直流电网在大型船舶中的发展趋势

乐春阳

(中国船舶电站设备有限公司， 上海 200129)

0 引 言

早期的船舶电网(电力系统)采用直流电制。中国于1958年才开始逐步由直流电制转换到交流电制。当初的转换主要有2个原因：直流电机在结构上固有的局限无法克服；直流变流技术难以满足需要。

然而，随着交流电网技术的应用和发展，其固有矛盾也越来越显现：(1)接入电网的所有电机必须有足够的阻尼以减少干扰谐波，而且接入电网的所有发电机必须严格同步，其特性必须匹配；(2)无功功率是电网中不容忽视的问题，直接影响到电网的品质、电网电压及其损耗，今后电网容量发展将越来越大，无功功率的治理更显突出[1]；(3)现在的电力推进系统、侧推装置、起重设备、锚绞设备等大功率电力拖动设备都采用变频驱动装置。在交流电网中，变频器先把交流整流成直流，再把直流转换成频率可变的交流。每个装置都需要一套整流单元。变频器几乎占电站容量的80%以上。

目前的大功率电子技术已成熟地应用于各种电源变换器上，如交流/直流(AC/DC)、直流/交流(DC/AC)、直流/直流(DC/DC)、交流/交流(AC/AC)。在船舶上再次使用直流电网将成为一种可能。

从船舶动力的发展阶段来看：第一次工业革命，19世纪初，蒸汽机逐渐取代人力、风力作为船舶动力；第二次工业革命，20世纪中叶以来，内燃机、燃气轮机、核动力汽轮机逐步发展成熟并被应用于船舶动力；第三次工业革命，综合电力系统应用于船舶动力，即电力推进。

电力推进的特点：一是用电力(发电机)将原动机(这里指柴油机)的能量传输给推进器(螺旋桨)；二是节省燃油，减少对环境的污染排放；三是主要根据运行需要决定投入发电机组的数量。

船舶电力推进完全采用直流电的历史可以追溯到19世纪。从20世纪70年代开始使用交流配电和直流驱动的电力推进方式。20世纪80年代引入了第二代交流传动的电力推进，向成本效率和可靠性迈进了一大步。20世纪90年代第三代吊舱式推进器进入市场。2000年后逐步优化。目前，推出船舶直流电网系统。

1 船舶直流电网的基本构成

船舶直流电网的基本构成：电源、变电环节、配电以及用户。

电源可以是交流，例如交流旋转发电机，也可以是直流，例如蓄电池、太阳能电池、燃料电池等。交流电源可通过整流进入直流电网，直流电源可通过逆变进入交流电网。

用户可以是交流，例如感应电动机，也可以是直流，例如交流电动机的变频调速设备。

如图1所示，直流电网的一侧是各种供电电源，另一侧是用户，控制系统控制电源的接入和用户的使用。直流电网基于现有的电源和用户：电源有旋转发电机、燃料电池、蓄电池、太阳能电池等；用户有吊舱式推进器、各种侧推推进器等。未来可以接入新型能源和推进器。

图1 直流电网的电源和用户

直流电网的电源并联操作和运行以及输电稳定性都优于交流。过去由于直流电网中不同电压的电源要变换成同一电网同一电压很困难，直流电动机还存在碳刷、整流子结构复杂等问题，因此被交流电网所替代。目前，随着大功率电子器件和逆变技术的发展，解决了交直流电之间的转换，变频调速解决了交流电动机的调速问题，同时为将来使用新型电源和新型大功率推进器作准备。

2 船舶直流电网的配置演变

早期的船舶电网是直流的，之后演变成交流的。目前又提出在大功率电力拖动负载(如电力推进和电力侧推器等)的船舶上采用直流电网。演变的理念如图2所示。图2a)是船舶的交流电网配置。交流发电机G是电源，向主配电板的交流母线供电，供电断路器为Q1。向母线供电的其他电源一般都是原动机驱动的旋转交流发电机。电源通过变压器Tn的适配向日用负载供电，电动机M是典型的大功率负载。用于推进器和侧推器的交流电动机采用变频调速。变频调速装置的主体是逆变器(交流电网中，把交流电转换成直流电称为“整流”，再把直流电转回到交流电称为“逆变”)，交流电网需通过变压器T1和整流器向逆变器供电。整流器输出的直流是脉动的，含有大量的谐波成分。一般的小功率负载整流产生的谐波对电网的影响可以忽略，大功率负载则“污染”了电网，影响供电质量。整流器前的变压器除了电压的适配外，还起到减少直流脉动的作用。

图2 电网的电源演变

三相交流的全波整流输出有6脉冲，比单相全波整流的2脉冲密集得多，直流脉动大幅下降，但仍然不够，还需加谐波滤波器。图2a)中的三绕组变压器T1，二次侧两个输出端交流输出相位移相，整流输出有12脉冲，直流输出的脉动大幅减小。还可增加绕组或采取措施得到24脉冲，使直流输出更加平滑，降低谐波分量。

由此可知，逆变器需要直流电源。如果在电网中，通过逆变器控制的负载比例大，采用直流电网可省去每个负载都配置变压器、整流器的麻烦。

图2b)是从交流电网演变来的直流电网配置。发动机供电断路器改为价格相对较低的隔离开关，交流母线用直流母线槽替代，无需设置专门的主配电板。母线槽在陆地的大楼供电系统中已被广泛应用。母线槽从底层通到最高层，每层从母线槽接出电源到配电板，向该楼层供电。船舶采用母线槽，将电源送到各用户处，各用户从槽上接出电源使用。各大功率用户通过隔离开关连接逆变器。日用(交流)负载通过逆变器供电，或再经过变压器适配电压。

图3是直流电网演变示例。各大功率负载的整流器集中移到各供电发电机处，变压器可省去，主配电板和交流母线也可省去。

图3 直流电网的演变

图3还显示直流母线上可以接入其他电源设备，例如燃料电池、能量储存装置等。这突显了直流电网的优点，此优点是大功率电子技术应用于船舶上的体现。

图4为各种驱动装置都可直接接入母线的情况。2条母线通过联络开关连接。每条母线上发电机通过整流器接入母线，母线上都接有能量储存装置。恒转速交流电动机和需要变速的电动机通过逆变器或变频器控制运行。日用负载母线可通过逆变器或再经变压器适配供电。

图4虚线框表示所有变换器可以集中设置在一起，例如把这些变换器模块集中排列在主配电板内。

图4 各种驱动装置直接接入母线

直流母线可以不局限于主配电板内，把母线用母线槽延伸到各用电设备中。图5为分布式系统。所有设备配置与图4相同，但不同的是，各个电源设备、用电设备的变换器可放置在一起，例如：发电机的“交流/直流”变流器与发电机放置在一起，特殊设计可内置；电动机的“直流/交流”逆变器可以放置于电动机旁；电力推进的“直流/交流”变频器可以就地设置；低压日用母线的“直流/交流”逆变器可在低压配电板旁放置或内置。

图5 分布式系统

3 船舶直流电网的实船应用

以某支援船为例，其电网的配置细节介绍如图6所示。发电机和整流单元、能量储存转换单元等设置在机舱，各电源单元输出的直流接在母线上，母线以母线槽的形式贯穿全船。各交流负载、交流配电板电源通过逆变器接入直流母线。大功率变频调速负载例如推进器、装置的电源直接插入母线槽。整个直流电网和负载的供电控制则设在驾驶室中。

图6 船舶直流电网的配置细节

(1) 逆变器单元。一台逆变器可以供单独负载使用也可以供多个负载使用，如图7所示。

图7 逆变器可供单个或多个负载使用示例

(2) 能量储存装置。为区别于交流电网，直流电网设置能量储存装置，采用“直流/直流”变换器控制能量，装置设置电池组以及超级电容器组等，可插入系统使用，如图8所示。

图8 能量储存装置

设置能量储存装置的优点在于：①可改善整个能源的效率；②零排放运行；③改善动态响应特性；④增加运转的备用能力。

交流发电机按恒定转速运行，只有在一定负载情况下可达到最高效率。采用直流供电，允许柴油机的转速按负载大小改变，以达到最佳运行状态，提高运行效率，燃料可完全燃烧，实现零排放。由于接入蓄电池组，辅助电源对动态(负载变化)作出快速响应，增加了运转的备用能力。

(3) 控制系统。采用分布式控制的优势在于更快、更智能地控制，减少辅助电缆，通过以太网实现信息共享。

模块化设计能使软件维护简单，工程设计更快。远程诊断服务不仅能提供全天候在线服务，还可涵盖船上所有相关设备。整个电网运行可在驾驶室实行集中控制，实现真正意义上的无人机舱。上述优点是采用以太网得以实现的。如出现运行问题，在岸的工程部门可实施远程诊断服务。

(4) 效率。能量储存的作用：控制电网负载水平，以减小柴油机负载的波动；提供运行备用以减少在网的机组台数；对带透平增压器的柴油机可提高动态响应性能。

功率和能源管理的优势：有功率分配；通过能源储存装置的充电和放电使负载状态最佳化，以提高柴油机的效率；编排负载计划；使柴油机处于热备用状态成为可能。

能量储存和功率管理系统的作用如图9所示。电网负载处于某一水平运行，电网负载向上增加的时段(黑色)，能量储存装置储存的能量放电，电网负载向下减少的时段(白色)，柴油机向能量储存装置充电。由此看出，柴油机始终保持一定的负载水平。图9中向上的黑色三角形表示负载突然增加，带增压的柴油机无法立即反应提高转速，能量储存装置的放电相当于帮助柴油机提高了动态响应能力。

图9 能量储存对负载的最佳化

(5) 保护原理。具有全新的保护理念：保护通过熔断器、可控半导体器件和隔离开关的特性组合来实现；可以预计电网的预期短路电流更低。

在确保安全方面：发生故障时设备会得到保护；采用合适的选择性保护，发生单个故障时能确保系统维持安全运行。

采用直流电网时，最关心的莫过于怎样“开、关”电路。关断电路时触头要拉(燃)弧，直流熄弧比交流难得多。地铁采用直流电，开关(除电子开关外)都采用压缩空气操作，与同样电流的交流开关相比体积要大得多。

新概念的船舶直流电网，省去交流主配电板和断路器以及相应的继电保护。全新的保护理念是通过熔断器、可控半导体器件和隔离开关的特性组合来实现保护，如图10所示。

图10 直流电的新保护

现在提出的直流电网基于各电源组件都带有可控的变换器。例如，交流发电机经可控整流单元输出，发生故障时可关断输出，分断故障电流的速度比断路器快，但这只是电力电子电路分断，不是真正意义上的绝缘，即断口之间是空气、绝缘气体或绝缘油。

加了熔断器后可在某个电路、组件发生严重故障(短路)时烧断、分断电路，起到保护和隔离的作用。实际上这与早期采用的闸刀开关加熔断器的保护原理相同。分断电路保护动作不是靠开关断开而是靠熔断器烧断、分断。

故障电路或器件与无故障电路真正意义上的隔离需要使用隔离开关。

4 船舶直流电网的关键点

随着船舶功能需求和综合电力技术的不断发展，系统的容量越来越大，可达数百兆瓦，这给大容量中压直流断路器带来了巨大的挑战。同时，短时、大容量负载的使用对于系统的冲击都极其巨大，因此需要配备合适的储能系统。储能系统和自身发电系统相融合带来的电网能量调控系统具有一定复杂性[2]。

其一，系统的容量越来越大，使得原有的熔断器加隔离开关组合方式显得力不从心，促使直流断路器的额定电压、额定电流和分断能力等指标需求不断提高，给中压直流断路器的研发和试验带来了巨大的挑战。中压直流断路器一般有2种技术方案：中压直流空气断路器和中压直流真空断路器。中压直流综合电力系统若采用中压直流空气断路器方案，需重点解决空气断路器的灭弧问题。系统直流主网短路时，短路电流没有自然过零点，空气断路器将采用直接硬分断的方式实现短路保护，分断过程中将产生高能量电弧。主网直流电压较高，如何有效地吸收该电弧能量，即采用有效的灭弧技术是决定空气断路器能否有效分断的关键。中压直流综合电力系统若采用中压直流真空断路器方案，需重点解决反向脉冲电路的设计问题。系统直流主网短路时，直流真空断路器采用在真空灭弧室中叠加反向脉冲电流以制造人工过零点，从而分断短路电流。由于真空触头打开时灭弧室的燃弧能量、触头开距、恢复电压以及燃弧时间与真空灭弧室关断的可靠性密切相关，因此选择合适的反向脉冲电路参数及反向电流的投入时机至关重要，也是该技术的难点。

其二，分布式、复合型能量存储装置将是一个新的研究领域。超级电容是一种新型的储能装置，其优点是：充电非常迅速，可循环使用几十万次，可接受频繁脉冲，在额定电压范围内的任意电压下进行充电。还有譬如飞轮储能装置等也属于新型分布式、复合型能量存储装置。

其三，各种电源间的复杂配合保护、控制策略问题等。

5 结 论

经过对直流电网的初步介绍，可以认识到船舶直流电制与船舶直流电网是两回事。直流电制的船舶，整个电力系统从发电、配电、输电到用电都是直流电。直流电网的船舶，只有输电是直流电，主电源(发电机)是由交流变换成直流的，电力用电设备仍然采用交流。大量使用大功率变频器的船舶(功率达到装机容量的80%)才有必要使用直流电网。同时，也认识到直流电网的优缺点和今后需要努力的方向。