直流电站电力推进系统在小水线面双体科考船中的应用

李明刚，袁 毓

直流电站电力推进系统在小水线面双体科考船中的应用

李明刚，袁 毓

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

某型小水线面双体科考船是国内大型科考船之一，该船建造项目属于国家重点工程项目，本文详细介绍了直流电站电力推进系统在小水线面双体科考船上的应用。通过典型方案的比对，表明了所选方案的先进性与可靠性，具有一定的工程实践指导作用。

直流电站电力推进系统 小水线面双体科考船

0 引言

某型小水线面双体试验船是是目前批复建设吨位最大的小水线面双体试验船，对配置的船舶综合电力推进系统[1]的先进性、可靠性等有很高要求。

该船综合电力推进系统基本组成如下：

1）主推进功率：2×3.2MW

2）侧推进功率：2×1000kW

3）日用负荷供电：1100kW/3AC380V/50Hz

4）大型甲板机械：2×300kW

5）DP1级动力定位系统

针对上述要求，我们通过对目前主流的电力推进系统拓扑型式进行对比论证后，给出适合该船的系统型式。

1 方案论证

本船推进功率较大，单轴推进功率达到3.2MW以上。从推进电机来说，该功率等级上中压及低压推进电机都可以选用，因此本方案论证的重点在于系统型式，并根据系统型式确定采用何种电压等级。

目前可用于本船的电力推进系统有三种型式：

1） 交流DFE型式的电力推进系统

2） 交流AFE型式的电力推进系统

3） 直流电站型式的电力推进系统[2,3]

1.1交流DFE电力推进系统

交流DFE电力推进系统是当前船舶电力推进系统广泛采用的技术方案，其前端采用不控整流器件，其典型系统拓扑如图1所示。

交流DFE型式电力推进系统的显著特点是推进支路上具有整流变压器，用于实现电压匹配及降低电网谐波。该系统从上世纪80年代应用到现在，有接近40年的历史，技术极为成熟，也是目前大多数电力推进船舶的常用系统。DFE型式电力推进系统主要缺点是具有整流变压器，体积较大，同时由于螺旋桨制动能量无法回馈，需要配置大型的制动电阻耗散螺旋桨回馈能量。

图1 交流DFE电力推进系统拓扑图

1.2 交流AFE电力推进系统

随着技术的进步，AFE前端变频技术越来越成熟，采用交流AFE型式的电力推进系统也逐步得到推广应用，其典型系统拓扑如图2所示。

图2 交流AFE电力推进系统拓扑图

交流AFE型式的电力推进系统显著的特点是采用有源整流前端（即AFE前端）的推进变频器，不再需要庞大的整流变压器，由于同容量AFE变频器与DFE变频器体积重量差别不大，因此AFE型式的电力推进系统比DFE型式电力推进系统设备数量少，总体体积更小，重量更轻。但交流AFE型式的系统由于采用了有源整流前端，对船体地容易产生高频共模干扰，在低压系统中共模干扰影响较小，但中压系统的影响则不容忽视，因此AFE型式电力推进系统主要用于低压系统中，在中压电力推进船舶中应用较少。

1.3 直流电站电力推进系统

随着电力电子技术的发展，直流电站型式的电力推进系统倍受关注[4,5]。该系统的应用，具有节能减排、节省舱室空间、电源品质优秀等特点。其典型系统拓扑图如图3所示。

图3 直流电站电力推进系统拓扑图

直流电站型式的电力推进系统主要特点是全船主干电网采用直流电制，发电机组整流供电，所有设备从直流电网上取电，通过逆变或变频后供电。直流电站电力推进系统中，虽然主干电网采用直流电制，但系统中主发电机组仍然为交流发电机组，推进电机仍然为交流推进电机，日用负荷依然为常规的交流负载，因此对船舶系统外部设备影响较小，具体说明如下：

1）变速发电，节能减排。采用变速发电技术，提高柴油机低工况下的燃油经济性，有效地弥补了交流DFE及AFE系统中机组低工况下油耗激增的缺点；

2）节省舱室空间，减小重量。AFE系统一样，没有庞大的整流变压器，2种系统从总体积重量上差别不大，而且目前主流的直流电站系统将整流、逆变及配电保护集成为一体，比AFE型式的系统进一步减少了设备数量，有效的简化了舱室及电缆布置；

3）电站稳定性更好。动力系统的主发电机组仍然为交流发电机组，发电机组整流后给直流主电网供电，多台发电机组可并联运行。由于发电机组整流后在直流电网侧并联，只需要对电压进行控制，对机组频率的敏感程度下降，因此更容易实现机组的并联运行，机组并网快速性及运行稳定性更好，而且发电机组不会出现逆功状态。

4）日用负荷电源品质更好。直流电站电力推进系统对日用负荷电制没有特殊要求，逆变电源将直流电网逆变成三相交流后供电，供电电源品质更好，不再受DFE系统中主发电机组谐波干扰或AFE系统中高频共模干扰。

综上所述，3种型式的电力推进系统均可在本船上应用，以下将分别进行说明。

2 三种系统方案对比

2.1 交流方案

国内外标准的船用交流电制主要有AC690V、AC6600V两种。如果选用交流电制，必须选用3×2940kW+1×1960kW机组，才能满足定位工况负荷要求，本船电力系统容量接近11MW，单段母线容量接近6MW，最大单发电机容量为3MW，如果选用AC690V电制，发电机断路器应选择4000A档，母联断路器应选择6300A档，估算系统最大短路电流至少达到120kA，峰值短路电流达到183kA，基本接近低压断路器的极限，不利于系统安全性，而且配电板体积重量将十分巨大。因此如果选用交流系统，则主干电网系统建议采用中压电制，主要有以下三种方案：

1）6600V中压电网+中压DFE推进方案；

2）6600V中压电网+低压DFE推进方案；

3）中压电网+AFE推进方案。

2.1.1 6600 V中压电网+中压DFE推进方案

图4 中压DFE方案单线图

如图4所示，系统电网由3台2940 kW及1台1960 kW交流发电机组供电，电压为3AC6600 V/50 Hz，系统主推采用中压推进电机及配套的中压DFE变频器。另外，日用电网上还配有1台800 kW的停泊发电机组。

2.1.2 6600 V中压电网+低压DFE推进方案

如图5所示，系统电网由3台2940kW及1台1960kW交流发电机组供电，电压为3AC6600V/50Hz，系统主推采用低压推进电机及配套的低压DFE变频器。另外，日用电网上还配有1台800kW的停泊发电机组。本方案与前述方案类似，不同只是整流变压器副边电压，主推变频器及主推电机。

图5 低压DFE方案单线图

2.1.3 6600 V中压电网+AFE推进方案

考虑到主电网电制标准性及应用的广泛性，中压等级首选AC6600V，如果主干电网采用AC6600V中压电制，受限于功率器件的电压，目前最高的电压源型AFE变频器只能到AC4160V，无法匹配AC6600V电网，目前只有美国AB公司有一款AC6600V电流源型变频器，但无法驱动永磁电机，因此当电网采用AC6600V标准电制时，无法选用合适的AFE变频器匹配电网电压，如果增加变压器进行电压匹配，那么与DFE系统相比不在具有任何优势，反而增加了建造成本。另一种办法是主干电网选用非标或者较少使用电制，如AC4160V或AC3300V等电制，再配合AFE变频器使用，但非标或者较少使用电制影响了全船设计及设备选取。

由于中压AFE方式存在设备选型困难，同时中压电压源型AFE变频器在船舶应用经验很少，后期可能带来电磁兼容性上的风险，因此该方案缺少实际工程应用经验，实践性较差，。

2.2 直流方案

目前具有实船业绩的直流电站系统只有低压系统方案，直流电制为DC1000V。低压1000V等级的直流系统最大实船电网容量已超过18MW，远大于低压交流系统。

采用直流方案后可实现停泊发电机组与主发电机组的长期稳定并联运行，因此可以进一步降低主发电机组的容量，可以采用2台2940kW及2台1960kW主发电机组，800kW的停泊发电机组不变，就可以满足系统需求，有效的降低了系统造价，减小了系统重量。直流方案如图6所示。

图6 直流方案单线图

本方案所有的整流装置、变频驱动装置及逆变电源装置均集成到一个直流主配电板中，对外直接连接发电机、推进电机及日用变压器，系统较为简洁。由于全部设备共用直流母线，因此不需要配置庞大的整流变压器，也不需要配置较大的制动电阻。由于逆变电源采用先进的控制算法，因此逆变电源与停泊发电机组可长期并联，并实现能量的双向流动，等效于全船实现了一个灵活的交直流混合电网。

2.3 方案对比

上述几种可行方案的主要对比如下所示：

系统方案6600 V中压DFE方案6600 V低压DFE方案直流电站方案 对比内容电网电压等级中压中压低压 对船员要求高高低 成熟度高高高 设备数量多，29台套/船多，29台套/船少，15台套/船 综合油耗高高低 系统稳定性一般一般高 设备总重量约414.1吨约414.6吨约337.2吨 设备体积大大小

3 小结

由前述分析可知，直流电站电力推进系统系统的特点主要包括：

1）对于科考船，直流电站系统中变速发电技术可有效降低燃油消耗率，节省营运成本，通常会存在在非设计工况下运行的情况（如低速航行时），变速发电技术可实时降低机组单位油耗，动态节能，具有补齐了交流系统中能量管理系统的短板之作用；

2）直流电站电力推进系统设备占用更少的舱室间，总重量更低，优化了科考船总体布置，有利于搭载更为丰富的实验测试装备；

3）电力推进船舶中，电网为全船所有设备供电，电网的稳定性对全船航行安全十分重要，采用直流电站电力推进系统有效的提高了科考船电力系统的安全性；

4）由于直流电站电力推进系统的日用负荷电源品质更好，相比交流电力推进系统，可以确保实验仪器设备不受推进系统谐波干扰。

综上所述，直流电站方案具有更多的优点，更适合于小水线面船型，因此推荐本船动力系统选用直流电站系统方案。

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Application of Electric Propulsion System with DC Power Station to Small Water-plane-area Twin Research Ship

Li Minggang, Yuan Yu

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TH311

A

1003-4862（2019）06-0004-04

2019-03-20

李明刚（1986-），男，工程师。研究方向：控制工程。E-mail: 18040510963@163.com