大容量低压电站系统的研究及应用

沈 恺，杨金国，顾健飞,苗 青

(1.中船澄西船舶修造有限公司，江苏 江阴 214433；2.32119部队，吉林 集安 134200)

0 引言

随着国际贸易的迅速发展，进出沿海港口的集装箱船和各类型的集装箱数量日益增多，冷藏集装箱运输越来越发达。全冷集装箱船上的冷藏集装箱多达上千只，集装箱船越来越大型化，这大大增加了船舶电站的容量。一般冷藏箱功率在10 MW左右及以上均采用中高压电力系统，但中高压电力系统配置中高压配电板、大型变压器及中高压电缆时，需要很大的布置空间。特别是大型变压器，电力转换消耗大，能量比差，除了需要大空间外还需要提供散热设计。为克服中高压电力系统的不足，近年来发电机效率不断提高，开关技术、双母排技术也不断发展，这使得大容量低压电站系统的设计成为可能。2020年，简化的电力系统在新型15 000 TEU集装箱船上得到成功应用。该系统使用低压配电系统取代了现有的高压配电系统，并获得了DNV·GL船级社原则上批准(AIP)。该系统通过消除每艘船的电压转换节省了大约32万美元，同时增加了冷藏箱的装箱量[1]。

本文以910 FEU全冷集装箱船为研究对象，将中高压电力系统和低压电力系统进行对比，结合电力负荷估算及发电机优化选型，进行预估短路电流计算，分析大功率电站低压电力系统在该船上的可行性。

1 系统分析与设计

1.1 电力负荷计算

910 FEU全冷集装箱船的大型用电设备主要包括冷藏箱、克令吊、混合式脱硫塔、艏侧推等，其中用电比重最大的还是冷藏箱，因此电力负荷计算主要估算冷藏集装箱的装载负荷系数。目前，英国劳氏船级社(LR)规范建议冷藏集装箱运行的不同时系数要不小于0.75。挪威船级社(DNV)对此有专门的分析和规定，用冷却比例百分比Cd来表示预期同时工作在冷却模式下的冷藏箱数量除以冷藏箱总数量，见图1。

根据图1对整个冷藏集装箱功率进行估算，发现总共需要4台功率在2 500 kW以上的发电机。由于国际上一般将2.0～2.5 MW确定为低压发电机组的容量上限(国内船用低压发电机的单机容量一般不超过1.5 MW)，在容量超过10 MW的船舶上安装六七台甚至更多的发电机显然不合理，这也是引入中压电的原因之一[1]。

为了加大采用低压系统的可行性，有必要对电力负荷进行优化。首先对上述几个大型设备的系数需要进行合理调节；然后和船东对航线、码头及冷藏箱装载使用率进行分析，估算平均每个冷箱功率为4.2 kW左右，比之前根据规范估算的要低；最终确定使用4台主发电机，每台额定功率为2 300 kW，这个功率大大提高了低压系统运用的可行性。

1.2 中压电力系统

中压电力系统采用电压6.6 kV、频率60 Hz、3相3线绝缘系统中性点接地系统[2]。6.6 kV中压配电装置由主发电机控制屏、日用变压器控制屏、冷藏变压器控制屏、艏侧推器控制屏、汇流排隔离屏及接地屏、同步屏和分段屏等组成，按照法规要求整个汇流排须通过隔离开关分成2个独立的分段。由于中压配电装置结构复杂，隔离开关和分段母线引上需由2屏组合构成，每屏只能装1个断路器，所以整个配电板屏数较多。同时，系统还需配置6套常用的低压配电板装置、照明生活用变压器、冷藏集装箱配电装置，在冷藏集装箱配电板装置之间母联开关通过电缆连接。由于采用中高压6 600 V、功率为2 300 kW的额定电流仅为252 A，系统最大短路电流预估7 kA，中压断路器都能满足要求。

1.3 低压电力系统

1.3.1 低压系统的方案可行性分析

大型全冷箱船电站功率大，一般采用中高压电力系统的方案，但会带来配电装置庞大及变压器数量较多的问题，影响整个系统布置，且经济性很差。对低压系统进行技术分析，其关键点在于整个电网的短路电流与配电系统是否能够相互匹配。

根据预估计算，主汇流排上的短路电流应是最大的。考虑到本项目发电机的特殊情况，发电机直轴超瞬态电抗预估尽量选小，为11%。通过预估公式，对称短路值大约为134 kA，峰值为341 kA。虽然快要到达极限值，但没有超过低压开关的极限值，即使后期因参数变化，也在可控范围内，因此采用低压系统方案是可行的。

1.3.2 发电机选型与短路电流计算优化

结合经济性和高效性对发电机进行选型，每台发电功率要求2 300 kW，柴油机的额定功率点就要尽量接近这个值，以免柴油机跨档和加缸，导致整个机组外尺寸加大，且费用昂贵。最终发电机型号选择为HFJ 5718-14K-S-L，柴油机功率为2 384 kW，使用效率达到97%。

在提高发电机效率的同时，发电机直轴超瞬态电抗的值就会相应变小，选用的发电机直轴超瞬态电抗仅仅为0.96%，已经超出了预估值。这就意味着整个电网的短路将会变得很大，这对低压开关的选型带来非常大的困难。一旦数值超大，超多低压开关的极限值，则需要重新选用中高压方案，这对船舶电网系统设计是个颠覆性的修改。所以，一定要保证短路计算的结果满足相关使用值。

因此，对每台发电机的电缆进行合理加长，可增加系统内的阻抗值，从而减小短路电流值。另外，通过比对减小系统中电机的同时使用系统，可以减少电力负荷计算书中电机等效电路的功率值，从而减小短路电流值。

通过最终的短路电流计算书发现：最大对称短路电流Iac=118 kA，最大短路电流峰值Ip=324 kA。常规项目选Iac值基本就能满足要求，一般不用考虑峰值。而这个项目是需要以Ip值选型，所以最终开关选型是施耐德最高的分断能力等级R型。

1.3.3 母排的选择和配电板布置优化

根据电力负荷计算，由于4台发电机有同时工作的工况，总功率为9 200 kW，配电板母排的电流会非常大，所以采用配电板双母排的方案。水平母线设计，位于柜体后上部，用绝缘子固定，铜排相间距105 mm，5 mm厚扁平铜排，最多每相5片排，双水平母线，最大至7 300 A。考虑到双母排配电板方案，整个配电板的尺寸会非常大，对配电板和集控室布置进行优化，将AC110 V馈电屏独立出来，外形由一字型改成槽型。

最终经过核算，从发电机耐受曲线与相应开关的参数及整个短路电流计算书可知，整个设计满足船级社规范及相关法规要求，同时也满足了船东实际使用要求。

1.4 电站功率管理系统设计

船舶电站是船舶电气系统的重要核心部分，而电站自动化是船舶自动化的主要组成部分。电站运行的稳定性、合理性及自动化程度对保证船舶航行安全性、经济性具有重要意义。本文研究的全冷集装箱船电站管理系统是集成到船舶综合控制系统里，是一个高稳定性、全面性的网络型多工作站分布式电站自动化控制系统。

经电力负荷计算，冷藏箱的功率约占到整船总功率的41%，其他用电设备的功率大致占到整船总功率的59%。另外，由于船舶模式变化较多，如：航行模式、停泊模式、进出港模式、装卸货模式等，其中还有Tirell 3模式、是否带冷藏箱，船舶电力系统的用电负载变化会非常频繁。尤其是在如此大的电站容量下，由于冷藏集装箱船对集装箱的控制相互独立，全船的负荷功率可能会出现峰值功率和峰谷差更大。对于该问题，本文通过采集冷藏监测系统数据及装载计算系统的装载数据，由电站管理系统进行数据分析后，将相关信息反馈给冷箱工作人员，在不减少货物质量和船上电力安全的原则上，对冷藏集装箱运行总功率进行调节、其他负载总功率预测和船舶电站控制，将冷藏集装箱作为蓄能单元，通过科学调节冷藏集装箱运行总功率，达到削峰填谷和维持全船功率基本平衡的作用。在电站容量不变的情况下，冷藏集装箱船可以提高冷藏箱的装载数量，降低运营成本。

1.5 系统经济性对比

在物量费用方面，通过表1的对比可以看出低压电力系统无论从系统配置的数量上，还是单个设备的费用上，都比中高压系统节省。整个系统预估节省的费用约为40万美元。

表1 中高压与低压电力系统主要配置差异

2 实船验证

双母排设计的配电板工厂试验(FAT试验)的所有试验数据，不仅满足规范和使用要求，而且优于上述要求。FAT试验的部分数据见表2。

表2 FAT试验的部分数据

3 结论

(1)在已定下电站容量的情况下，一定要在掌握完整数据后，对电力负荷计算优化，以降低电站功率，减小短路电流。

(2)为提高机组的利用率和减少能源的消耗，尽量使用高效率的发电机组，但同时也要注意直轴超瞬态电抗数值的变化。因为随着效率的提高，这个值很容易变小，从而会加大短路电流数值。这个须根据实际项目，找到两者的平衡点。

(3)由于大容量电站的短路电流是很靠近极限值的，因此每个环节都需要仔细核算，避免在后期更换方案。

(4)该系统已在910 FEU全冷集装箱船上成功应用。营运中，整个低压电力系统运行正常，并得到船东的好评。