新型發(fā)電機組負載測試兼碼頭供電雙向變頻電源

冒如權王 鋒吉雨冠

（1.海軍駐上海地區(qū)艦艇設計研究軍事代表室 上海 200011；2.榮信電力電子股份有限公司 鞍山 114051；3.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011）

新型發(fā)電機組負載測試兼碼頭供電雙向變頻電源

冒如權1王 鋒2吉雨冠3

（1.海軍駐上海地區(qū)艦艇設計研究軍事代表室 上海 200011；2.榮信電力電子股份有限公司 鞍山 114051；3.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011）

隨著艦船朝大型化、自動化方向發(fā)展，艦船的發(fā)電機組數(shù)量和容量也急劇增大。為保證船舶的安全運營，船級社規(guī)范要求對發(fā)電機組進行負載試驗和并聯(lián)運行試驗。新型發(fā)電機組負載測試兼碼頭供電雙向變頻電源不僅可用于船舶的發(fā)電機組負載測試試驗，同時還可實現(xiàn)電能的回收利用，作為變頻電源向系泊試驗船舶提供電能，減少對船廠周圍環(huán)境造成的污染，具有較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

發(fā)電機負載測試；變頻電源；電能回收

引 言

艦船朝大型化、自動化方向發(fā)展后，船舶的發(fā)電機組數(shù)量和容量也急劇增大。以現(xiàn)在最為火爆的18 000～21 000標準箱超大型集裝箱船為例，普遍配備4臺6.6 kV 約4 320 kW的發(fā)電機組，2015年 7月27日外高橋造船有限公司命名交付的“達飛·瓦斯科·達伽馬”號18 000標準箱集裝箱船配備了4 臺6.6 kV 4 320 kW發(fā)電機組。為了保證船舶的安全運營，船級社規(guī)范要求對船舶的每臺發(fā)電機組進行試驗，其中中國船級社“產(chǎn)品檢驗指南GD 03-2008第11篇電氣設備第5章發(fā)電機組”中就對發(fā)電機組的試驗進行了詳細描述，試驗包括對每臺發(fā)電機組的負載、過載試驗，以及2臺或多臺機組的并聯(lián)運行試驗等。以18 000標準箱集裝箱船為例，進行負載試驗產(chǎn)生的電能約131 000 kW·h，相當于單臺發(fā)電機組以額定功率運行約30 h。

1 概 述

經(jīng)過最近10多年的快速發(fā)展，國內(nèi)建造的船型已經(jīng)覆蓋散貨船、油輪、集裝箱船、海工輔助船、起重鋪管船、半潛船、挖泥船、自升式鉆井平臺、鉆井船、半潛式鉆井平臺、航母、兩棲攻擊艦、綜合登陸艦等，不同的船型所配備的發(fā)電機組的電壓、數(shù)量、容量也各不相同，表1統(tǒng)計了部分船型的發(fā)電機組配置情況。從表1可以看出，船舶發(fā)電機組的電壓類型主要有400 V、450 V、690 V、6 600 V和11 000 V，單臺發(fā)電機組功率從560～8 000 kW不等。

表1 部分船型的發(fā)電機組配置

現(xiàn)在常用的發(fā)電機組負載測試裝置是干式負載柜，干式負載柜是將合金電阻、電感按檔分級投入，從而實現(xiàn)不同功率的組合。干式負載柜的額定電壓選定后不可隨意調(diào)整，只能通過Y型或△型接線方法實現(xiàn)改變，如Y型或△型接法的額定電壓分別為690 V和400 V。當測試不同電壓的發(fā)電機組時，需要額外配備不同變比且容量比待測發(fā)電機組還要大的變壓器才能實現(xiàn)。如18 000標準箱超大型集裝箱船進行負載測試時，選用了4臺450 V 6 000 kVA干式負載柜和8臺6.6/0.45 kV 3 150 kVA降壓變壓器才能完成對4臺4 320 kW發(fā)電機組的測試，如果測試11 kV時，還需要再次選擇其他變比的變壓器。

從船級社規(guī)范對發(fā)電機組的測試要求可知，船舶的發(fā)電機組數(shù)量越多、容量越大進行負載測試的總時間越長，產(chǎn)生的電能也就越多。無論是水負載還是干式負載柜都僅僅是把電能轉(zhuǎn)換成熱能而消耗掉，沒有實現(xiàn)電能資源的有效回收和利用。

另外，中國船級社《產(chǎn)品檢驗指南GD 03-2008》中，第11篇 電氣設備 第5.6.2.1.4負載設備一節(jié)指出：“d.在進行機組負載試驗時，允許采用電能反饋電網(wǎng)的形式”。鑒于以上原因，新型發(fā)電機組負載測試兼碼頭供電雙向變頻電源的研發(fā)是切實可行的。

2 技術方案

新型發(fā)電機組負載測試兼碼頭供電雙向變頻電源是利用大功率電力電子元器件IGBT可控的特點，其整流模塊和逆變模塊均采用IGBT，從而實現(xiàn)電流的雙向流動。

本裝置配有2套變頻電源裝置，每套變頻裝置設計容量為10 MVA，可單獨工作也可以并聯(lián)運行，變頻電源裝置具有四象限能量回饋功能，能夠?qū)l(fā)電機組發(fā)出的電能100%回饋至電網(wǎng)，也可以作為變頻電源使用。裝置主要由網(wǎng)側開關柜、變頻裝置（移相變壓器和功率單元）、電抗器（用于船用發(fā)電機組負載試驗）、濾波器（用于變頻電源時）和斷路器組成，當進行發(fā)電機組負載測試時，雙向變頻電源的一段與待測船舶的發(fā)電機組相連，另一端與船廠10kV電網(wǎng)相連，如下頁圖1所示。

當作為變頻電源向船舶供電時，雙向變頻電源的一段與船廠10 kV電網(wǎng)相連，另一端與船舶6.6 kV中壓配電板母排相連，如下頁圖2所示。

圖1 用作發(fā)電機組負載測試裝置時連接方案

圖2 用作變頻電源向船舶供電時連接方案

2.1 網(wǎng)側開關柜

網(wǎng)側開關柜配置斷路器、隔離刀閘和接地刀閘，保證系統(tǒng)網(wǎng)側正常分合閘操作及維護與檢修的安全；配置三相電壓和電流傳感器用于檢測系統(tǒng)網(wǎng)側電壓、電流參數(shù)、有功功率和無功功率等參數(shù)；配置綜合保護裝置，保證系統(tǒng)在出現(xiàn)故障時能夠迅速可靠地切斷進線電源，保障設備和人身的安全。

2.2 變頻裝置

變頻裝置是本裝置的核心部分，我們選擇多電平H橋串聯(lián)的高-高電壓源型直接變頻方案。三相高壓輸入經(jīng)干式移相變壓器變換為多組三相低壓輸出為功率單元供電，每個功率單元都是一個三相輸入單相輸出的低壓變頻器，UVW三相功率單元的輸出分別串聯(lián)，構成系統(tǒng)的三相高壓輸出。雙向變頻電源由變壓器、功率單元、控制部分組成，采用若干個低壓功率單元串聯(lián)疊加方式實現(xiàn)高壓輸出。

電網(wǎng)電壓經(jīng)過二次側多重化的隔離變壓器移相降壓后向功率單元供電，功率單元為三相輸入、單相輸出的交-直-交PWM 電源型逆變器結構。將相鄰功率單元的輸出端串接起來，形成Y 聯(lián)結構，實現(xiàn)變壓變頻的高壓直接輸出。各功率單元分別由輸入變壓器的一組二次繞組供電，功率單元之間及變壓器二次繞組間相互絕緣，主電路如圖3所示。

圖3 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)拓撲結構圖

本裝置采用的6.6 kV變頻系統(tǒng)采用每相6個單元串聯(lián)方案，通過主電路圖，我們可以更加直觀地了解變壓器的副邊繞組與功率單元以及各功率單元之間的電路連接方式。具有相同標號的6組副邊繞組，分別向同一功率柜（同一級）內(nèi)的三個功率單元供電，第一級內(nèi)每個功率單元的一個輸出端連接在一起形成星型連接點；另一個輸出端則與下一級功率單元的輸出端相連。依此方式，將同一相的所有功率單元串聯(lián)在一起，便形成一個星型連接的三相高壓電源。

功率器件采用IGBT模塊，系統(tǒng)采用目前應用最成熟的PWM調(diào)節(jié)方式，系統(tǒng)具有極高的動態(tài)響應能力和最低的IGBT開關損耗。四象限功率單元為交直交變換結構，三相可控整流、單相逆變，能量實現(xiàn)雙向流通，結構如圖4所示。

輸入端R、S、T接變壓器二次側繞組低壓輸出端，經(jīng)過三相全波整流橋后，形成直流電壓經(jīng)電容濾波后，供給由IGBT功率模塊組成的H橋逆變電路，通過接收光纖觸發(fā)信號，經(jīng)過PWM控制技術，控制A+、A-、B+、B-的導通和關斷，使其輸出單相脈寬調(diào)制波形。

整流變壓器是采用NOMEX絕緣材料制作，絕緣等級為H級的干式變壓器，采用多重化設計以達到降低輸入諧波的目的。對于高壓系統(tǒng)，變壓器原邊繞組直接連接電網(wǎng)的10 kV高壓輸入端，副邊有個二次繞組，采用延邊三角形聯(lián)結，共6個不同的相位組，互差一定的電角度，與6個變頻單元的橋式整流一起形成36脈波的整流電路結構，消除35次以下的諧波，功率因數(shù)接近1。

2.3 濾波器

當作為變頻電源使用時，為保證系統(tǒng)輸出高質(zhì)量的電能，在變頻裝置網(wǎng)側配置LC濾波器，通過該濾波器濾除輸出電壓中的諧波成分，輸出電壓THD達到小于4%。

2.4 開關柜

本裝置共安裝5套高壓開關柜（如圖2的QF1～5），開關柜配置高壓斷路器、隔離刀閘和接地刀閘，保證正常輸出分合閘操作和設備維護檢修的安全。高壓開關柜配置綜合繼電保護裝置，保證系統(tǒng)在輸出過、欠壓，輸出過流和輸出接地等故障時能夠迅速跳閘，保證設備和人身的安全。

圖4 四象限功率單元結構

2.5 主要技術性能指標

新型發(fā)電機組負載測試兼碼頭供電雙向變頻電源的主要性能參數(shù)如表2所示。單臺變頻裝置容量最大可達20 000 kVA甚至更高，待測發(fā)電機的最高電壓可以選擇6.6 kV或11 kV，作為變頻電源使用時的輸出電壓為4.16～6.6 kV或6.6～11 kV可選，頻率兼容50 Hz和60 Hz，可采用移動集裝箱式，也可以固定式安裝。

表2 主要性能參數(shù)

2.6 電能質(zhì)量

因為該裝置既可向船廠電網(wǎng)反饋電能，也可作為變頻電源向船舶供電，所以需要分別分析兩種情況下的電能質(zhì)量。

根據(jù)已往使用經(jīng)驗，只要船廠其他設備消耗的功率大于測試發(fā)電機時反饋的功率，此時電能并沒有反饋到國家電網(wǎng)中去，而是直接被其他負載使用掉了，這時船廠實際從電網(wǎng)使用的電能減少了，當然，為了安全起見我們還是對電能質(zhì)量進行分析。

2013年3月國家電網(wǎng)公司發(fā)布實施了《關于做好分布式電源并網(wǎng)服務工作的意見》，進一步將示范擴大到天然氣、生物質(zhì)能、風能等新能源形式。這意味著，普遍用戶今后不但能用太陽能、天然氣等新能源發(fā)電裝置為自家供電，還可以將用不完的電賣給電網(wǎng)，然而國家電網(wǎng)對柴油或燃氣發(fā)電機組反饋電網(wǎng)的電能質(zhì)量沒有提出明確要求，為了穩(wěn)妥起見可以參考其對分布式光伏發(fā)電的電能質(zhì)量要求（如表3所示），可以看出雙向變頻電源向電網(wǎng)反饋供電時的電能質(zhì)量完全滿足國家電網(wǎng)的要求。

表3 國家電網(wǎng)對分布式光伏發(fā)電的電能質(zhì)量要求

當雙向變頻電源向船舶供電時，電能質(zhì)量要求可以參考船級社規(guī)范，從表4可以看出雙向變頻電源的電能質(zhì)量完全滿足船級社規(guī)范要求。

表4 船級社要求和雙向變頻電源供電質(zhì)量對比

2.7 方案特點

（1）充分滿足大容量船舶電站的負載測試要求；

（2）可覆蓋多種電壓等級；

（3）可兼做變頻電源，為系泊試驗船舶供電；

（4）操作智能化。

3 經(jīng)濟效益和社會效益分析

3.1 經(jīng)濟效益

造船行業(yè)是能耗大戶，每年的夏天用電高峰時，上海的各大船廠會放高溫假，達到平衡用電的目的。按照船級社規(guī)范進行發(fā)電機組負載測試試驗而產(chǎn)生的電能非?？捎^，下面以船級社規(guī)范為基礎，針對各種船型進行分析。

從下頁表5可以看出，發(fā)電機組負載測試所產(chǎn)生的電能與發(fā)電機組的數(shù)量、功率成正比。發(fā)電機組的數(shù)量越多，由于需要把可能并聯(lián)運行的發(fā)電組合全部進行測試，發(fā)出的功率也會更多。20.8萬t散貨船產(chǎn)生的電能約7 920 kW·h，18 000標準箱集裝箱船產(chǎn)生的電能約13.13萬 kW·h，3 000 m半潛式鉆井平臺達到驚人的146.65萬kW·h。

表5 不同船型電站配置及測試時產(chǎn)生的電能

3.2 社會效益

2013年中國船舶工業(yè)集團公司發(fā)布的社會責任報告《強化節(jié)能減排，踐行綠色發(fā)展》指出：我們不斷加大節(jié)能減排投入力度，加強節(jié)能減排先進技術和管理經(jīng)驗的推廣應用，持續(xù)強化計量、統(tǒng)計及監(jiān)測管理基礎，打理開展修舊利廢和資源回收利用，節(jié)能減排管理水平穩(wěn)定提高。2013年，中船集團公司累計消耗能源同比下降10.6%，工業(yè)企業(yè)萬元產(chǎn)值和萬元增加值能耗分別降低10.1%和25.3%，二氧化硫、氮氧化物累計排放分別降低8.9% 和6.5%。我們緊跟節(jié)能環(huán)保趨勢、積極開發(fā)各類型綠色環(huán)保船型，為客戶提供可靠的節(jié)能減排解決方案。同時我們還大力發(fā)展環(huán)保產(chǎn)業(yè)，陸用環(huán)保機械取得成效，采用先進水封爐焚燒方式的焚燒處理系統(tǒng)獲得用戶認可。

以18 000標準箱集裝箱船為例，如果采用雙向變頻電源方式進行發(fā)電機組負載測試，能夠有效回收利用發(fā)電機測試產(chǎn)生的電能約13.13萬kW·h，相當于節(jié)約52.52 t標準煤，少排放了35.7 t粉塵、3.94 t二氧化硫、1.97 t氮氧化物。

以現(xiàn)在外高橋造船有限公司年交付30艘船為例，假設包括18艘20.8 t散貨船、4艘32 t VLCC、5艘20 000標準箱集裝箱船和3座自升式鉆井平臺，每年可以回收利用電能約145.7萬kW·h，相當于節(jié)約583 t標準煤，少排放396.3 t粉塵、43.7 t二氧化硫、21.8 t氮氧化物，對于3 000 m“海洋石油981”號半潛式鉆井平臺而言，一艘船就可以回收利用電能約146.6萬kW·h。通過計算可以看出，此設備能達到較好的能源回收利用效果，具有較高的社會效益。

目前，我國的軍用艦船也正在朝大型化、自動化方向發(fā)展，某些艦船也開始采用電力推進和動力定位的技術，其發(fā)電機組也同樣可采用上述方案。

4 結 論

新型發(fā)電機組負載測試兼碼頭供電雙向變頻電源是利用已經(jīng)在風電并網(wǎng)以及高壓岸電系統(tǒng)領域成熟的技術應用和成功的經(jīng)驗基礎上研制的新裝置，該裝置既可用于船舶的發(fā)電機組負載測試，這已是船級社認可的測試方式，又可以作為變頻電源向系泊試驗的船舶提供岸電電源。

該裝置改變了目前普遍使用的干電阻消耗電能的方式，可以有效回收利用發(fā)電機組負載測試時產(chǎn)生的電能，從而達到節(jié)能減排的效果，還可以和國家正在大力推廣應用的港口高壓岸電系統(tǒng)那樣作為變頻電源向系泊試驗船舶提供電能，從而減少使用柴油發(fā)電機組對船廠周圍環(huán)境造成的污染，具有一定的經(jīng)濟效益和社會效益。

［1］ 王爽，蔣念平，沈龍才.負載器在鉆井船發(fā)電機調(diào)試中的應用研究［J］.船舶與海洋工程，2015（2）：52-56.

［2］ 吳宏.岸電供電系統(tǒng)［J］.船舶，2011（3）：44-47.

［3］ 陳夢，陳剛，王利鵑.船舶高壓岸電系統(tǒng)組成及相關短路研究［J］.中國港口，2011（8）：61-63.

［4］ 楊宇慧，張學煒.高壓船舶岸電系統(tǒng)技術研究［J］.現(xiàn)代制造，2015（21）：174-175.

［5］ 徐筱云，劉維里.船舶高壓岸電系統(tǒng)及其使用［J］.航海技術，2012（2）：59-62.

Bidirectional variable frequency power supply of new type generator set for loading test and power supply on dock

MAO Ru-quan1WANG Feng2JI Yu-guan3
(1. Representative Offi ce of Naval Warship Design & Research, Shanghai 200011, China; 2. Rongxin Power Electric Co. Ltd., Anshan 114051, China; 3. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

The quality and capacity of generator sets on ships increase drastically when the ships are becoming larger and automatic. Loading test and parallel operation test are carried out to guarantee safe operation according to the requirements of the classifi cation society. The bidirectional variable frequency power supply of a new type generator set for loading test and power supply on dock can not only be applied for the loading test， but also for the electrical power recycling. It can provide power for the ships in the mooring trial with less pollution to the environment around the shipyard， resulting in the better economic and social benefi ts.

loading test of generator sets； variable frequency power supply； electrical power recycling

U665.1

A

1001-9855（2015）06-0080-06

2015-08-20；

2015-11-18

冒如權（1979-），工程師，研究方向：艦船電氣設計質(zhì)量監(jiān)督。王 鋒（1980-），博士，高級工程師，研究方向：電力變頻技術。吉雨冠（1959-），研究員，研究方向：艦船觀通。