交直流组网技术电力推进系统的对比研究

姜 江

交直流组网技术电力推进系统的对比研究

姜 江

（江苏科技大学海洋装备研究院，江苏 镇江 212000）

电力推进系统相对传统推进系统具有显著优势，成为现阶段船舶动力技术发展的主流方向。电力推进系统当前正从早期的传统交流组网技术逐步向最新的直流组网技术发展。本文对交流组网及直流组网这两种电力推进系统进行了介绍，简述了这两种系统各自的组成和技术特点，随后通过对这两种系统在设备组成成本、重量体积、能耗、兼容性、技术难点等多方面的分析对比研究，得出了直流组网技术在能耗、性能、兼容性等多方面具有显著优势的结论，进而论证了直流组网技术凭借其先进性将成为未来船舶电力推进系统发展的方向。

交流组网；直流组网；电力推进；对比研究

0 引言

随着电子信息工程、船舶动力系统、新能源技术和智能控制技术的日益发展，船舶电力推进系统凭借高能效、低噪音、节能环保、维护便利等多方便的优势，逐渐提高了在船舶动力装置中的占有率。船舶电力推进系统的应用，优化了船舶空间利用率和能量效率，完成了发供电、动力系统用电、日常设备用电的统一管理和一体化控制，已成为目前船舶动力发展的主要趋势和未来发展的主流方向。

在电力推进船舶的发展进程中，交流组网电力推进系统以其成熟的技术、简单方便的开发环境、较为低廉的成本等优势，成为早期电力推进船舶的主流方案。随着对节能环保及高性能船舶电力推进系统的要求不断提高，新一代以直流组网为特征的船舶电力推进系统已经开始崭露头角，凭借节能环保、空间利用率高、兼容性好等多方面优势，将逐渐成为电力推进行业发展的新焦点。

1 交流组网电力推进系统

交流组网电力推进系统由交流发电机、交流配电板、变压器、变频器以及推进电机组成（见图1）。系统通过交流发电机组，发出的固定电压频率的交流电通过交流配电板进行交流组网，日用负载由交流电网经变压器降压后直接取电，推进负载则由交流电网经过交-直-交的变频器转变为可变频率，并输出相应频率的交流电驱动推进电动机，推进电机在匹配的转速下运转，带动船舶推进器推动船舶航行。

图1 交流组网电力推进系统结构图

和由柴油机、齿轮箱、轴系组成的传统驱动方式相比，交流组网电力推进系统减少了轴系占用空间，且快速响应的特性提升了推进系统操作的便利性。然而因为发电机组输出的是固定频率电压的交流电，在船用负载功率改变时，只有利用交流发电机组在交流电网上的增减操作来应对。这种非线性的功率变化，导致柴油机无法工作在最佳效率区间，低能效高能耗的运行经济性较差。另外，交流组网电力推进系统的配电系统中，电源侧和负载侧的控制单独运作不统一，存在电源侧发电机组控制与负载侧推进电机控制的相互割裂、系统的集成性低、设备繁杂占用空间大、系统稳定性差等缺点。

2 直流组网电力推进系统

图2为直流组网电力推进系统结构图，和交流组网电力推进系统相比，原推进负载的交-直-交变频器进行拆分，交流发电机发出的交流电经过整流单元，直接转换成直流电接入直流电网，直流电网再利用逆变器直接输送交流电给船舶上推进电机以及日用负载供电，这种型式可以将交流控制系统中的供电系统、变频装置、控制系统整合，从而使各种装置的组网侧由原来的发电机交流端迁移至直流端。

直流组网方式，电网上是直流电，但发电机组仍采用常用的交流发电机组，发出的交流电并不会直接连接输出，而是经整流器，将交流电转换为直流电输出，从而组成直流电网。采用这种方式，直流组网电力推进系统将不再受到交流发电机组的输出的电压和频率影响，全部经过整流器转换成直流电压，发电机组的转速不需要做出调整，而通过整流器来实现系统功率调节和变换。利用这一特性，任一发电机组均可在理论上实现转速不同步情况下的协同运行，提高了整个系统的机动性。

图2 直流组网电力推进系统结构图

发电机组会将直流母线上的直流电通过逆变器转变成交流电，然后输出给日用负载，而不直接给船上日用负载供电。逆变器使用了正弦波滤波器，产生的交流电源质量比常规交流发电机直接输出的更加纯净，谐波污染相对更少，并且因谐波已经被直流母线所隔离，没有发电机组谐波的危害。

3 交直流组网技术电力推进系统对比

对比交流组网和直流组网系统图，直流组网在逆变器数量上相比交流组网有所增加，但相应省去了主配电板和推进变压器，系统设备的减少更有利于设备布局，降低施工难度，总体来说直流组网系统方案的初始投入成本与交流组网系统相差不大。

3.1 直流组网相比交流组网电力推进系统的优势

在成本相差不大的情况下，直流组网系统对比交流组网系统，在性能上具有显著的优势：

1）节能减排、降低油耗

直流组网支持柴油机组变速运行，交流电源单独提供，频率无需和柴油机组转速同步。这种型式能够有效降低燃油消耗、减少排放，提升了整个推进系统的能效；同时还能够降低发电机组的噪音振动，延长使用寿命，降低维护成本。和常规交流组网电力推进技术相比，直流组网技术预计可提高15%左右效率。

2）节约空间、减轻重量

直流组网通过母线连接电力系统，日用电源和变频器有效分开，可以省去变压器；发电机组的功率分配和并车由变频器完成，开关包含在直流组网系统内，又可省去主配电板。因此，整个系统的体积和重量都有所减少，集成度得到了很大提升。同时，设备数量的精简也从一定程度减少了设备之间的连接点，降低了系统的复杂度，电缆用量及相关工程量和施工难度也相应减少。相对于传统的交流系统组网方案，预计体积和重量可减少30%左右，电缆数量可减少10%左右。

3）兼容性高、拓展性好

直流组网对于新能源技术具有极好的兼容性。随着新能源技术的发展，电池、超级电容、光伏太阳能、风能等新能源越来越多的应用到船舶上，接入到船舶电力系统中。这些新能源储能设备一般都是以直流型式接入，和交流组网系统相比，新能源设备接入直流组网系统更简单更方便，兼容性更好。

新能源储能设备中锂电池储能的应用最为广泛，以锂电池储能为例，接入交流组网系统需要变压器、滤波器、逆变器等设备，而对于直流组网系统，利用直流变频配电系统中集成的直流斩波器即可直接接入直流电网，接口简单易于控制，有利于多种新能源的复合利用，进一步提高船舶运行经济性。

3.2 直流组网相比交流组网电力推进系统的难点

采用直流组网的电力推进方案相比交流组网方案发展时间短，同样也存在一定技术难点有待解决，主要体现在系统选择性保护困难，技术成熟度有待提高。

和交流组网技术相比，直流组网技术设备选型困难，成本高昂，特别是直流断路器的选择是目前直流组网技术的难点。传统的机械式交流断路器的设计相对比较简单，通过交流电流自然过零时熄灭电弧而分断，分断时间一般会达到几十毫秒，难以实现选择性保护，而新型电子式直流断路器选择范围小、价格相对常规断路器较高，因此直流开关方案的合理选择是目前直流组网技术的一大难点。

发电机组能够工作在不同的转速是直流组网电推系统的最大特点，但这种变转速运行方式控制难度很大，对控制系统的要求很高，柴油机调速系统和发电机调压系统要能够协调一致保持同步控制。因控制系统各不相同，其系统特性和反馈时间也无法统一，控制系统的设计如果不合理，极易引起系统运行不稳定甚至有崩溃的风险。而且因机组工作时转速变化范围较大 (额定转速60%～100%区间)，出现共振点的可能性相比交流组网定转速机组更大，对机组减震降噪系统的设计以及安装精度都有更高的要求。

4 结语

通过对交流组网和直流组网电力推进系统方案的对比分析，直流组网电力推进系统技术凭借节能环保、系统集成性高、兼容性好等诸多方面的优势，势必将成为船舶电力推进系统的未来发展趋势。尤其在新能源船舶领域，未来随着科技的发展和不断进步，电池、太阳能、风能等新能源将逐步代替部分传统石化能源，更多的应用于船舶动力系统上，实现船舶的绿色化、智能化，届时直流组网技术将会得到更广泛应用，拥有更广阔的市场前景。

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Comparative study on ac/dc power grid technology electric propulsion system

Jiang Jiang

( Jiangsu University of Science and Technology Marine Equipment and Technology Institute, Zhenjiang 212000, jiangsu, China)

U665.1

A

1003-4862（2024）03-0074-03

2023-10-12

姜江（1983-），男，硕士，工程师，研究方向：船舶电气设计及研究。E-mail：jiangjiang1218@163.com