海洋工程船交流变频调速电力推进方案

徐以亮，崔利梅，石 密

(1.中海油田服务股份有限公司 天津300450；2.天津新港船舶重工有限责任公司 天津300456)

0 引 言

我国海洋工程船始于20世纪70年代，按照中华人民共和国交通运输部《老旧运输船舶管理规定》，到本世纪初这批船舶已经达到报废期。随着船舶推进技术的发展，海洋工程船舶由传统直推方式逐渐向电力推进方式发展，即采用由柴油机驱动的发电机组成电站，通过配电系统为驱动螺旋桨的电动机提供电能。近十几年，交流变频调速电力推进方案在海洋工程领域应用迅速，该方案得到众多船公司和使用方的认可和赞同，特别是配置有动力定位系统(Dynamic Positioning System)的电力推进船舶已经成为主作业船。

目前，国际上电力推进设备供应商较多，电力推进方案也较多，船东很难对各家的方案都有较为全面的了解。同时，由于电力推进方案的好坏将直接影响船舶投入后的安全运行和作业效率，因此，如何选取最佳电力推进方案是各方急需解决的问题。

1 交流变频调速电力推进技术介绍

变频电力推进技术的关键是变频控制，变频控制是通过信号处理技术改变输入到电动机的工作电源的频率和幅值，从而实现对电动机的调速控制和扭矩控制。目前，海洋工程船舶上使用的主流调速方案是交流变频调速，交流变频调速系统主要由：三绕组移相变压器(AFE变频系统不需要)、变频器(由整流器、电容单元、逆变器、冷却单元、控制单元等组成)、制动单元(根据需要)、推进电动机(鼠笼式交流异步感应电动机)组成。流程见图1。

图1 推进流程图Fig.1 Propulsion system

2 交流变频调速电力推进方案研究

2.1 方案一：以SIEMES和ABB公司为代表的系统

SIEMENS和 ABB的大型变频器的整流单元采用二极管整流桥，两家公司在变频控制软件方面有所不同，各有其独特的技术和特点。典型单线图如图2所示。

根据变频器输入电源的不同，分为 6脉冲变频器、12脉冲变频器、虚拟24脉冲变频器和24脉冲变频器等；根据变频器输入电压等级的不同，可以分为低压变频系统(690,V)和中压变频系统(3,300,V、6,600,V等)，更高电压等级在工程船舶领域较少应用。根据变频器的冷却方式不同，可以分为水冷变频器和风冷变频器。

随脉冲数量的增加，单台套变频器内部元器件数量增加、类型增多，控制软件会更复杂，进而单台套设备的价格也越来越高，但整体谐波值会降低。

图2 12脉冲单线图Fig.2 Pulse single line diagram

低压系统和中压系统的主要设备在数量上一致，由于耐压等级的不同，其制造工艺、原材料、元器件的要求不同，导致中压系统的整体成本较高，但中压系统的设备尺寸和重量普遍较低压系统略小。中压系统对变频器所处的环境洁净度、变频器冷却水等要求都较高，船舶在建造时需要对中压系统进行专门的中压电缆接线工艺培训、中压电缆耐压实验，船舶交船后的相关操作人员需经过专业的培训。

目前，船舶推进电动机功率普遍较大，变频器自身发热较多，闭式循环淡水冷却系统凭其良好的冷却效果、较低的环境噪音而成为主流的选择。同时，为保证变频器安全，建议选择一用一备的冗余冷却循环泵方案。

根据以上分析，对不同脉冲方案的简单比较见表1所示。

表1 不同方案单套变频系统比较表Tab.1 Comparison of different schemes of single set frequency conversion systems

使用经验：①如果变频方案已选定，为了降低谐波只能配置谐波滤波器。②变频系统的电力电缆必需为变频专用电缆，非常规电力电缆。③变频器内元器件属于高精密电子元器件，存放和施工期间必须做好防护，否则故障频发。④在系统设计和施工工艺上，要注意电磁干扰。⑤此方案既有低压又有中高压，在配置上较灵活。

2.2 方案二：以Rolls-Royce公司为代表的系统

Rolls-Royce公司变频器的整流单元为 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)绝缘栅双极型晶体管，称为AFE(Active Front End)有源前端变频器，输入电压从AC 380,V到AC 690,V。SIEMENS和ABB公司此类型变频器的功率约 1,500,kW 以下。根据调研，此类型变频器目前无中高压类型。典型单线图如图3所示。

图3 AFE单线图Fig.3 AFE single line diagram

其主要优势有：①与方案一相比，谐波控制较好，谐波值(THD)低，不需要另设独立的滤波器。②与方案一相比，无移相变压器，既减少了安装、设备基座和钢材工作量，也减少了整体的重量(平均每个推进系统减少约 6,t左右)。③与方案一相比，无移相变压器，节省空间，平均每个推进系统可减少 10～12,m3空间的占用。

但是与其他变频方案相比，其主要缺点有：①对电网有反馈，影响到配电板短路电流计算值。②整流单元和逆变单元为 IGBT，输出端有故障时，可能会导致整流和逆变都故障。

2.3 方案三：以WARTSILA公司为代表的系统

瓦锡兰(WARTSILA)公司在 2006年收购了Aker Kevrner公司后，推广其专利产品 LLC(Low Loss Concept)变频方案(单线图见图4)。此方案与船舶配电系统相组合，系统架构上与上述方案一和方案二存在较大差别，目前以低压 690,V为主，中压方案目前应用较少，至少在国内未见中压方案的应用。

图4 LLC单线图Fig.4 LLC single line diagram

每个推进系统无需单独移相变压器，连接两段配电板的 LLC变压器起到移相作用。每个推进系统的变频器都平均从两段主配电板供电，常规运行时几乎是无电流流过LLC变压器。

其主要优势有：①变频器电源由两段配电板供应，系统冗余度高。②配电板被分成 4段，在一定程度上增加了操作灵活性和可用性。③采用 4段配电板母排设计，降低了配电板的短路电流等级。主断路器可选低分断能力型号，既提高操作安全性又降低采购成本。④无需配置相对较多的三绕组移相变压器，减少重量，节省空间。⑤可用 LLC变压器取代 AC 380,V日用变压器，减少了重量，节省空间。

缺点有：①变频器电源由两段配电板供应，主开关数量增加，操作上稍显复杂。②从电气原理上分析，认为电压谐波较上述两种方案会稍高。③施工工艺和电缆选择与上述两种方案有别，有特殊要求。④国外有一些实船使用，但国内未有应用，可借鉴经验较少。

3 结 论

本文所述的 3个方案属于目前海洋工程船交流变频调速电力推进方案中成熟、先进的典型，能为相关方在前期技术方案的决策、设备选型、船舶建造等方面提供指导和帮助。在 2011年交付深水工程勘察船、2014年交付深水 12缆物探船，两型海洋工程船都使用了 2.1方案一的电力推进方案，船舶交付前实测谐波值分别小于 5%,和 2%，大大优于船级社的要求。船舶在交付后为公司创造了很好的经济效益。

海洋工程船交流变频调速电力推进方案的最终确定还受诸多方面的影响，每个项目应结合自身总投资情况、船东公司目前在用船舶的电力推进方案情况等选择适合的最优方案。