重型破冰船电网架构研究

陆 玮 智 力

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011）

0 引言

重型破冰船电网架构研究的目标是找到一个合适的电网架构，用于国产重型破冰船的研发。重型破冰船是指破冰等级达到PC2 级以上的破冰船，包括PC1 级和PC2 级。PC2 级的定义是在中度多年冰况下全年运行，PC1 级的定义是在极地水域全年运行[1-2]。此型破冰船破冰厚度超过2.5 m，破冰航速大于2 kn。根据相关船模实验并参考国外类似船型，常规动力重型破冰船所需的推进功率将超过40 MW。

分析国外常规动力重型破冰船实船并结合设备技术发展趋势[3]，国产重型破冰船将采用电力推进式及综合电力系统。电网架构研究的重点目标是满足船舶需求，重型破冰船的需求特点包括极大的推进功率、破冰卡冰时极大的过扭矩需求及单一故障下可以保证船舶脱困等。具体到电网架构研究内容包括选择电网电压、选择电网关键设备，尤其是推进电机的选型。本文将通过确定电网关键设备参数，结合船级社要求，研究确定一型交流电网架构，满足船舶运行需求，并可以基于此研究开展下步研发工作。

1 电网主要构成系统分析

重型破冰船电网组成的主要单元为发电机系统、配电系统、电力推进系统和任务配电系统。由于电力推进系统的功率消耗占整个电站容量比重超过80%，电网架构设计将重点分析研究发电机系统、配电系统和电力推进系统。

根据破冰能力需求，船体专业初步估算本船需要配置3 台推进器，即2 台10 MW 推进器和1 台 18 MW 推进器，由此估算电站总功率需达到50 MW。

1.1 电网电压等级的选择

综合电力推进系统根据电压和电制不同可分为：低压交流电力推进系统、低压直流电力推进系统、中压交流电力推进系统以及中压直流电力推进系统。

对于低压交流电力推进系统而言，目前低压断路器最大额定电流为6 300 A，极限分断电流约为200 kA。因此，低压电力推进系统电站容量有限，无法满足50 MW 电站容量时各开关的分断要求，故不能采用低压交流电力推进系统方案。

目前，低压直流电力推进系统最大电站功率为18 MW，同样也无法满足本船电力推进系统的需求。

中压交流电力推进系统方案属于常规方案，国外在该领域领先于国内。按照目前国内系统设计水平及设备现状，现已经具备50 MW 级系统（6.3 kV、10.5 kV）的全国产化能力。

中压直流电力推进系统属于更先进的综合电力系统，国内技术也领先于国外，但目前4 kV 直流断路器的最大额定电流为6 kA，分断能力最大为 110 kA，还不能满足50 MW 电站容量的分断能力要求。故中压交流系统是近期较为成熟的工程技术方案。

采用中压交流电力系统方案，结合电站容量、推进功率等级可以选用三相交流6.3 kV 与三相交流10.5 kV 这2 种电压等级。我们将电网进行简化，构建一个包含发电机、推进配电板、推进电机和等效负载的电网模型如图1 所示，使用计算软件进行短路电流计算，估算结果见下页表1。

表1 不同电压等级短路电流计算结果

图1 用于计算的电网简化模型

由计算结果对照可知，当采用6.3 kV 母线时，对断路器的额定分断能力要求较高。馈电支路断路器的额定分断能力接近40 kA，目前国内6.3 kV 的真空断路器额定分断能力为40 kA，裕度较小，故选择10.5 kV 为交流母线电压等级较为合理。

1.2 发电机系统

发电机系统为船舶动力能源提供系统。发电机的选型原则至少有以下几点：

（1）每个工况下的电力负荷率应尽可能控制在70%～ 90%，使原动机工作在最佳工作点附近；

（2）航行工况下电力系统需要有备机；

（3）破冰工况时考虑全部发电机投入使用；

（4）漂泊工况（长期低功率工况）下，电站负荷率需＞30%，最好＞50%，防止原动机因长期低负荷而影响使用寿命；

（5）应尽可能提高燃油效率，在允许的情况下，单台电站功率尽可能最大。

根据估算的典型工况下电力负荷数据，大小机配置的电站方案可以更好地匹配各工况下的电力负荷，具有更好的经济性和使用灵活性，典型工况电力负荷如表2所示。

基于上述原则，考虑国产设备情况，可供优选的电站方案如表3所示。

表3 优选的电站方案

由于码头停泊工况和应急工况的电力负荷差距不大，出于减少电站数量的考虑，可配置1 台 1 200 kW 左右的应急发电机并兼作停泊发电机。

1.3 配电设备

重型破冰船的配电设备可分为推进配电板、日用配电板和应急配电板。根据船级社的要求[2,4]，推进配电板和日用配电板需分为至少2 段母排，根据不同的入级符号的要求，2 段母排可以在1 块配电板中，也可以分隔为2 块独立的配电板。主推进器直接连接在推进配电板上。由于侧推功率较大，优选中压设备，有利于减少工作电流和电缆数量。因此，中压侧推也连接在推进配电板上。

考虑辅助设备一般是低压设备，所以由日用配电板供电。为保证推进的冗余性，日用配电板也分为至少2 段，且可以分段运行。推进系统的辅助设备根据不同设备厂的配置方案，可能由日用配电板供电，也可能由独立配电板供电，此独立配电板往往由推进变压器供电。

1.4 电力推进系统

主推进系统为综合电力系统的核心，主要设备包括移相变压器、推进电机和推进变频器。推进电机和推进变频器更是其中的关键元件。

1.4.1 推进电机

目前，交流异步推进电机、交流同步推进电机和永磁同步推进电机均可用于船舶推进电机[5]，高温超导推进电机技术成熟度不够，是下一代船用推进电机。

美国RAND（兰德）公司对20 MW 左右功率等级低速推进电机功率密度进行了对比，数据如下页图2 所示。可见，同步推进电机的功率密度最低，异步推进电机要比同步推进电机的功率密度更高，永磁同步电机的功率密度最高。

图2 20 MW 功率等级不同电机功率密度对比

针对各型推进电机在重型破冰船中的应用进行对比分析，得到以下定性结论[6]，如表4所示。

表4 推进电机类型对比

根据高过载能力需求，重型破冰船选用交流同步推进电机或永磁同步推进电机较合理。

以前电网与电机直接相连实现电气传动，由于电网是三相交流系统，因此电机也是三相电机。变频器的应用使电机和电网不用直连，因此电机相数也不再由供电源的相数来决定。而近些年来电机功率级别越来越大，电机高性能的配套驱动应用也越来越广泛，对于那些要求输出大功率并且可靠性必须很高的场合（如船舶推进领域等），多相电机是最佳选择。

与传统三相电机相比，多相电机具有以下优点：冗余度、可靠性高；推进系统性能好；控制灵活度高；对功率器件要求降低。

综上所述，推进电机优选多相同步电机方案。考虑推进电机的转矩过载情况以及推进变频器匹配性，推进电机选用九相或十二相电机。

1.4.2 推进变频器

推进系统通常有二极管整流装置（diode front end,DFE）方案和有源前端整流（active front end,AFE）方案：DFE 方案采用整流变压器+DFE 变频器，AFE 方案采用AFE 变频器。这2 种方案的差异在于DFE 方案采用二极管整流方式，而AFE 方案采用脉宽调制（pulse width modulation,PWM）整流方式。

根据前述电网电压等级选择论证，电力系统选用10.5 kV 系统，但主流AFE 变频器厂家如ABB、西门子和GE 的中压变频器电压等级主要为3.3 kV，采用AFE 方案需要增加变压器，无法体现常规AFE 方案中省掉变压器的优势，反而会存在AFE 系统的缺点（如共模电压问题）[7]。因此，选择采用DFE 系统是较合理的方案。

对于大功率DFE 整流器，一般有12 脉波、24脉波及48 脉波整流方案。其中：12 脉波整流方案中，整流单元输入侧采用三绕组移相变压器的原边侧相位均相同；24 脉波整流方案中，整流单元输入侧采用2 台原边相位角±7.5°的三绕组移相变压器并联；48 脉波整流方案中，整流单元输入侧采用4 台原边相位角分别为±3.75°、±11.25°的三绕组移相变压器并联。采用图1 模型，在推进电机线路增加不同型式的变频器，不同脉波整流下电网谐波估算如 表5 所示（正常运行及故障单侧配电板运行）。

表5 推进配电板谐波估算%

由表5 所示的结果可以看出：采用24 脉波整流方式即可在各种工况下使电网谐波都能满足船级社要求，而48 脉波整流方式虽然在母联开关闭合运行时谐波含量较小，但是在母联开关分断情况下，电网谐波与24 脉波整流相当；而且对48 脉波整流方案的变压器制造而言，要保证相位角精确度，移相变压器的生产工艺要求较高，技术成熟度不高，且成本更高。因此，采用24 脉波整流方式是较优方案。

2 电网架构分析

2.1 国外典型案例分析

2.1.1 LK-25 破冰船

俄罗斯于2016 年12 月下水的LK-25 型破冰船。该船排水量约22 600 t、总长度146.8 m、宽度29 m、最大吃水9.5 m。

其采用常规的柴电综合电力推进，拥有2 台吊舱和1 根中间轴系，敞水航速约17 kn(约31.5 km/h)，续航能力60 d。当冰层厚度达2 m 时，能持续不间断地前进后退，最大破冰厚度可达5 m。

该船可在极地冰海执行考察任务，在坚冰拦路时为其他作业船只开路，将被浮冰围困的船舶拖至清水区，并为北极海洋钻探和开采海底石油等作业提供辅助保障及救援。

图3 LK-25 电力系统单线图

LK-25 电力系统单线图中，中压推进配电板分为2 块独立的配电板，每块配电板连接2 台发电机和1 台日用变压器。左右2 个吊舱推进器采用24脉DFE 系统，2 台推进变压器分别连接至左右配电板上，励磁电源也分别从2 块配电板上取电。中间轴浆电机也是24 脉DFE 系统，推进电机和励磁装置的供电方式与吊舱电机相同。2 台侧推采用双路电源切换方式，可分别从左侧或右侧供电。

此电力系统的最大单一故障后果是损失一半推进器能力，但不会导致任意推进器的损失。

2.1.2 亚马尔液化天然气(LNG)运输船

Christophe de Margerie 是第1 艘亚马尔级液化天然气（LNG）运输船。该船长299 m、宽50 m、最大吃水10.4 m、总吨位128 806 t、夏季载重吨位96 779 t，能够装载172 600 m3液化天然气，破冰等级达到了PC2[8]。

图4 为亚马尔LNG 运输船电力系统单线图。中压推进配电板分为2 块独立的配电板，每块配电板连接3 台发电机和1 台日用变压器（未反映在单线图上）。左右2 个吊舱推进器采用24 脉DFE 系统，两侧吊舱只从其相应侧供电。中间吊舱推进器也是24 脉DFE 系统，其2 台推进变压器分别从左右两侧取电。此电力系统的最大单一故障后果是损失1台吊舱和中间吊舱的一半能力。

图4 亚马尔LNG 运输船电力系统单线图

由图4 和下页图5 可以看出，示例中的2 艘国外破冰型船的推进配电板均采用2 块独立配电板，其好处是若将2 块配电板分别放置在2 个舱室，除了可以防止电气故障引起全船失电，还可以防止火灾或舱室浸水引起的全船失电，提高安全冗余性。另外，推进器是否需要两侧供电与电网最大故障下的船舶需求相关。在破冰航行时，保持船舶机动能力很重要，吊舱在船上的作用除了提供推进动力外，还担任舵的作用，所以LK-25 采用了故障下损失能力的方式保证船舶机动能力（保证具有足够的转舵能力）；LNG 运输船由于采用三吊舱，所以无论采用哪种方式都可以保证单一故障下具有足够的机动能力，两侧吊舱采用不跨接的方式可降低系统复杂度。

2.2 拟采用的电网架构分析

根据上述分系统分析和国外破冰船电网型式分析，重型破冰船拟采用的电网型式如下：推进配电板分为2 块独立配电板，每块配电板连接3 台主发电机，2 台日用变压器分别连接至左右推进配电板。推进电机采用24 脉DFE 系统，采用跨接模式，由于中间推进电机容量较大，采用双套变频器系统。应急发电机兼作停泊发电机，连接至应急配电板，具有供电至低压日用配电板的功能。拟采用的重型破冰船电力系统单线图如图5所示。

图5 重型破冰船电力系统单线图

此电力系统的最大故障后果是损失一半推进器能力，不会导致任意推进器的损失，从而保证船舶电网故障状态下的机动性。

2.3 3种电网架构比较

对上述3 种电网进行比较，可以发现LNG 运输船电网总容量大于重型破冰船，但其电压等级却比重型破冰船低。这主要是因为国产开关短路能力较差，重型破冰船电网考虑通过提高电压等级来降低短路电流。此外，3 种电网在最大单点故障下推进能力和机动能力也相当，具体比较如表6所示。

表6 电网架构比较

3 结语

本文根据船舶破冰能力需求，通过计算推进配电板端短路电流和谐波，结合国产设备选型和研究国外现有实船电网架构，确定了电网电压等级、推进电机变频器方案和配电板分段型式等电网架构关键参数，并提出了一型电网架构。此电网架构可以满足常规动力重型破冰船运行需求，具有较好的冗余性，选型的国产设备也达到了一定的技术成熟度，可满足船舶后续的设计开发需求。

随着新能源在船舶领域的广泛运用，诸如储能电池、超级电容等电气装置将越来越多地出现在电力系统中，通过将电池或电容接入变频器直流汇流排或增加专业配电板等方式，本电网架构也可以集成新的储能元件。如何更好地集成新型储能元件，则是电网架构研究的下一步重要工作方向。