深远海多功能船舶电力推进系统关键技术研究

颜小明，袁 远，宋秀丽，刘 鹤

（1.招商局重工（深圳）有限公司，深圳 518054；2.招商局深海装备研究院（三亚）有限公司，三亚 572025）

1 前言

我国是一个海洋资源大国，随着我国一带一路战略和海洋经济发展战略的稳步实施，海洋资源开发也逐步由近海、浅海走向深远海区域。深远海多功能船舶，是保障和支撑各类海洋经济活动的重要装备，具有高速巡航、救助、海上消防、拖带、起重安装、深海资源探测、追踪水下目标、海上后勤补给等多种功能，属于高附加值、高技术船舶，是深远海资源开发不可缺少的利器[1]。

推进系统及动力装置被喻为船舶的心脏，对在深远海恶劣海况中执行多种复杂、精确任务的多功能船来说尤为重要。近10 年来，随着电力电子技术的进步，以及国际社会对海洋大气环境保护要求日益严格，电力推进已逐渐发展成为深远海多功能船舶的主要推进形式[2][3]。本文重点对电力推进适应性、电力推进系统总体配置、关键电力设备设计选型等关键技术进行研究。

2 电力推进系统适应性

传统多功能船舶的推进系统，主要采用中速柴油机通过减速齿轮箱，驱动尾部螺旋桨推进，其在船舶高速航行状态下，总体经济性能良好。但是在执行进出港口、海上救捞、海底探测、低速追踪水下目标等任务时，需要船舶具有良好的低速操纵性、机动性。由于受柴油机调速系统限制，低速航行时，中速柴油机效率、经济性大幅下降。然而，对于多功能船舶来说，低速作业任务又是其重要的设计指标，也是其常用工况，如采用传统推进方式，船舶经济性较差；而且一旦发生机舱浸水或者火灾，全船的动力将大部分或者全部丧失，严重危及船舶自身安全；如在寒区作业，则需要额外电力用于伴热保温，以便对传统推进及其辅助系统的运行提供保障[4]。

相比于传统的柴油机推进，电力推进具有下列独特的优势[2][3]:

1）变频驱电力推进系统的调速比，通常可达到1:10甚至更高，并能实现无极变速，在获得极低转速的同时仍能保持极高的效率，具有良好的低速经济性；同时，原动机排放量少，有利于环境保护；

2）采用电力推进，除了在船尾设置推进器外，还可以在船首部、尾部的舷侧设置侧推、伸缩推等推进器，使船舶在低速状态下获得良好的操纵性和机动性，能够准确可靠的避碰、进出港口，安全地接近需要补给或者救助的船舶；

3）电力推进不需要设置长传动轴系，可以方便地在全船范围内分布式布置多台套发电机装置和驱动电机。当某一机舱浸水或者发生火灾时，剩余的电动机驱动系统完整，船舶仍然拥有足够的动力，显著提升了船舶的生命力。

电力推进系统的上述优点，完全满足深远海多功能船舶对低航速操纵性、机动性、经济性、生命力和绿色环保的要求，因此现代深远海多功能船舶基本上都采用全电力推进系统或者柴-电联合推进系统。典型的柴-电联合推进系统的拓扑结构图，如图1 所示。

图1 柴-电联合推进系统拓扑结构图

3 电力推进系统关键设备配置

电力推进系统主要采用交流电力推进系统，交流系统具有容量大、系统简单、成本低、能适应中高压电力等级（如6.6 kV）等优点，特别是在变频调速系统的控制下，能够获得接近直流电机的调速性能，在大功率推进船舶动力系统中得到了广泛的应用。目前，典型大型深远海多功能船舶的总推进功率可达6～15 MW，甚至更高。

交流电力推进系统，一般由原动机、交流发电机、移相变压器、变频装置、交流异步电动机和主推进器组成，如图2 所示。

3.1 变频调速系统配置

三相异步交流电机的转速表达式为[5]：

式中：n 为电机转速；s 为转差率；f 为电源频率；p 为电机的极对数。

异步电机可以通过调节极对数、转差率和频率来调速，其中效率最高、调速范围最大的是调频率，其核心装置为变频器。

交流变频器，分为：间接变频器（交-直-交变频）和直接变频器（交-交变频）两大类。其中，间接变频器又可分为电压型和电流型两种。

上述变频器与不同类型的驱动电机配合，可以构成如下三类基本的船舶电力推进系统：

1）交-直-交电压型变频器VSI，匹配交流异步电机；

2）交-交变频器CYCLO，匹配交流同步电机；

3）交-直-交电流型变频器CSI，匹配交流同步电机。

直接变频器省略了中间变流环节，与间接变频器相比能量转换效率高，但是存在功率因素低、调速范围窄、配套的同步电动机价格较昂贵等不利因素[3]，因此在船舶电力推进系统中应用较少；

交-直-交电流型变频器CSI，优点是能实现电机制动功率向电网反馈，实现四象限运行，但是通常需要配套同步电机，变频器需要与电机集成设计，难以实现通用性；

交-直-交电压型变频器VSI，属于通用变频器，并且可以使用笼型异步电机，显著降低了全套装置成本，因此深远海多功能船舶广泛采用交-直-交电压型变频装置，匹配交流异步电机推进。

交-直-交电压型变频器，主要由二极管全桥整流、直流储能电容及三相电压型PWM 逆变器组成：整流器一般采用不可控整流二极管Power Diode；逆变器则采用高频大功率可关断半导体器，通常为绝缘栅双极晶体管IGBT，常规在第一象限运行，通过改变逆变元件的导通次序，可以实现电机反转。典型交-直-交电压型变频器的主电路图，如图3 所示。

图3 典型交-直-交电压型变频器主电路图

当船舶从正车突然倒车、减速过程中，电机会产生再生电能反馈，变频器将产生泵升电压，因此直流电路中应并联制动电阻和制动控制元器件，当泵升电压达到阈值时，通过IGBT 元件VB 接通制动电阻RB，将电能消耗在电阻上。

交-直-交电压型变频器在船舶电力推进系统中的应用比较成熟，如应用在半潜船、起重船、海洋工程船等特种船型上。国际主要供应商如西门子、ABB和GE 等，均推出了适用于船舶推进的中压和低压系列产品，目前国内应用较多的有西门子公司低压S120CM系列（690 V）,中压GM150 系列（3.3 kV 和4.16 kV）;ABB 公司的主流产品则为低压ACS880 系列（690 V），中压ACS6080 系列（3.3 kV）等。

3.2 谐波畸变控制

整流二极管和IGBT 等非线性电力电子器件所产生的谐波，在注入电网后会使电网电压波形产生畸变，影响其它设备正常工作，并降低电网的功率因素，加速绝缘老化，产生振动和噪声等。因此，需要对电压总谐波畸变THD 进行控制，国内外各大船级社均制定了相应的THD 控制标准[6]。对于大型船舶来说，通常要求对推进供电的汇流排，电压总谐波畸变THD 最大允许值为8%，单次谐波最大值为5%。

电压总谐波畸变率THDU，可以按下式计算：

变频装置所产生的谐波次数为：

式中：U1——基波电压；

UH——谐波电压；

k=1,2,3…，为正整数；

m 为变频器整流模块整流脉波数。

由于谐波分量值随谐波次数而下降，消除谐波危害的最有效方法是增加整流脉波数。如：当采用12 脉波整流时，谐波次数为11,13,23,25 …；而采用24脉波整流，则电网中只出现23 次以上谐波，此时全船的THD 值通常均能满足设计要求[3]。

电力推进系统中，常采用2 台三绕组移相变压器，形成虚拟24 脉波整流，相应的移相变压器与变频器配置的拓扑结构图，如图4 所示。

图4 虚拟24 脉波交-直-交变频装置拓扑结构图

4 移相变压器和预充磁变压器

如前所述，虚拟24 脉波整流模块输入侧由2 台三绕组移相变压器组成：2 台移相变压器的原边，分别移相±7.5°；移相变压器的原边采用延边三角形联接实现移相，二个副边则分别采用常规的d型和y型联接，即D（+7.5°）y5d0 和D（-7.5°）y5d0。延边三角形的绕组联接和相量原理图，如图5 和图6 所示。

图5 延边三角形的绕组联接图

图6 延边三角形相量图

延边三角形联接中，各电压量之间的关系如下：

式中：U1——一次侧电网电压；

Uy——移相绕组电压；

Um——主绕组电压；

α——移相角度7.5°。

在二次侧，两个绕组分别采用d 型和y 型联接，因此二者绕组匝数应满足下列关系：

式中：N2d——d 型联接绕组匝数；

N2y——y 型联接绕组匝数。

大功率电力推进系统中，移相变压器的容量通常为1～2 MW 甚至更高；变压器铁芯一般工作在接近饱和状态，空载变压器合闸时会产生较大的瞬时励磁电流，其最大值高达变压器额定电流的6～10 倍。这种励磁涌流通常会引起电力系统中过电流保护断路器动作，从而变压器合闸失败，同时还会对船舶电站和其它用电设备造成损坏，因此在电力推进系统中，通常对大容量变压器设置预充磁设备，主要由小型预充磁变压器和相应的控制开关组成，其基本原理图，如图7所示。

图7 变压器预充磁合闸原理图

图中：TR2 为主连接主推进电机的主变压器；

Pr2 为小型预充磁变压器，其容量通常为主变压器的1%～2%左右。

合闸顺序为：

1）合闸S1 为Pr2 充磁；

2）当Pr2 充磁完毕后，合闸S2 对主变压器TR2的二次侧进行预充磁；

3）当TR2 中建立起稳定的磁通以后，合闸S3；延时后断开S1 和S2，将Pr2 从系统中切除。即可实现顺利合闸。

图7 中，Pr1 也是TR1 的预充磁变压器，操作方法与之类似。

5 结论

根据上述分析，可以得出如下结论：

1）电力推进系统在总体布置、经济性、操作性、生命力和环境保护方面具有显著的优势，完全满足现代大功率深远海多功能船舶对推进系统的要求，是未来该类型船舶推进系统的主流形式；

2）交-直-交电压型变频器VSI，可以匹配笼型异步电机，具有优秀的通用性、经济性和调速性能，在船舶电网总容量不大于15 MW 时，具有良好的适用性；

3）利用2 台三绕组移相变压器，构造虚拟24 脉波整流模块，能够有效抑制变频装置产生的谐波畸变，提升电网供电质量；

4）应用变压器预充磁技术，可以避免大容量移相变压器空载合闸时所产生的浪涌冲击电流，保护重要船舶电气设备的安全。