率成分和幅值不同。

DFE整流前端差模干扰较大，一般采取多脉波整流方法降低差模干扰（即谐波），可以将各种工况下电压谐波畸变率THDv降低到5%以下，正常运行时（虚拟24脉波）THDv低于2%。

DFE整流前端共模电压是由于二极管非线性产生的，其三相电压波形基本为正弦波，因此其共模电压的幅值与频率较低。对电网的影响较小。DFE前端使用时，一般不考虑其共模电压的影响。

图11 共模干扰示意图

AFE整流前端差模干扰较小，是AFE整流单元的特点。AFE整流前端不用配置整流变压器就可以满足规范对谐波要求，其各种工况电压谐波畸变率THDv均低于3%，正常能够运行时约1%左右。由于AFE整流前端工作在高频状态，其共模干扰较为严重，AFE整流前端共模电流分布如图11所示。

共模电流由共模电压通过变频器、配电板及发电机的分布电容及船体形成回路。共模电压幅值的理论值为：Vcm= （V1+V2+V3）/3

V1、V2、V3为交流侧三相相电压，由于三相PWM波瞬时值不为0，所以具有共模电压，对于低压3AC690 V系统，共模电压幅值约为400 V，为直流母线电压的一半，PWM信号通过长线反射后，共模电压幅值更高，可接近800 V。图12 为3AC380 V变频器共模电压实测图。

由图12可见，曲线1为记录的无电压反射时的共模电压，幅值约为270 V，曲线2为通过100 m左右电缆产生反射后的共模电压，幅值约为400 V。

图12 共模电压示意图

以上分析建立在理论计算基础上，针对的回路十分简单。实际上由于共模电压频率高，接近开关频率，容易产生谐振，对于配电板等线路复杂的系统，谐振几率高。谐振后的共模电压幅值可以达到理论值的3～5倍，对于低压系统，发电机、配电板的绝缘水平可以满足要求，但对于中压系统则具有较大风险。对于中压6600 V系统，共模电压理论值高达4000 V，如果产生谐振，有可能产生十几千伏以上的高频共模电压。

以往中压AFE变频器主要用于陆地电网，前端配置一台配电变压器，利用该变压器漏抗作为前端升压电感的一部分，起到隔离作用，同时简化了AFE变频器供电电源线路，降低了高频谐振的可能性，所以有效地降低了共模电压幅值。当共模电压幅值较低时，对设备的绝缘不构成冲击，同时形成的共模电流值较小。

当AFE变频器用于船舶电力推进时，与DFE变频器相比主要优点就是省掉整流变压器，这样共模电压将直接串入船舶电网，影响发电机、配电板及各种日用负荷，由于没有陆用场合中的配电变压器隔离共模干扰，对设备绝缘构成威胁。同时由于配电线路复杂，产生谐振的几率增加，共模电压幅值更高，对于系统绝缘来说可谓雪上加霜。

综上所述，AFE变频器共模电流带来的危害如下：

1）共模电压通过船体及分布电容耦合，由于船体是良导体，很容易形成全船性的干扰；

2）共模电压过高形成较大的共模电流，对发电机轴承具有较大的危害；

3）共模电压一旦谐振，幅值放大后对配电板、发电机及日用负荷的绝缘损害较大。

正是由于以上原因，AFE变频器用于船舶主推十分少，即使采用也仅限于低压系统，极少用于中压系统

无论变频器采用AFE前端还是DFE前端，其逆变单元干扰水平基本一致。逆变单元差模干扰主要体现在高频干扰，频率分布在开关频率附近，幅值大的谐波电流主要分布在一倍和两倍的开关频率的频带范围内，而谐波电流引起的电磁噪声也集中在这个频带附近[4]。这些高频成分的主要影响如下：

1）由于变频器输出的高次谐波分量与转子固有频率的谐振，使转子固有频率附近的噪音增大；

2）由于变频器输出的高次谐波使铁心机壳轴承座等的谐振在固有频率附近的噪音增大。

若船舶对推进电机振动噪声要求严格，则推进电机与推进变频器之间配置有正弦波滤波器，滤出这些高频成分，降低差模干扰对推进电机的影响。

由于工作在高频开关状态，电机侧逆变单元共模干扰也较为严重，具有高压高频的共模干扰成分，主要通过以下措施解决：

1）变频器与电机就近安装，远离重要仪器设备舱室，减小干扰影响区域；

2）变频器与电机之间选用变频电缆，提供共模地电流回路，减小共模干扰对其他设备的影响；

3）最重要的是推进电机采用专门设计的变频电机，绝缘裕量较大，确保可以承受较高的对地共模电压；

4）变频电机转子通过电刷接地，减小共模电流对轴承的损坏；

表2 DFE和AFE整流前端电磁干扰

逆变单元产生工模干扰的原理与AFE整流前端类似，但逆变单元与推进电机直接连接，回路简单，产生高频谐振的可能性很小，同时由于推进电机设计的特殊性，主要考虑到电缆的选择、布线及接线工艺，逆变单元比AFE整流前端更容易解决电磁兼容性问题。

3 DFE与AFE整流前端的船舶应用

目前国内外集成商提供电力推进系统解决方案主要采用DFE变频器，也有少量低压船舶采用AFE变频器。采用DFE变频器的电力推进系统如图13所示，采用AFE变频器的电力推进系统如图14所示。

图13 DFE电力推进系统示意图

图14 AFE电力推进系统示意图

如图所示，采用DFE变频器电力推进系统多出两台整流变压器，其余部分基本一致。从系统体积重量上来说，AFE系统更有优势。但AFE系统变频器造价高于整流变压器与DFE变频器造价之和，在成本上，DFE系统更有优势。

表3 DFE和AFE前端比较分析

虽然AFE变频器可以向电网回馈能量，但由于船舶电网容量较小，推进电机所占比重过大，如果将推进电机的制动能量回馈到电网，严重影响电网的稳定性。所以无论是DFE系统还是AFE系统，用于船舶电力推进时，均需要配置制动电阻，这样AFE变频器最大的节能特点在船舶电力推进上无法应用。目前国内外AFE变频器作为主推进装置的应用仅限于低压系统，中压系统由于系统电压高，共模干扰带来的危险更大以及电压匹配性问题，风险过大，没有应用业绩。当然，如果AFE系统增加隔离变压器，实现与电网的共模干扰隔离，同时进行电压匹配，可以降低系统风险。但如果采用隔离变压器，与DFE系统相比，在体积重量及成本上没有任何优势。

目前AFE应用于船舶最多的场合是低功率甲板机械驱动，甲板机械下放重物时，通过将势能回馈到电网实现节能。一般来说，低功率甲板机械功率占电网容量的比例较小，又是低压装置，所有采用AFE变频器风险低，应用较多。

从上述分析中可以明显地看出，AFE系统除了重量上略有优势（可减少2台主推进变压器），在成本、可靠性、电磁兼容性上均没有特别明显优势，尤其在中压系统中反而增加了技术风险。

4 结论

通过以上分析可知，对于科考船来说，需要解决的关键技术较多，建议综合电力推进系统设计时将重点落脚在降低推进电机振动噪声，为试验室系统构建良好的电磁环境，提高系统安全性等关键技术上，选择合理的电力推进系统技术方案对全船性能尤为关键。

[1] M.Chow, P.M.Mangun, and S.O.Yee. A Neural Network Approach to Real-Time Condition Monitoring of Induction Motors. IEEE Trans. OIE, DEC.1991, PP.448-453.

[2] 王兆安等. 谐波抑制与无功功率补偿[M]. 北京∶ 机械工业出版社, 1998.9

[3] 管小铭. 船舶电力系统及自动化[M]. 大连∶ 大连海事大学出版社,1999.

[4] 林海雪, 孙树勤. 电力网中的谐波[M]. 北京∶ 中国电力出版社, 1998.

Review on the Integrated Electric Propulsion System for Fishing Survey Boats

Zhang Zhiqiang, Ma Jikun, Lu Zhixiang, Wang Ning

（Yellow Sea Fisheries Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences, Qingdao 266071 , Shandong, China）

This paper introduces two types of electric propulsion, including conventional mechanical propulsion and electric propulsion. It points out the advantages of the electric propulsion system used in fishing survey boats. The principle of two types of transducer for electric propulsion system is analyzed: DFE rectifier front-end converter and AFE rectifier front-end converter, and the compares the performance. It considers that AFE system has volume and weight advantage, and DFE system has cost advantage.

electric propulsion; AFE; DFE

TM771

A

1003-4862（2015）08-0070-06

2015-04-28

张志强（1963-），男，高工。研究方向：船舶管理。