船舶交流電力推進系統(tǒng)的特點及設計要點

摘要：本文介紹了目前常用的交流船舶電力推進系統(tǒng)的優(yōu)點和組成，重點探討了在整個系統(tǒng)設計中應該注意的幾個問題，以及規(guī)范對這些問題的約束，并提出了解決思路和辦法。

關鍵詞：船舶；交流電力推進；諧波消除

中圖分類號：U644.14 文獻標識碼：A

The major point of designing marine electric propulsion system

LIU Yi

( CCS Guangzhou Branch，Guangzhou 510280 )

Abstract: The article described the advantage and the parts of the marine electric propulsion system，the issue is the major problems during design， how to solve it， and how to meet the rules and regulatins.

Key words: Marine; Electric propulsion system; Harmonic disctortion cancellation

1引言

自1874年世界上第一艘電力推進船舶誕生以來，經(jīng)過100多年的發(fā)展，特別是進入20世紀90年代之后，隨著大功率晶體管GTR、晶閘管GTO、絕緣柵雙極晶體管IGBT的開發(fā)并投入使用，以及電力電子高新技術的成熟，為電力電子設備成功運用于船舶電力推進系統(tǒng)打下了堅實的基礎。電力推進在十多種船型、500多艘艦船上得到了成功的應用，幾乎涵蓋了所有的船型。

2交流船舶電力推進系統(tǒng)的優(yōu)點

相對于傳統(tǒng)的柴油機推進系統(tǒng)，電力推進系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：

（1）更加經(jīng)濟。在一艘船上可多臺中速柴油機用于發(fā)電，根據(jù)用電負荷選擇發(fā)電機運行臺數(shù)，使機組始終運行于高效工作區(qū)，實現(xiàn)最大的經(jīng)濟性；

（2）良好的操縱性。采用電力推進系統(tǒng)后，操縱控制方便，起動加速性好，制動快，正反車速度切換快，推進電機轉(zhuǎn)速易于調(diào)節(jié)，在正反轉(zhuǎn)各種轉(zhuǎn)速下都能提供恒定轉(zhuǎn)矩，因此能得到最佳的工作特性，使船舶取得優(yōu)良的操縱性；

（3）良好的安全性。對于柴油機推進的船舶來說，一旦主機重要部件或舵機、軸系出現(xiàn)故障往往導致癱船。而電力推進則使用多臺原動機，個別機組故障不會導致喪失動力。而且采用的同步電動機定子有兩組相互獨立的繞組，一組出了故障仍可減載運行；

（4）節(jié)省空間。采用傳統(tǒng)推進系統(tǒng)的船舶軸系長度往往占到船長的40％左右，采用電力推進系統(tǒng)的船舶省去了傳動軸系、減速齒輪箱，改善了機艙布局結構，使動力裝置安排更加合理，節(jié)省了大量空間；

（5）低噪音。采用電力推進后，柴油發(fā)電機安裝在彈性底座上，以恒定轉(zhuǎn)速運行，與軸系和船體也無直接聯(lián)結，大大減少了振動和噪聲，工作區(qū)整潔，提高了乘船的舒適程度；

（6）低排放。對同一功率船舶而言，電力推進的中速柴油機可以始終在最佳工作區(qū)工作，燃油燃燒質(zhì)量好，燃燒產(chǎn)物中的氮氧化物含量少，減少了廢氣排放，使機艙內(nèi)空氣新鮮，環(huán)境質(zhì)量得到改善。

3交流船舶電力推進系統(tǒng)的設計流程

根據(jù)船舶交流電力推進系統(tǒng)的特點，大致可將設計流程優(yōu)化為以下幾個步驟，見圖1。

圖1 交流船舶電力推進系統(tǒng)設計流程

圖1為典型的負反饋型設計流程，針對電力推進系統(tǒng)的特異性而不斷將結果反饋，并根據(jù)結果調(diào)整過程，最后達到設計目標。設計過程中，重點在船舶電站的選取和組合上，而難點則在選擇適當?shù)姆椒ㄏ娋W(wǎng)中的諧波。

4船舶電站的選擇

船舶電站的選擇是整個設計的重點。在滿足船舶總體性能的前提下，船舶電站的選擇配備具有多樣性，如何做出最優(yōu)選擇關系著整個方案的成功與否。

圖2交流電力推進系統(tǒng)的典型系統(tǒng)圖

船舶電力推進系統(tǒng)的組成大致如下：原動機→發(fā)電機→配電板→推進變壓器→推進變頻器→推進電機，其中原動機的效率較低，為0.4左右，其他各部分的轉(zhuǎn)換效率均在0.95以上，其中配電板分配電的效率可達到0.995左右，見表1。

表1各組成部分效率表

船舶電力推進系統(tǒng)的能量傳輸環(huán)節(jié)眾多，每個環(huán)節(jié)都有部分能量損耗，但隨著科學技術的發(fā)展，每個環(huán)節(jié)的傳輸效率都在漸漸升高，制造成本也逐漸走低。

在電力推進系統(tǒng)設計時，船舶所需的推進功率是由船舶的航速、型線等因素決定的，根據(jù)船舶需要的推進功率和上述的各環(huán)節(jié)效率可反推出需要裝機的發(fā)電機總功率(約為推進功率/0.915)。隨著節(jié)能技術和新技術的應用，相信總效率會有所提升，但由于環(huán)節(jié)眾多，根據(jù)能量守恒定律，效率值還是會小于1。對于電力推進船舶，一般情況下推進功率會遠遠大于船舶航行期間的營運用電，如果在設計階段不考慮這個效率問題，則可能導致最后選擇的電站功率偏小，給整個電力系統(tǒng)的設計帶來風險。

在推進器和發(fā)電機功率及數(shù)量的選擇上，需要注意船級社規(guī)范的要求，也即當任一發(fā)電機故障時，仍能保證海上船舶的有效推進，即至少能達到一半的設計航速或7 kn(取大者)。主匯流排至少分成兩段，由聯(lián)絡開關連接，并將發(fā)電機和推進器均勻地分布在聯(lián)絡開關的兩側。當采用1臺電動機做推進動力時，應配備2臺推進變頻器，航行時1用1備。當采用多臺電動機/推進器做動力時，則應充分考慮一半航速或7 kn所需要的推進功率，這個功率與單臺電機/推進器額定功率之間的關系，從而反推出船舶電站的裝機總容量。

當選取的推進功率較大時，宜采用中/高壓(額定相間電壓超過1 kV)電力推進系統(tǒng)，以降低電纜載流量，減少電纜，降低施工難度。規(guī)范對此類電力系統(tǒng)要求中壓發(fā)電機應采用真空斷路器，具有差動保護功能，且一般采用發(fā)電機中性點接地。

此外，在滿足總體性能的前提下，應考慮到設備的互換性和備用型。

5船舶電網(wǎng)的諧波消除

電力推進系統(tǒng)采用中、高速原動機，相比傳統(tǒng)的低速機而言減小了體積和重量，而且具有更好的操縱性能，推進馬達功率可實時平滑調(diào)節(jié)，保證在網(wǎng)發(fā)電機負荷率最優(yōu)化，從而保證較高的效率。但其缺點也很明顯，因為普遍使用電力電子裝置和非線性負載，導致電力推進系統(tǒng)在運行中反饋的諧波電流和無功電流大量注入電網(wǎng)，嚴重威脅電網(wǎng)和電氣設備的安全運行與正常使用。

當電網(wǎng)諧波處于一定的限定值以下時，電氣設備是可以正常使用的。目前國家對公眾電網(wǎng)電壓總諧波(相電壓)畸變率限定在5%以下，這與世界上通行的IEC標準稍有出入，IEC和各大船級社現(xiàn)行規(guī)范的要求對比如下：

（1）LR規(guī)范規(guī)定，電壓波形的總諧波失真(THD)在所有頻率直至50倍供電頻率時，不應超過基波的8%，且在25倍以上供電頻率的任一頻率的電壓不應超過供電電壓基波的1.5%；

（2）CCS規(guī)范規(guī)定，對專用的系統(tǒng)，如為電力推進供電的配電板，總的電壓畸變應不超過10%，15次及以下的諧波不允許超過5%，其后漸減，在100次單次諧波時下降到1%；

（3）RINA規(guī)范規(guī)定，對于半導體變換器供電的裝置，15次及以下的諧波不允許超過5%，其后漸減，在100次單次諧波時下降到1%，總諧波不超過10%即可。

交流電力推進系統(tǒng)最重要也是最關鍵的就是將諧波減小至標準/規(guī)范允許的電氣設備能正常工作的范圍內(nèi)，通常采用以下方法：

（1）主動型諧波抑制。通常采用移相制造出多脈沖整流方案，移相角=180 /N，N為脈沖數(shù)，脈沖越多，波形越接近正弦波，電路結構也越復雜，最常用的為6脈沖、12脈沖、虛擬24脈沖和24脈沖四種方案。

其中，6脈沖和12脈沖在主母線上的THD值是超出5%的要求，虛擬24脈沖和24脈沖運行期間的總諧波失真畸變率才滿足要求。圖3為虛擬24脈沖的典型方框圖，圖中的黑實線可將虛擬24脈沖系統(tǒng)分為A部分和B部分，每部分都由推進變壓器+推進變頻器組成，每部分單獨來看都是12脈沖系統(tǒng)，當他們同時運行，并且相位角進行協(xié)調(diào)后，可組成虛擬24脈沖系統(tǒng)。但當A部分或B部分的任一個出現(xiàn)故障不能運行時，僅靠單部分運行，則又變回12脈沖系統(tǒng)。因此，考慮到虛擬24脈沖系統(tǒng)的可靠性，還不能說此種設計的系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波是完全滿足要求的。

圖3典型多脈沖電力推進裝置方框圖

（2）被動型諧波抑制。被動型諧波抑制技術，通常可分為無源濾波器方案和有源濾波器方案兩種：

無源濾波器方案：LC無源濾波器由電力電容器、電抗器和電阻器按功能要求組合而成，優(yōu)點是投資費用少，但設備體積 較大，而且濾除不同次數(shù)的諧波需要配套不同的無源濾波設備，對某個單次諧波需要單獨設計LC單諧振回路，利用LC諧振回路的特點向電網(wǎng)注入諧波電流來濾除某一次諧振頻率相同的諧波，避免使其進入電網(wǎng)，設計參數(shù)與系統(tǒng)阻抗有關，適合負荷單一、變化率小的穩(wěn)定場合；

有源濾波器方案：有緣濾波器是近年來發(fā)展迅速的一種抑制諧波的方案，它是一種用于動態(tài)抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置。它通過實時檢測負載電流或電壓中的諧波分量，產(chǎn)生一個與其幅值相同、相位相反的諧波電流或電壓，并將其注入系統(tǒng)中與諧波相互抵消，能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)治理，反應迅速。更為關鍵的是，它用一臺裝置就能完成各次諧波的治理，且不會與系統(tǒng)阻抗發(fā)生串聯(lián)或并聯(lián)諧振，適用范圍很廣。

船舶電力推進系統(tǒng)設計時，首選主動型諧波抑制，在滿足任務需求的前提下，盡可能地選擇高脈沖方案，從根本上減小諧波。當諧波超過船用電氣設備的許用標準時，可根據(jù)實際情況選用無源濾波器或有源濾波器，從而治理電網(wǎng)諧波，清理出一個滿足要求的干凈電網(wǎng)。

經(jīng)過上述幾個步驟，一個滿足任務需求的電力推進系統(tǒng)大框架基本建立，接下來就進入設計具體化和細化的過程，在此不再贅述。

6結束語

在資源越來越緊張，污染蔓延越來越擴大化的今天，船舶電力推進系統(tǒng)對傳統(tǒng)柴油機推進系統(tǒng)的高效、低污染具有無可辯駁的優(yōu)勢，隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展，相信電力推進系統(tǒng)在船舶上的應用會越來越廣。

參考文獻

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作者簡介：劉毅(1981-)，男，工程師。主要從事船舶電氣審圖工作。

收稿日期：2013-11-19