船舶電網(wǎng)結構的設計模式

溫 莉，韓 杰，周 洋

(江蘇省鎮(zhèn)江船廠集團公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

船舶電網(wǎng)結構的設計模式

溫 莉，韓 杰，周 洋

(江蘇省鎮(zhèn)江船廠集團公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

鑒于現(xiàn)代電力推進技術的廣泛應用，促使船舶電網(wǎng)的功率越來越大；國際海事組織通過的船舶防污染國際公約與許多限制廢氣排放的國家規(guī)范發(fā)布等原因，迫使航運業(yè)日益重視節(jié)能減排與降本增效。在此背景的綜合影響下，船舶電網(wǎng)結構的創(chuàng)新，已成為必然趨勢?？删幊绦蚩刂破髋c現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的結合、高壓電器技術與電力電子技術的發(fā)展，都為船舶電網(wǎng)結構的技術進步提供了支撐?，F(xiàn)今，在船舶傳統(tǒng)電網(wǎng)結構實現(xiàn)智能化的基礎上，出現(xiàn)了船舶公用電網(wǎng)、高壓環(huán)形電網(wǎng)、變頻電網(wǎng)等結構模式。各種電網(wǎng)結構既有共同要求，也有各自需要注意的方面。

船舶電網(wǎng)；電網(wǎng)結構；高壓環(huán)形電網(wǎng)；變頻電網(wǎng)結構；設計模式

0 引言

20世紀90年代以來，可編程序控制器(PLC)與現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)的結合，使船舶電站自動化管理系統(tǒng)(PMS)具有通信、監(jiān)視、操作、運算等功能，可以很方便地實現(xiàn)船舶電網(wǎng)智能化；絕緣新材料的問世、滅弧技術的提高，使高壓電器的體積日趨緊湊，斷流能力顯著提高，為高壓電機、高壓電纜、高壓開關等高壓電器應用于船舶電力系統(tǒng)創(chuàng)造了條件；電力電子技術的發(fā)展，使具有驅動功率小、飽和壓降低等特點的可控大功率器件(IGBT)普遍用于逆變與變頻，尤其是新型晶閘管器件IGCT與IEGT，不僅具備了IGBT的特點，而且功率密度大、電壓等級高、響應速度快，把變流裝置的電壓等級提高到3.3 kV以上，使應用成本進一步降低。相關科技的進步，為船舶電網(wǎng)結構的新模式提供了有力的支撐。在船舶傳統(tǒng)電網(wǎng)智能化的基礎上，出現(xiàn)了公用電網(wǎng)、高電壓環(huán)形電網(wǎng)與變頻電網(wǎng)等多種結構模式。

1 船舶傳統(tǒng)電網(wǎng)結構智能化

船舶電網(wǎng)的傳統(tǒng)結構，通常是由2臺及以上由專用柴油機驅動的主發(fā)電機與1臺及以上由螺旋槳軸驅動的軸帶發(fā)電機作為電源，向主配電板供電，主配電板采用放射式向各用電負載配電，同時還有應急配電板與主配電板相聯(lián)接。電網(wǎng)正常運行時，應急配電板由主配電板供電，主配電板發(fā)生斷電時，應急發(fā)電機自動啟動，供電即切換至應急發(fā)電機。在船舶正常航行工況下，通常由1臺軸帶發(fā)電機(SG)向主配電板供電；在進、出港或港口作業(yè)工況下，由1臺及以上主發(fā)電機(DG)向主配電板供電；在停港工況下，如果用電負載不大，可以由應急發(fā)電機(EG)作為停泊發(fā)電機向主配電板供電。船舶傳統(tǒng)電網(wǎng)結構模式如圖1所示。

圖1 船舶傳統(tǒng)電網(wǎng)結構模式示意圖

通過對PMS和FCS編制一定的程序，即可實現(xiàn)船舶傳統(tǒng)電網(wǎng)智能化，把主發(fā)電機組的起動或停止，軸帶發(fā)電機的勵磁或滅磁，發(fā)電機的投網(wǎng)或撤出、并聯(lián)或解列，發(fā)電機的調(diào)頻、調(diào)載、有功功率與無功功率的分配，重載詢問以及將軸帶同步發(fā)電機轉換成 “助推電動機”等，全部根椐負載對功率的需求與設備的狀況，進行自動控制，具備通訊功能的PMS與FCS相結合，可以將各臺發(fā)電機運行中的主要參數(shù)、開關位置、故障類型等完整信息，在中央監(jiān)控系統(tǒng)的模擬圖上動態(tài)顯示并進行記錄、打印與儲存，同時還具有對發(fā)電機進行繼電保護與遠程控制等功能。設計程序時應做到一旦PMS或FCS出現(xiàn)故障，應確保不降低電網(wǎng)向負載供電的可靠性。

2 公用電網(wǎng)結構

當前，電力推進(主推、Z推或側推)和大型起重機等專用設備，不僅功率很大，而且還要求預留較大的儲備功率以應對特殊工況，其所需電力，一種是由專用發(fā)電機提供，另一種是由公用電網(wǎng)供給，即電力推進等專用設備與船舶輔機等其他設備所需電力，全部由發(fā)電裝置組成的公共電網(wǎng)提供電源。

船舶電力負載的共同特點為電力推進等專用設備與船舶輔機等其他用電設備的最大負載，不可能在同一時間出現(xiàn)。實踐說明采用公用電網(wǎng)結構，無論原動機是柴油機、燃氣機，還是汽輪機，或者是不同能源的原動機進行組合，都通過發(fā)電機將能源電力化，對電力進行綜合利用和分配調(diào)度，有利于提高發(fā)供電設備的利用率，能夠減少全船所需原動機和發(fā)電機的裝機功率。公用電網(wǎng)結構模式見圖2。

圖2 船舶公用電網(wǎng)結構模式示意圖

當采用公用電網(wǎng)向全船提供動力時，除了應具有專用發(fā)電機向電力推進裝置、大型起重機、輸送貨物壓縮機等專用設備提供電力時必須滿足的各項規(guī)定外，還應當符合以下要求：

(1)公用電網(wǎng)的控制系統(tǒng)，應保證在電力推進和船舶其他用電負載之間，安全、合理地分配功率，在必要時應當能自動卸載非重要設備。

(2)公用電網(wǎng)中，發(fā)電機組的臺數(shù)和額定功率應能在1臺機組停止工作時，余下的機組能提供所有重要和維持船舶正常負載所需功率，同時保持推進功率在有效的程度。

(3)如果公用電網(wǎng)中所需電力正常由并聯(lián)工作的2臺或更多臺發(fā)電機組提供，當1臺機組突然停止供電時，余下機組的功率應足夠保證重要負載和有效程度的推進功率不間斷地工作。

(4)提高公用電網(wǎng)的功率因數(shù)，確保電網(wǎng)動態(tài)功率因數(shù)在0.95左右，同時也應防止發(fā)生過補償。

3 高壓環(huán)形電網(wǎng)結構

有關標準把相電壓在1 kV以上的定為高壓。船舶三相交流高壓電力系統(tǒng)常見的標稱電壓等級為線電壓3.3(3.0)、6.6(6.0)、11(10)、16.5(15) kV，通常把上述電壓等級稱為中壓，其標稱頻率為60 Hz，括號中的電壓等級的標稱頻率為50 Hz。

面對功率日益增大的船舶電網(wǎng)，若采用低壓電網(wǎng)供電，有數(shù)萬安培電流，傳輸電力所需要的電纜截面太大，其負面影響是多方面的。對于功率相同的負載，當采用0.44 kV供電，與采用11 kV供電相比較，后者的負載電流約為前者的4%。若電纜電流密度不變，則后者所需電纜截面可比前者減少25倍，雖然后者內(nèi)阻會比前者增大約25倍，但短路電流釋放的熱功率卻比前者降低約90%，電壓損失可從前者的29.7%降為后者的1.2%，線損可從前者的17%降為后者的0.7%。由此可見，采用高壓供電，能夠節(jié)能降損，提高電壓質(zhì)量，減少有色金屬用量，便于電纜敷設，有利于減輕船舶自重和減小短路電流造成的危害，降低船舶建造成本與營運費用。

盡管高壓供電有許多優(yōu)越性，但要在全船都采用高壓電氣設備是不現(xiàn)實的。比較合理的方法是按不同的用途采用不同的電壓等級，對功率很大的電推等專用設備，由高電壓直接供電，采用高壓電動機驅動，也可通過專用變壓器將電壓降至驅動裝置所需電壓等級，特別是需要進行變頻控制時，可利用該專用變壓器可起到抑制諧波的作用；在船舶用電設備集中的區(qū)域，裝設配電變壓器，其初級電源(1級配電)采用高壓環(huán)形電網(wǎng)結構，次級(2級配電)采用低電壓向用電設備放射式供電。通過在各區(qū)域性配電變壓器初級電源控制開關進線側形成的高壓環(huán)形電網(wǎng)，能為高壓配電板各段主匯流排提供互為備用的回路，可以選用多種配電方案，從而提高了供電的可靠性與靈活性。

高壓環(huán)形電網(wǎng)結構如圖3所示。

圖3 船舶高壓環(huán)形電網(wǎng)結構模式

在設計高壓環(huán)形電網(wǎng)時，應注意以下幾點：

(1)高壓配電板與環(huán)網(wǎng)柜應為封閉式金屬鎧裝型，通常為抽屜式或抽出式。高壓開關優(yōu)先選用真空斷路器或采用六氟化硫(SF6)斷路器，對其應按最大可能通過的短路電流進行動、熱穩(wěn)定校驗。

(2)各屏高壓配電板之間應完全隔開，其匯流排至少要分成獨立的2段，每段匯流排上至少有1臺高壓發(fā)電機供電，也可提供至少2個及以上安裝在不同處所相互獨立的電源裝置進行環(huán)網(wǎng)。

(3)應當通過高壓母排分段與母聯(lián)開關(如圖3中的H6與H7)來實現(xiàn)分段母排的并列運行，設計時需要根據(jù)負載情況選擇一組環(huán)網(wǎng)柜的2臺環(huán)網(wǎng)開關與圖3中的高壓開關H1、H12實行“四合三”互鎖，例如選擇環(huán)網(wǎng)開關H23、H24與H1、H12這4只開關中同時只能有3臺合閘，以防止通過環(huán)網(wǎng)形成高壓分段母排并列的旁路，從而影響母聯(lián)開關的保護功能。若考慮當高壓母排分段與母聯(lián)開關無法合閘時，需要用環(huán)網(wǎng)作為高壓分段母排并列的備用回路，在設計時應按其可能通過的電流選配環(huán)網(wǎng)電纜與環(huán)網(wǎng)開關容量。

(4)高壓配電板與環(huán)網(wǎng)柜都應具備“五防”功能，應裝設帶電顯示閉鎖裝置與防淋露自動加熱器。

(5)高壓配電變壓器可選用三相雙繞組干式變壓器。除規(guī)范限制外，高壓側宜采用中性點接地系統(tǒng)，在非限制類船舶中的“地”即“船體”，高壓側中性點接地，有利于防止初、次級繞組之間可能發(fā)生的絕緣降低而產(chǎn)生的過電壓。但中性點對地連接應通過阻抗器等限流裝置，使接地故障電流既不小于接地故障監(jiān)測保護裝置所需最小動作電流的3倍，又要不高于連接至配電板的最大發(fā)電機的額定滿載電流(此處所指電流均為電流互感器的二次電流)，以滿足保護裝置的選擇性與靈敏度。

(6)應當保證中性點接地的連續(xù)性。當一屏高壓配電板分為獨立運行的分段或有幾屏單獨的高壓配電板時,應為每個分段或每一屏高壓配電板設置單獨的中性點接地，并有措施以保證當發(fā)電機被隔離時,接地連接線不會被開路。

(7)高壓電纜的電壓等級與載流能力應符合要求。在中性點對地絕緣的系統(tǒng)中，電纜相與地額定電壓應不低于系統(tǒng)的標稱電壓；在中性點接地系統(tǒng)中，電纜的相與相額定電壓應不低于系統(tǒng)的標稱電壓；環(huán)網(wǎng)電纜有可能會取代高壓配電板的某段主匯流排進行放射式配電。例如圖3中當高壓配電板的11 kVⅡ段失電，由高壓環(huán)網(wǎng)電纜向11 kVⅡ段供電時，H1出線電纜與各高壓環(huán)網(wǎng)電纜應具備相應的載流能力。

(8)應當有效地進行無功補償。對大功率電感性設備，宜進行無功就地補償；對各區(qū)域配電變壓器，可以分區(qū)進行無功自動補償，以提高發(fā)、配電設備的利用率，減少線路損耗，提高電壓質(zhì)量。

(9)高壓配電系統(tǒng)的繼電保護宜采用帶通訊接口的數(shù)字式綜合保護裝置進行主保護與后備保護。

4 變頻電網(wǎng)結構

在多臺柴油發(fā)電機組并聯(lián)運行時，總負載功率中有功功率分配的理想狀況是各臺柴油發(fā)動機的負載與其額定功率的比值均等，主要通過各臺柴油發(fā)動機的調(diào)速器根據(jù)有功負載的變化來調(diào)節(jié)進油量實現(xiàn)的，維持轉速始終趨向于額定轉速，通常穩(wěn)態(tài)特性參數(shù)選擇為4%范圍內(nèi)；總負載功率中無功功率分配的理想狀況是各臺發(fā)電機的電流與其額定電流的比值均等，可通過各臺發(fā)電機的電壓調(diào)節(jié)器(AVR)根據(jù)負載電流的變化自動調(diào)節(jié)勵磁電流實現(xiàn)，通常穩(wěn)態(tài)特性參數(shù)選擇2%范圍內(nèi)。對于功率經(jīng)常處于非常大范圍變化的負載，船舶電網(wǎng)有可能發(fā)生持續(xù)波動，比較難以在規(guī)定的時間內(nèi)將電源頻率、相位、電壓都調(diào)節(jié)到允許范圍之內(nèi)，一旦引起電網(wǎng)失步，可能導致設備損毀。

變頻電網(wǎng)結構采用AC-DC-AC變換模式，即各臺發(fā)電機輸出的交流電經(jīng)整流后送到配電板上進行直流并網(wǎng)，再通過變頻器或逆變器將直流電變換成交流電，向用電設備進行放射式供電。由于整流器的輸出電壓值與輸入電壓值成一定比例，與輸入電源頻率變化無關，因而可將原動機的轉速設計成與負載閉環(huán)控制。當負載增大時，原動機轉速相應增加；當負載減少時，原動機轉速相應降低。變頻電網(wǎng)結構對中頻發(fā)電機應用于船舶，對不同參數(shù)、不同能源的發(fā)電裝置容易并網(wǎng)運行及采用直流輸電，都成為現(xiàn)實；在避免發(fā)生同步故障，提高電網(wǎng)調(diào)控能力，降損增效等方面，都具有實質(zhì)性的意義。

最近，為美國某公司建造的PSV船有4臺柴油發(fā)電機組，發(fā)電機額定電壓AC 690 V，轉速900～1 800 r/min時頻率為45～90 Hz。1號與2號發(fā)電機輸出的交流電經(jīng)整流后向主配電板Ⅰ段直流匯流排供電，3號與4號發(fā)電機輸出的交流電經(jīng)整流后向主配電板Ⅱ段直流匯流排供電，2段直流匯流排額定電壓均為DC 930 V。在2段直流母排上各接有多臺變頻器，其中共有4臺變頻器用AC 690 V分別向主電推、側電推與Z電推供電；此外在2段直流母排上各接有1臺逆變器將DC 930 V直流電變換成60 Hz、690 V交流電，分別向1號和2號主變壓器供電，2臺主變壓器的次級分別用60 Hz、440 V供電給2段交流匯流排，再放射式向輔機及全船其他負載供電，其電網(wǎng)結構如圖4所示。

通過在該船調(diào)試過程中所遇到的問題，有幾點值得在進行變頻電網(wǎng)結構設計與調(diào)試時作為參考：

(1)整流器的AC-DC變換電路，應根據(jù)負載特性而定，可采用三相半控橋式整流電路，也可采用帶有平衡電抗器的雙反星形可控整流電路或晶閘管三相全控橋式整流電路，但都應當備有與負載電流閉環(huán)控制的電壓負反饋自動穩(wěn)壓環(huán)節(jié)，其響應速度遠遠超過AVR。在設計或調(diào)試中，應考慮管壓降、漏抗壓降和線路壓降等因素。對AVR的整定，宜將發(fā)電機空載時的輸出電壓調(diào)節(jié)得高于額定電壓，但不應高于發(fā)電機額定電壓的6%；通過對整流器穩(wěn)壓環(huán)節(jié)的整定，宜將整流器的輸出電壓調(diào)節(jié)得高于直流額定電壓，但不應高于直流額定電壓的10%，而且此時三相半控橋初始控制角應大于0°。這種設置，可以保證在負載劇烈變化時，發(fā)電機與整流器的電壓都有足夠的調(diào)節(jié)范圍。當多臺整流器并列運行時，其穩(wěn)壓環(huán)節(jié)應保持響應速度同步；整流器輸出端應并聯(lián)續(xù)流二極管，以防止迅速將可控硅控制角調(diào)到0°或緊急切斷控制電路時，可能發(fā)生的可控硅關不斷現(xiàn)象。在大多數(shù)情況下，整流器的交流電源輸入需要通過1臺兼作抑制諧波用的整流變壓器，把電壓變換到需要的數(shù)值。該變壓器的變壓比，應當在設計時經(jīng)過比較精確的計算。圖4中，整流器輸入端電壓是AC 690 V，如果不通過整流變壓器將AC 690 V升高到一定的程度，即使把整流電路的控制角調(diào)節(jié)到0°，只要輸出端稍加負載，整流器輸出端的電壓肯定會低于DC 930 V，由此會產(chǎn)生不良影響，重負載時有可能造成整個變流系統(tǒng)瓦解。

圖4 船舶變頻電網(wǎng)結構實例示意圖

(2)變頻器與逆變器中的DC-AC變換電路，通常采用IGBT半橋電路。高電壓時可選用IGCT或IEGT半橋電路，控制方式為可逆脈寬調(diào)制(PWM)，也可采用智能化功率模塊(IPM)和空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)技術。應考慮由換向或其他工況所產(chǎn)生的過電壓尖峰或振蕩，不應導致供電電壓波形從一個疊加的等效正弦波偏離該等效正弦波最大值超過10%。

(3)變流裝置的額定功率應按所需工作方式確定,并且要考慮峰值負載、系統(tǒng)瞬態(tài)及過電壓等情況。變流裝置應能在穩(wěn)態(tài)短路狀態(tài)下，至少必須能在3 s時間內(nèi)承受≥3倍滿載額定電流。DC-AC或AC-AC逆變器，宜通過逆變變壓器進行輸入與輸出隔離，以提高系統(tǒng)安全性和抗沖擊能力，同時可以滿足對輸出電壓的要求。

(4)應考慮變流裝置的無功需求和諧波抑制。整流器、變頻器與逆變器這類變流裝置不但不能為電網(wǎng)提供無功功率，反而要吸收無功功率。比較簡便的方法是并聯(lián)濾波電容器模塊，容抗比一般選7%，船舶電網(wǎng)的無功補償方式宜采用末端補償和分區(qū)補償。末端補償是就地平衡無功功率，效果最好，且無需增加控制開關，通常用于單臺功率較大的設備并與其同時投切；分區(qū)補償?shù)臒o功功率一般難以準確計算，可按區(qū)域配電變壓器額定容量的20%～30%配置容性無功功率，并將其分成幾組，采用無功功率補償控制器對其進行自動投切。變流裝置都必然因非線性而產(chǎn)生高次諧波，有時會造成十分嚴重的后果。在船舶電網(wǎng)中，采用變流回路的多重化(例如圖2中在變頻器進線端安裝接線組別為V/Y/△的變壓器)，也可采用LC無源濾波器或有源電力濾波裝置(APF)等方法，對抑制諧波、提供容性無功功率，都有較好的效果。

(5)發(fā)電機原動機的轉速調(diào)節(jié)，實際上是電流(或功率)正反饋系統(tǒng)。由于是變頻調(diào)速模式，對頻率的變化率已不再有嚴格要求，但在額定功率與額定功率因數(shù)工況下，仍需將原動機轉速調(diào)節(jié)到最高額定轉速；若只有1臺發(fā)電機在網(wǎng)運行，當負載下降至發(fā)電機額定功率的25%以下時，原動機轉速應相應自動降低至最高額定轉速的50%左右；若是多臺發(fā)電機并網(wǎng)運行，當運行機組的轉速已降至最高額定轉速的50%時，總負載功率仍小于并網(wǎng)發(fā)電機總功率的25%。PMS是維持多臺發(fā)電機低速并列運行，還是將其中1臺或幾臺發(fā)電機自動撤出電網(wǎng)，應事先與船級社進行磋商確定。

5 結語

一個安全、可靠、環(huán)保、節(jié)能的船舶電網(wǎng)對船舶的安全性和經(jīng)濟性具有重要意義。各種電網(wǎng)結構，既有共同要求，即船舶規(guī)范與SOLAS公約的各項規(guī)定；也有各自需要注意的方面，即設計與調(diào)試中需要引起重視的問題。在實踐中，各類船舶不一定局限于某一種電網(wǎng)結構模式，經(jīng)常是幾種不同電網(wǎng)結構的綜合應用，在此情況下，應當在滿足規(guī)范要求的基礎上，進行技術經(jīng)濟分析，采用比較先進的技術。受篇幅限制，在本文中未對電網(wǎng)結構的技術設計層面進行展開討論，所提出的觀點主要是在長期實踐中，不斷遇到和不斷解決的問題，可供船電設計、產(chǎn)品訂貨與性能調(diào)試時參考。

[1]周洋.末端補償?shù)睦碚摵蛯嵤J].電工技術，1989(10)：3-7.

2014-08-26

溫莉(1979-)，女，工程師，從事船舶電氣設計；韓杰(1982-)，男，工程師，從事船舶電氣質(zhì)量檢驗；周洋(1943-)，男，高級工程師，從事電氣設計研究與教學。

U665.12

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