直流电力推进系统在小水线面双体科考船上的应用

李鸿瑞，熊良胜，邵诗逸

(1. 中国船舶科学研究中心上海分部，上海 200011；2. 泰和海洋科技集团有限公司，上海 200000；3. 北京赛思亿电气科技有限公司，北京 100097)

直流电力推进系统在小水线面双体科考船上的应用

李鸿瑞1，熊良胜2，邵诗逸3

(1. 中国船舶科学研究中心上海分部，上海 200011；2. 泰和海洋科技集团有限公司，上海 200000；3. 北京赛思亿电气科技有限公司，北京 100097)

直流电力推进系统作为一项新兴的电力推进技术，是目前的研究热点之一。新兴的直流电力推进系统具有哪些优点，在新船设计中如何根据船舶的具体用途、成本、经济性、空间等因素选择合适的电力推进系统都是目前值得研究的问题。为此，对直流与交流电力推进系统进行比较，并从实际应用的角度出发，以正在设计的小水线面双体型科考船为例，对该船直流电力推进系统方案进行介绍，对实际设计应用中发现的优点及需要注意的问题进行分析。结果表明，对于低压特种船舶，直流电推系统相比交流电推系统在空间、油耗等方面具有明显优势。随着该技术的发展，直流电力推进系统将在低压特种船舶领域得到广泛应用。

直流电网；电力推进系统；小水线面双体船；科考船

0 引 言

由于科考船实际工作的需要，科考船对低振动、低噪声、灵活的操纵性等特性要求较高。另外，由于其舱室空间也较为有限，尤其是小水线面双体船设备布置受舱室空间影响很大，因此对设备布置的灵活性也有较高的要求[1–2]。现今科考船的动力系统以电力推进系统为主，电力推进系统以其低噪声、设备布置灵活、自动化程度高、经济性好、操纵性好、可靠性高等特点成为国内外新造科考船的首选形式[3–6]。传统的民船电力推进系统主要为交流电网与电压源型交-直-交变频器配合为推进系统供电并实现相应控制，变频器一般包括12脉冲、虚拟24脉冲、24脉冲和AFE等[7–9]。但交流系统也存在着设备多、所需空间大、控制复杂、电缆要求多等问题，随着电子技术的发展，可控整流及斩波逆变技术的进步，节能减排等要求的提高，直流电力推进系统又重新引起关注[10]，成为一种可供选择的电力系统型式。作为一项新兴的电力推进技术及可供选择的船舶动力系统配置方案，掌握该系统的优势、熟悉该系统在制定配置方案时应当注意的问题成为合理选择船舶动力系统的必要条件。

1 直流与交流电力推进系统对比

传统的交流电力推进系统由电站及其管理系统、配电系统、变频单元、控制管理系统、推进电机及推进器组成[5]。交流发电机组作为电站供电至交流主推进配电板，主配电板输出交流电至变压器及变频器，交流电在变频器内经过交-直-交的转变实现变频，并通过控制管理系统对变频器的控制输出相应频率的交流电至交流电动机以使电动机运行在合适的转速，交流电动机带动推进器（如螺旋桨）转动实现船舶推进功能，为船舶航行提供动力。

本文所述的直流电力推进系统方案与20世纪早期的直流发电机直接为全船供电方案不同，发电设备和负载设备仍采用交流模式。与交流电力推进系统的传统方案相比，该方案采用直流电力推进系统方式，将交流变频器中的交-直-交变化拆分，由交流发电机供电，直接通过整流单元将交流电整流为直流电后供至直流母排进行配电，直流母排通过逆变器输出交流电至船舶各用电负载，通过此种方式将交流系统中配电系统、变频单元、控制管理系统合并，将所有设备的组网侧从原有的发电机交流侧转移到直流侧，其方案演变示意图如图1所示[11]。

直流电力推进系统在设备成本上与配置AFE变频器的交流变频系统基本相同。所以，在成本相同的前提下，直流电力推进系统方案相比起传统交流电力推进系统具有以下优势：

1）油耗明细降低

由于采用变速柴油机方案，油耗在工况多变，需长时间在较低负荷工作的船舶相比传统交流电力推进系统方案有明显降低[12]，此油耗方面的优势已在EMS，ABB和Siemens公司大量实船应用中充分证明。对于E-MS的首艘应用直流电力推进系统的船舶MV Viking Legend（内河游轮、135 m长、189名乘客+50名船员、推进功率2×1 000 kW），其船东Viking公司在接受采访得出以下结论：相比起同等路线的可比船舶，节油率达到20%。ABB宣称其直流电力推进系统最高能够节油27%，动力定位条件下节油14%。

此外，针对传统机械传动普通电力推进及直流电力推进3种推进系统的效率进行对比，如表1所示。

表 1 动力系统相关设备的效率（额定工况下）Tab. 1 Efficiency of related equipment of marine power system (rated condition)

根据表1可得出以下结论：

① 直流电力推进从效率上优于普通电力推进，主要原因在于省去了变压器及配电盘，其额定工况下的损耗约为3%左右；

② 机械传动的额定效率要略优于电力推进传动，主要是由于省去了发电机、电动机、变频器等一系列设备，柴油机的效率是整个动力系统效率的决定性因素，当工况较多时，机械传动由于其自身配置限制，柴油机可能出现长时间偏离设计工况，反而实际油耗会更高。

2）大幅节约了设备的占地面积、体积和重量

直流与交流电推系统具体设备集成程度的对比如图2所示，由于直流电力推进系统相比交流系统降低了设备数量，并且提高了设备的集成度，设备占地面积及设备重量均有显著降低。这方面的优势在科考船、海工船以及其他特种船舶中变得尤为重要。

小水线面科考船在设计之初对交直流电力推进系统进行了对比分析，表2为交直流2种电力推进系统设备占地面积及重量的对比数据，经对比发现设备占地面积降低约47%，设备重量降低约50%。

3）电缆用量及相关工程量降低

由于降低了设备的数量，因此明显降低了系统的复杂度，减少了设备间的接口、连接电缆的数量（相比交流电力推进系统下降15%左右），同时降低了相关的施工成本及施工难度。

4）天然消除了整船范围的谐波及谐振风险

表 2 小水线面科考船交直流2种电力推进系统设备重量及占地面积的对比Tab. 2 Equipment weight and floor space comparison between AC and DC electric propulsion system

由于方案组网采用直流连接，因此在设备的谐波特性不会互相影响，也不会影响整船电网，因此系统在谐波、谐振方面的技术风险和施工风险都比传统方案明显降低。

5）和蓄电池等储能设备具备更好的兼容性

由于科考任务的复杂性，越来越多的科考船舶会在设计时探索静音工况下关闭柴油发电机组，采用储能设备短期保持船舶运行的可能。储能设备一般是以直流的型式完成对于能量的存储，因此直流电推系统相比于交流电推系统，需要更少的额外设备进行连接，具备更好的兼容性。以应用较为广泛的蓄电池储能为例，交流和直流的连接设备的原理如图3所示。交流系统需要变压器、正弦波滤波器和三相逆变器等设备，而直流电力推进系统仅需要一个直流斩波器即可实现和蓄电池的连接。

2 本船直流电力推进系统方案

本船是一艘钢质全焊接结构、变频调速电力推进、双推进电机、双轴系、双桨综合科学调查作业船。采用小水线面双体船型，具有双层连续甲板，左潜体首部设置侧推装置。本船航区为无限航区。本船主尺度如表3所示。

目前基于小水线面双体科考船的直流电力推进系统已经获得了中国船级社（CCS）的原则性认可，并且将成为国内首条采用直流电力推进系统的船舶。下面将结合本船的实际情况以及直流电力推进系统的设计进行分析和讨论。

表 3 小水线面双体型科考船主尺度Tab. 3 The principal dimensions of SWATH scientific research vessel

2.1 电力系统基本配置

考虑到停泊、全速运行、经济运行和科考定位调查等不同的工况，主柴油发电机组采用“两大两小”4台的配置结合不同的工况，由PMS决定发电机组的起动组合和转速控制。在并车控制上，传统的交流电力推进系统中发电机需同时满足电压相位相同、频率相同和幅值相同等条件后方可进行并车操作，并车后交流电力推进系统主要依靠发电机组柴油机之间调速器特性的匹配实现合理的负荷分配，在选择发电机组时需尽量选择功率相同的发电机组，若选择的2台发电机组功率不同，需注意大发电机组功率不得大于小发电机组功率的2.5～3倍，否则在负荷突变时需注意交流电力推进系统小机是否会出现因超载而跳闸的现象。由于直流电力推进系统系统取消了发电机之间直接并网的要求，而是通过变频器的控制实现并网，因此即便2组功率相差较大的发电机组，也可以实并网运行和负载分配。本船最终结合实际情况，选择了2台1 100 kW的发电机组和2台400 kW的发电机组。

本船的2个轴系分别采用1 000 kW的永磁电动机进行驱动。永磁电动机采用直驱的结构，运行转速为120 r/min，这样的配置取消了对齿轮箱的要求，可以极大地降低运行的噪声。本船还在船首配置了1台300 kW的侧推电机，在进出港以及动态定位的工况下运行。

根据本船船用电站的实际情况，选择了630 kVA的电站，和交流电力推进系统不同的是，直流电力推进系统从直流母线通过逆变器逆变成恒定的50 Hz输出。为了不超过5%的THD（谐波总失真）要求，逆变器的输出需要配置一个正弦波滤波器。相比于交流发电机组的直接输出电压，本船的电站输出波形没有低次谐波的困扰，波形质量更好。

整个直流母线被分为两部分，这两部分的直流母线在故障发生时，可以保持分开运行并且具备重新并联运行的能力。正常运行模式下，两部分的直流电网可以长期单独运行也可以长期并联运行。本船的单线图如图4所示。

2.2 直流电力推进系统系统的具体布置

小水线面双体科考船要求尽量节省船舶设备的空间和重量，以容纳更多的科考设备。因此在本船的具体布置上，充分考虑到了直流电力推进系统在节省设备体积方面的优势。另外，由于直流变频器集成了变频器和配电板的功能，因此一般布置在集控室内，可以方便相关人员的观察和操作。

本船在设计之初给出了2种集控室内直流变频器的布置方案，如图5所示。方案1集控室布置在主甲板FR53～FR68肋位之间的中间位置，在FR64肋位通过一道钢质舱壁将集控室分隔为前后两部分。集控台布置在集控室前部，直流变频器及日用配电板布置在集控室后部，直流变频器竖向布置。该方案的优点在于当值班轮机员进入集控室后部可直接同时观察直流变频器及日用配电板，便于集中监控管理，但此方案缺点是增大了集控室所需面积，集控室前部所占面积太小，且由于集控室后部长度过长，室内需增加2根支柱支撑以满足结构强度的需求，给直流变频器的摆放及维修也造成一定不便。方案2集控室布置在主甲板FR54～FR68肋位之间的中间位置，在FR61肋位通过一道钢质舱壁将集控室分隔为前后两部分。集控台及日用配电板布置在集控室前部，直流变频器布置在集控室后部，直流变频器横向布置。该方案的优点在于集控室所需面积较小，集控台与日用配电板集中监控管理，将噪声较大的直流变频器单独隔离管理，且由于直流变频器横向布置使前后部长度平均，无需在室内增加支柱，结构便利，此方案的缺点是直流变频器的横向布置会给直流变频器的监控管理及电缆的连接带来一定的麻烦。经多次与船东讨论后本船决定采用方案1作为本船集控室的布置方案，但方案2这种布置方式也可作为一种直流电力推进系统变频器的布置方案。

经过合理的设计，将最终得到的直流电力推进系统的重量和占地面积与传统的交流电力推进系统方案进行了比较，可以得到如表2所示的结果。从表中可看出，无论是体积还是重量，直流电力推进系统相对于交流电力推进系统而言，都得到了明显的提升。

2.3 尽量考虑遵循传统的使用习惯

由于直流电力推进变频器集成了配电板和变频器，因此不仅在布置上和传统方法有所不同，在实际设计的操作过程中也可能和传统的习惯有所出入。

首先，由于变频器不是安置在电动机旁边，因此需要一个额外的小机旁控制箱，以满足遥控系统发生故障时的操作以及部分就地测试工作。该机旁控制箱相对于变频器体积更为紧凑。

在遥控系统的设计上，也充分考虑了传统的操作习惯，从集控室完成整个系统的备车，从驾控台完成对船舶的驾驶操控。操控的位置可以在集控台、驾控台、动态定位系统和左右翼中间视优先级不同进行切换。由于直流电力推进系统系统集成了所有的发电设备、推进负载和船舶日用电负载，因此在控制上集成了功率管理系统（PMS）和推进管理系统（PCS），所以相对于传统的控制系统，取消了重载问询的要求，控制上的动态响应更好。

3 直流电力推进系统在实际应用中的注意事项

由于本文所述的直流电力推进系统还是一项比较新的技术，根据本船的设计经验，直流电力推进系统在选用及明确具体配置时还应注意一些事项。

3.1 发电机组柴油机的变速运行

虽然直流电力推进系统有别于传统交流电力系统的一大核心特点在于发电机组柴油机可以变速运行，在不同运行工况和不同负载条件下，选用变化的柴油机运行转速即可达到更好的节能效果。但通过本船的实际设计发现，是否选择变速及如何变速应根据所设计船舶的需要而定。

1）柴油机是否一定需要变速。直流电力推进系统所述关于发电机组柴油机变速节能的优势仅存在于柴油机偏离额定工况，在低负荷及机动工况下长期运行时，通过采用此种方式可在相应的低负荷下通过改变柴油机转速找到一个低油耗的运行工况点运行以提高柴油机经济性，当发电机组柴油机运行在额定工况附近时与定速发电机组油耗基本无差别。而电力推进系统本身即具有节省燃油，提高经济性的优势，可根据船舶电量负荷的需求灵活决定并入船舶电网的发电机组台数，使发电机组柴油机一直运行在额定工况附近，提高柴油机经济性[13]。以本船为例，作为一艘科考船，绝大部分工况固定，在设计之初即已根据各工况需要配置发电机组使其在各工况皆运行于额定工况附近达到节能的目的，即使存在其他机动工况或低负荷工况，运行时间有限，是否采用变速柴油机对油耗影响不大。所以是否采用变速柴油机需根据船舶实际使用需求来决定，对于工况较多较复杂，需要在低负荷下长期运行的海工船及其他特种船舶，采用直流电力推进系统配置变速柴油机发电相比交流系统在油耗上具有明显优势，但在工况较为固定的船舶上，是否变速油耗差别并不明显。

2）柴油机如何变速。目前船舶柴油机仅存在2种型式，一种是以螺旋桨推进特性为基础设计的柴油机，一种是以负荷特性为基础设计的柴油机，前者一般作为主推进柴油机驱动螺旋桨使用，柴油机可变速，设计时尽量使其在转速与功率成三次方的各点上有较好的运行工况，后者一般作为发电机组柴油机使用，柴油机定速，设计时仅追求柴油机在该设定转速下效率最高。若直流电力推进系统采用变速柴油机，则柴油机不能选用以负荷特性为基础设计的发电机组用定速柴油机，本船虽根据变速需要选择可变速运行推进用柴油机，但其设计工况与直流电力推进系统变速柴油机所需要的运行工况还有很大的出入，因此，研制开发与直流电力推进系统相匹配的，可以在各工况下有较低油耗的变速柴油机是该系统需要改进的方向。

3.2 变频器布置的注意事项

直流电力推进系统将交流系统中的配电系统、变频系统及控制系统进行了集成，并通过直流变频器实现这些功能。当直流变频器取代交流系统中的主推进配电板布置在集控室中时应注意该以下变化对传统集控室布置带来的影响：

1）对于布置空间，虽然从总体来看直流电力推进系统节省了各套系统分别布置所需的空间，但需注意的是功能的集成必然导致直流变频器比交流系统中主推进配电板的外形尺寸要大，需注意应根据需要适当增加集控室的面积；

2）对于维修空间来说，交流系统中主配电板前后一般各留出600 mm的距离即可满足维修需要，但直流变频器系统的前方及左右两侧需留出约1 000 mm的维修空间以满足内部元件维修、拆卸、更换的需求；

3）对于噪声，一般相应标准和规范规定集控室内空气噪声不得高于75 dB（A），但直流变频器的空气噪声约为85 dB（A），在集控室内需对直流变频器进行隔离以满足空气噪声的相关要求。

4 结 语

综上所述，直流电力推进系统因其具有在低负荷、变工况下油耗明显降低、系统集成度高，大大降低装船设备重量及所需占地面积、电缆用量及相关工程量降低、谐波谐振低等显著优势，必然成为船舶综合电力系统的未来发展趋势之一，尤其在低压特种船舶领域将会得到广泛应用。在直流电力推进系统的配置及设计中，应考虑柴油机起动、并车、制动电阻配置及可变速运行等方面所具备的特点，为主推进系统各设备的配置提供更多可能性；同时应注意发电机组是否配置变速柴油机、设备布置与交流系统的区别等问题。此外，直流电力推进系统仍存在很大的提升空间，现阶段研制开发与直流电力推进系统相匹配的变速柴油机、制定相关的规范标准都是该系统的重要发展方向。

[ 1 ]刘志兵, 梅春. 我国海洋科考船的电力推进动力系统[J]. 柴油机, 2013, 35(6): 1–4.

[ 2 ]张浩, 黎波, 黄青. 海洋科考船动力系统的发展方向—电力推进系统[J]. 舰船科学技术, 2014, 36(S): 56–59.

[ 3 ]倪凤燕, 王硕丰, 王良秀. 科考船电力推进系统集成设计[C]//二〇一五年中国国际海事技术学术会议和展览会海洋工程装备与船舶配套设备技术研讨会论文集, 2015: 87–94.

[ 4 ]Hans-Juergen Reuss. New solutions for electric ship propulsion[J]. Maritime Reporter and Engineering News, 2014, 11: 24–28.

[ 5 ]HANSEN J F. The onboard DC grid: new design for marine power and propulsion systems[J]. (mt) Marine Technology, 2013.

[ 6 ]葛纬桢. “实验1”号科考船设计研究[J]. 舰船科学技术, 2014, 36(S): 32–42.

[ 7 ]孙玉良. 有源前段变频器在船舶电力推进中的应用[J]. 上海造船, 2009, 78(2): 30–32.

[ 8 ]郭燚, 李硕, 许慧敏, 等. AFE变频器在船舶电力推进电机控制中的应用[J]. 上海造船, 2009, 78(2): 30–32.

[ 9 ]李勇. 舰船电力推进大功率变频器分析[J]. 中国航海, 2011, 34(2): 41–45.

[10]童正军. 民用船舶直流电网发展现状分析[J]. 船舶工程, 2014, 36: 104–106.

[11]徐硕, 乌云翔. 船用直流电力推进系统技术比较[J]. 中国舰船研究, 2016, (7): 60–63.

[12]Hans-Juergen Reuss. Electric ship propulsion[J]. Electric & Hybrid Marine Technology International, 2014, (4): 110–111.

[13]陈家金, 王和平. 船舶电力推进系统的发展[J]. 世界海运, 2006, 29(4): 9–11.

Application and research of DC electric propulsion to the SWATH scientific research vessel

LI Hong-rui1, XIONG Liang-sheng2, SHAO Shi-yi3
(1. Shanghai Branch, China Ship Scientific Research Center, Shanghai 200011, China; 2. Tehe Ocean Technology Group Limited, Shanghai 200000, China; 3. Beijing CSE Electrical Technology Group Limited, Beijing 100097, China)

The DC electric propulsion system, as a new electric propulsion technology, is one of the hot topics in current research. At present, the advantages of the DC electric propulsion system have been gradually understood, and how to choose the appropriate electric propulsion system according to the specific use, cost, economy, space and other factors in the new ship design should be under investigation. This paper compares the DC and AC electric propulsion system. From the perspective of practical application, taking the design of “SWATH type scientific research vessel” as an example, the DC propulsion system solution of this ship is introduced. Furthermore, the merits and problems that need attention are analyzed. The results show that the DC electric propulsion system has obvious advantages in space, fuel consumption and other aspects. With the development of this technology, the DC electric propulsion system will be widely used in the field of low voltage and special purpose ship.

direct current grid；electric propulsion system；SWATH；scientific research vessel

U664.14

A

1672 – 7649(2017)08 – 0085 – 06

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.08.018

2016 – 11 – 30

李鸿瑞(1990 – )，男，硕士，助理工程师，研究方向为船舶轮机设计。