ABB船载直流电网系统浅析

张志旺 曹 莉

（上海ABB工程有限公司 上海201319）

引 言

船载直流电网，因其高效等诸多优点，各大供应商竞相提供了不同的方案以供客户来选择。早在2013年ABB船载直流电网技术就已经获得美国休斯顿国际石油石化天然气展（OTC）创新技术奖。ABB船载直流电网是高能效的配电、自动化电力推进系统，能显著降低能源消耗和排放，明显减轻电气设备质量、减少电气设备占地面积。不同于传统的交流电力推进系统， ABB通过船载直流电网连接和输配电，显著节省了船舶电能消耗、优化了推进性能。在船载直流电网应用中，发电机组不再以固定的转速运行，发电机组原动机的转速可根据系统负载的不同而调整到最佳能源消耗点运行，最高节能达27%［1］。同时，相对于传统电力推进系统，船载直流电网系统可以省去移相变压器和主配电板，减少船上设备总重及安装空间达30%左右，能够为船舶提供更多的储货空间，扩大工作区域，可以更灵活地配置、安装船舶设备。不仅如此，船载直流电网还是个开放的系统，还能实现不同能源的接入（如功率电池、燃料电池、太阳能板可直接连接至船用直流电力系统中），从而实现更多的能源节省。

1 船载直流电网的构成

可以简单地将船载直流电网看成是我们熟悉的直流多传动的延伸。相比于通常的直流多传动，船载直流电网变频驱动的所有推进器的功率大约占了整艘船电站功率的80%。直流多传动的这一延伸应用可为用户带来众多优点：首先，我们仍然可使用在交流推进系统中已经成熟应用的交流发电机、变频器模块、交流电动机等；其次，不再需要交流电力推进系统中的交流主配电板和移相变压器（如图1和图2）［2］，这将使客户拥有最灵活的电站和推进系统。

1.1 船载直流电网的两种典型拓扑结构

实际项目中，根据各个推进器的分布情况以及各个推进器的功率情况，船载直流电网有两种主要的系统形式：集中式系统（图3）和分布式系统（下页图 4）［1］。

图1 传统交流电力推进系统

图2 船载直流电网系统

图3 集中式船载直流电网系统

图4 分布式船载直流电网系统

实际项目应用中也可以有两种系统的组合。在集中式系统中，所有的变频器模块（整流、逆变、LCL滤波器、斩波器、直流断路器、隔离开关）如同交流配电板一样都集中在同一个柜体内。在分布式系统中，每个变频器模块将就近布置在交流设备的附件；整流模块布置在交流发电机的附件。在一些项目中，如果发电机的容量不太大，也可以将整流设备集成在发电机的冷却单元中，与冷却单元共用一个机械外壳。如发电机功率比较大，则需要的整流模块的功率也比较大时，整流单元就需要单独布置放在一个独立的外壳中。逆变模块将就近布置在推进马达的附件。关于分布式系统，既可以使用线缆，也可以使用直流母排输送电能［3］。当输送的功率较大、大功率设备比较分散时，使用直流母线是一种很好的工程方法。

1.2 船载直流电网的保护及选择性

在省去交流配电板的同时，也省略了交流断路器和保护继电器。那么，对于船载直流电网系统来说是如何来满足系统的选择性和设备的保护呢？ABB船载直流电网对直流母排进行了逻辑功能分割，不同功能的分段分别称为“DC Link”和“DC Grid”。在DC Link区域内的保护是通过快速熔断器来完成的，这里的故障通常会在1 ms之内完成。这个区域的保护将通过熔断器选择性分析来证明，确保熔断器能有选择地清除故障并断开故障段。DC Grid分段内的保护是基于对短路电流有贡献的电源的限制以及DC Grid分段内的直流断路器。

2 船载直流电网的优点

2.1 安全可靠

ABB船载直流电网的保护和选择性是通过快速熔断器、半导体功率器件的受控关断以及母联直流断路器来联合实现的。船载直流电网故障电流的截堵速度比传统的带有保护继电器的断路器的速度要快得多，因而对系统的保护更高效、安全、可靠。

2.2 高 效

传统交流推进系统对电网的电压和频率有很苛刻的要求，船级社对这两个参数都给出了具体的严格限制。基于此，发电机组中的柴油机就被要求以同步转速运行，但需根据负载的要求输出不同的功率，从而大大牺牲了发电机效率（见图5和图6）。而对于某些船舶（比如多功能海上支援船PSV/平台供应船OSV），当DP作业时，相当长的时间内要求推进器低负荷（比如推进电动机的30%的额定功率）运行、从而也要求发电机以较低的负荷率（20%左右）运行，某些情况下的发电机带载率甚至仅为15%左右。比如在母联断开的DP工况下，为了能持续保持定位功能，即使多台发电机都以极低的效率运行，也不能为了提高一台发电机的效率而停止另一台发电机。这就使多台发电机组都以很低的负荷率长时间运行，从而导致传统交流电力推进系统中的发电机组的效率很低。

图5 柴油机不同负荷率下的耗油率

图6 柴油机变速情况下不同负荷率下的燃油的节省率

船载直流电网可以高效地解决这个问题：首先，相比于交流电力推进系统可以使在网发电机的数量减少；其次，如果发电机的负荷率比较低，可以降低柴油机的转速，让柴油机仍然工作在效率较高工作区域。

2.3 质量轻、占地少

船载直流电网另一个显而易见的优点就是可以减轻质量，减少在船上设备的占地空间。随着船型不同以及工况要求不同，减少的空间和质量是有变化的。下页表1为一个PSV的对比表格［1］，该设备质量较传统的交流电力推进减轻约26%。

表1只给出了设备本身的对比。此外，船载直流电网效率的提高也有效节省了燃油，这意味着可以减少船舶的储油量，也即增加了船舶的有效空间。

2.4 开放、灵活

船载直流电网是一个开放、灵活的系统。这个系统可以将不同形式的能源都集成在同一个平台上（如柴油机、燃气机、双燃料机，燃料电池、超级电容和功率电池等）。用户可以根据不同的燃料价格水平、能源的可用性以及各个国家的法规要求选择不同的燃料型式。

表1 PSV传统交流电推系统与船载直流电网的质量比较kg

3 船载直流电网中枢——功率能量管理系统（PEMS）

ABB PEMS的主要目的是确保用电设备有足够可用的功率。PEMS包含了所有必要的功能用来遥控电能的产生和分配。ABB PEMS通过不同层次的硬件及软件来实现不同层次的功能，这些不同层次的控制硬件对不同的设备（产生电能的发电机、控制电能流向的整流器、隔离开关、断路器等）根据系统工艺的使用要求进行控制。不同的控制硬件通过工业以太网联络成一个完整的网络平台。柴油发电机通常以额定的转速运行，但速度的设定点是可以调整的，柴油机速度设定点可以根据电气负载来调整而使发电机维持在一个优化的水平高效运行。PEMS通过AVR控制直流电压水平，直流电压的电压降特性［4］确保了负载在并联运行的发电机中分配。

相比于传统的PMS，ABB PEMS充分应用了当今的数字化技术，在PEMS网络中有大量的数据在交互，通过对这些大量数据的分析计算，而使整个电网完全成为一个客户定制化的智能电网。

4 船载直流电网实船应用情况

应用ABB第一艘全套船载直流电网系统的是隶属于船东Myklebusthaug的一艘平台供应船（见图7），如今该船已经成功应用多年。

图7 Dian Star PSV船

该船基本参数如下：

船名：Dian Star

船型：OSV/PSV（多功能海上支援船/平台供应船）

设计：MT6015 MPSV

船厂：Kleven Yard BN357

交付时间：2013年

船级社及入级符号：DNV DP2 Closed， ERN 99 99 99 99

船东：Myklebusthaug Management AS

船体总长LOA：93.80 m

宽度B：20 m

总登记吨位GRT：4 826 t

航速：15 kn

该PSV共有5个推进器。T1、T2： 管隧式推进器 ；0～925 kW ； CPP ； 0～1 200 r/min。T3： 全回转推进器 ； 0～880 kW ； 0～1 791 r/min。T4、T5： 主推进，全回转推进器 ： 0～2 200 kW ； 0～1 200 r/min。5 台发电机：4×2 240 kW， 1×920 kW；1 200～1 800 r/min。各个推进器和发电机的逻辑布置见图8。

图8 推进器及发电机

表2是这艘船一年的运行工况表，为便于比较，也列出常规交流电力推进系统使用燃油的情况。

由表中数据可以看出，该船一年34%的工况下处于DP工作模式，在这种模式下可以节省大量燃油。相比于传统交流推进系统，这样不仅每年可节省约13.1%的燃油（约361 t），并且可减少CO2排放约1 150 t，具有良好的运行经济性和社会环保性。

表2 PSV一年运行数据

5 结 语

ABB船载直流电网是一种安全、高效、开放的电力系统，对于工况多变的船舶是一种很好的选择，可应用于配有低压船载电力系统的船舶，如海洋工程船、拖船、渡轮、游艇、科考船、近海及内河小型船等。