船舶中壓直流電網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用分析

朱 鴻

(海軍駐滬東中華造船(集團(tuán))有限公司 軍事代表室，上海 200129)

0 引 言

以往，船舶電網(wǎng)中廣泛使用交流電網(wǎng)，但船載直流電網(wǎng)與交流電網(wǎng)相比，可提高能效，使船舶的運(yùn)營成本降低。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展及技術(shù)的越發(fā)成熟，世界各國都在致力于船舶直流電網(wǎng)的研究。2013-05美國在休斯敦舉辦了國際石油石化天然氣展，創(chuàng)新技術(shù)獎的得主就是ABB集團(tuán)的船載直流電網(wǎng)系統(tǒng)。據(jù)ABB集團(tuán)透露，船載直流電網(wǎng)是一條新的節(jié)能環(huán)保之路，船舶使用該直流電網(wǎng)后，能效可提高20%，同時船上電氣設(shè)備的質(zhì)量及所占的空間也會減小(最多可減少30%)。西門子公司推出了首創(chuàng)性的船舶推進(jìn)系統(tǒng)Blue Drive Plus C，該系統(tǒng)的使用可使柴電推進(jìn)系統(tǒng)具有更高的可靠性及更低的運(yùn)營成本，目前，該船載直流電網(wǎng)系統(tǒng)已在實船使用。

1 系統(tǒng)概述

直流配電在某些情況下，會降低整體損耗和減少諧波失真。直流配電系統(tǒng)將船舶各處不同的直流環(huán)節(jié)合并，憑借單個1 000 V的直流電路配電，可減少交流主配電盤、分布式整流器和換流變壓器等設(shè)備的使用。直流配電系統(tǒng)中存有一個公共直流匯流排，匯流排接入船舶的電力儲能系統(tǒng)，通過最優(yōu)分配原則實現(xiàn)能量的最大化利用，船舶上產(chǎn)生的所有電力可直接或通過整流器匯入到該處，由該處統(tǒng)一向全船所有用電設(shè)備供電。每個主要用電設(shè)備由單獨的逆變裝置饋電，若仍需交流配電網(wǎng)，則會使用孤島變流器為這些較敏感的電路饋送清潔電源。

柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速能及時響應(yīng)負(fù)載的變化，且能保證發(fā)電機(jī)的相關(guān)曲線完好，直流母線處1 000 V的直流電壓可能會發(fā)生微弱變化，但穩(wěn)定在1 000 V是衡量變速柴油機(jī)組并聯(lián)穩(wěn)定運(yùn)行的重要標(biāo)志。船載直流電網(wǎng)的核心是變速柴油發(fā)電機(jī)組，柴油發(fā)電機(jī)組的速度是變化的，當(dāng)負(fù)載增大時，柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速就會相應(yīng)的增大；當(dāng)負(fù)載減小時，柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速就會相應(yīng)降低。負(fù)載和柴油機(jī)轉(zhuǎn)速存在一定的對應(yīng)關(guān)系，對應(yīng)關(guān)系是由最優(yōu)燃油消耗曲線和主機(jī)需要的轉(zhuǎn)速的大小共同決定。柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的改變會引起發(fā)電機(jī)頻率的改變，但經(jīng)過可控整流環(huán)節(jié)后，輸出電壓均為1 000 V的直流電壓，這種設(shè)計可很好地減弱柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)時的功率振蕩，且當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)組處于低轉(zhuǎn)速時，耗油量也較少，實現(xiàn)了節(jié)能需求。但當(dāng)負(fù)載需求功率因外界環(huán)境的變化出現(xiàn)比較大波動時，會嚴(yán)重影響船舶電站的穩(wěn)定性。為安全起見，船舶會增加在網(wǎng)發(fā)電機(jī)組數(shù)量，以確保足夠的安全裕量，但這就意味著與發(fā)電機(jī)相連的柴油機(jī)組大部分時間都處于低負(fù)荷狀態(tài)，嚴(yán)重偏離柴油機(jī)組的最佳能耗范圍，造成能源浪費(fèi)，也對環(huán)境造成污染。將儲能單元應(yīng)用到船舶電力推進(jìn)中,當(dāng)負(fù)載功率出現(xiàn)波動時,利用儲能單元吸收或釋放相應(yīng)的能量使電站輸出功率保持穩(wěn)定,避免波動對船舶電站的沖擊。同時，使原動機(jī)工作在最佳經(jīng)濟(jì)能耗范圍內(nèi),可實現(xiàn)節(jié)能減排。影響船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定的因素多樣且復(fù)雜，存在相應(yīng)的技術(shù)難題，為保證船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行、船舶的安全航行及經(jīng)濟(jì)性，船舶直流電網(wǎng)的運(yùn)用需繼續(xù)研究。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 電勵磁柴油發(fā)電機(jī)組

勵磁系統(tǒng)在柴油發(fā)電機(jī)組中處于不可替代的地位，它是構(gòu)成柴油發(fā)電機(jī)組的重要組成部分，要使同步發(fā)電機(jī)的輸出端電壓穩(wěn)定，需控制加在勵磁繞組上勵磁電壓的大小。勵磁系統(tǒng)的性能影響著發(fā)電機(jī)的供電質(zhì)量、供電可靠性及穩(wěn)定性。勵磁系統(tǒng)還可調(diào)節(jié)勵磁繞組的直流電流，以控制無功功率在并聯(lián)機(jī)組間的分配的合理性，保證并聯(lián)機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 柴油機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)

改變柴油機(jī)的循環(huán)噴油量，可對柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。因此，調(diào)節(jié)柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速其實就是調(diào)節(jié)柴油機(jī)的供油量。當(dāng)找到某種控制方法可很好地控制柴油機(jī)的油量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，就可很好地控制柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速。柴油發(fā)電機(jī)組正常工作時，必須保證發(fā)電機(jī)電壓和頻率是恒定不變的，要達(dá)到這個目的，必須保證柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速是恒定不變的。柴油機(jī)速度的變化是由外界負(fù)載的變化引起的，柴油機(jī)噴油量的多少，反應(yīng)著柴油機(jī)的輸出力矩的大小，噴油量多時柴油機(jī)的輸出力矩就相應(yīng)大些。

圖4 柴油機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩延遲

2.3 可控整流技術(shù)

在可控整流方面，對直流側(cè)的電壓要求是可控的，即在一定的電壓范圍內(nèi)，當(dāng)交流側(cè)的變化不超出這個電壓范圍，直流側(cè)的電壓需恒定不變，以實現(xiàn)可控整流。二極管整流器在整流的某些方面存在一定的優(yōu)勢，但是它不能實現(xiàn)可控整流。PWM整流器可解決諧波污染問題及符合可控整流的要求，該整流器采用的是斬控整流技術(shù)。在PWM整流器中，網(wǎng)側(cè)電流波形和正弦波波形十分相近，同時，電能可實現(xiàn)雙向的流動，網(wǎng)側(cè)可實現(xiàn)功率因數(shù)(如單位功率因數(shù))的控制，動態(tài)響應(yīng)的速度較快。

3 能量管理系統(tǒng)

儲能系統(tǒng)的運(yùn)用是解決上述電力推進(jìn)問題的關(guān)鍵技術(shù)，通過控制儲能單元的充、放電對波動的負(fù)載功率進(jìn)行彌補(bǔ)，以避免備用發(fā)電機(jī)組的接入，保證在網(wǎng)發(fā)電機(jī)組始終處于高效、穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。在系統(tǒng)輕載時，利用儲能單元存儲多余的能量；在系統(tǒng)過載時，儲能單元釋放能量與發(fā)電機(jī)組共同工作，以滿足負(fù)載的需求。

系統(tǒng)儲能單元及中壓直流母線控制是電力推進(jìn)船舶電網(wǎng)的重要組成部分，儲能單元能分配最優(yōu)的能量和功率，可使發(fā)電機(jī)組始終工作在最佳油耗點附近。利用能量型鋰電池和功率型超級電容可實現(xiàn)能源的最大化利用，減少氮養(yǎng)化物等溫室氣體的排放，提高船舶電站的冗余度和短時過載能力減少船舶發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)次數(shù)。

4 結(jié) 語

船舶中壓系統(tǒng)突破系統(tǒng)頻率的限制，降低了對原動機(jī)調(diào)速特性的要求，大幅減小了設(shè)備的體積和質(zhì)量，提高了系統(tǒng)效率和供電連續(xù)性。目前國產(chǎn)中壓直流成套設(shè)備已在相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行推廣和運(yùn)用，擺脫長久以來該領(lǐng)域被國外產(chǎn)品壟斷的局面，提高了我國船舶設(shè)備的裝船率，推進(jìn)船舶設(shè)備在國內(nèi)形成行業(yè)配套、技術(shù)先進(jìn)及市場占優(yōu)的產(chǎn)業(yè)鏈和產(chǎn)業(yè)群，直接降低總裝廠的船舶建造成本，增強(qiáng)了我國船舶建造的國際競爭力。

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