直流電力推進(jìn)系統(tǒng)在小水線面雙體科考船上的應(yīng)用

李鴻瑞，熊良勝，邵詩(shī)逸

(1. 中國(guó)船舶科學(xué)研究中心上海分部，上海 200011；2. 泰和海洋科技集團(tuán)有限公司，上海 200000；3. 北京賽思億電氣科技有限公司，北京 100097)

直流電力推進(jìn)系統(tǒng)在小水線面雙體科考船上的應(yīng)用

李鴻瑞1，熊良勝2，邵詩(shī)逸3

(1. 中國(guó)船舶科學(xué)研究中心上海分部，上海 200011；2. 泰和海洋科技集團(tuán)有限公司，上海 200000；3. 北京賽思億電氣科技有限公司，北京 100097)

直流電力推進(jìn)系統(tǒng)作為一項(xiàng)新興的電力推進(jìn)技術(shù)，是目前的研究熱點(diǎn)之一。新興的直流電力推進(jìn)系統(tǒng)具有哪些優(yōu)點(diǎn)，在新船設(shè)計(jì)中如何根據(jù)船舶的具體用途、成本、經(jīng)濟(jì)性、空間等因素選擇合適的電力推進(jìn)系統(tǒng)都是目前值得研究的問(wèn)題。為此，對(duì)直流與交流電力推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行比較，并從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，以正在設(shè)計(jì)的小水線面雙體型科考船為例，對(duì)該船直流電力推進(jìn)系統(tǒng)方案進(jìn)行介紹，對(duì)實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)及需要注意的問(wèn)題進(jìn)行分析。結(jié)果表明，對(duì)于低壓特種船舶，直流電推系統(tǒng)相比交流電推系統(tǒng)在空間、油耗等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。隨著該技術(shù)的發(fā)展，直流電力推進(jìn)系統(tǒng)將在低壓特種船舶領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

直流電網(wǎng)；電力推進(jìn)系統(tǒng)；小水線面雙體船；科考船

0 引 言

由于科考船實(shí)際工作的需要，科考船對(duì)低振動(dòng)、低噪聲、靈活的操縱性等特性要求較高。另外，由于其艙室空間也較為有限，尤其是小水線面雙體船設(shè)備布置受艙室空間影響很大，因此對(duì)設(shè)備布置的靈活性也有較高的要求[1–2]。現(xiàn)今科考船的動(dòng)力系統(tǒng)以電力推進(jìn)系統(tǒng)為主，電力推進(jìn)系統(tǒng)以其低噪聲、設(shè)備布置靈活、自動(dòng)化程度高、經(jīng)濟(jì)性好、操縱性好、可靠性高等特點(diǎn)成為國(guó)內(nèi)外新造科考船的首選形式[3–6]。傳統(tǒng)的民船電力推進(jìn)系統(tǒng)主要為交流電網(wǎng)與電壓源型交-直-交變頻器配合為推進(jìn)系統(tǒng)供電并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)控制，變頻器一般包括12脈沖、虛擬24脈沖、24脈沖和AFE等[7–9]。但交流系統(tǒng)也存在著設(shè)備多、所需空間大、控制復(fù)雜、電纜要求多等問(wèn)題，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，可控整流及斬波逆變技術(shù)的進(jìn)步，節(jié)能減排等要求的提高，直流電力推進(jìn)系統(tǒng)又重新引起關(guān)注[10]，成為一種可供選擇的電力系統(tǒng)型式。作為一項(xiàng)新興的電力推進(jìn)技術(shù)及可供選擇的船舶動(dòng)力系統(tǒng)配置方案，掌握該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)、熟悉該系統(tǒng)在制定配置方案時(shí)應(yīng)當(dāng)注意的問(wèn)題成為合理選擇船舶動(dòng)力系統(tǒng)的必要條件。

1 直流與交流電力推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)比

傳統(tǒng)的交流電力推進(jìn)系統(tǒng)由電站及其管理系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、變頻單元、控制管理系統(tǒng)、推進(jìn)電機(jī)及推進(jìn)器組成[5]。交流發(fā)電機(jī)組作為電站供電至交流主推進(jìn)配電板，主配電板輸出交流電至變壓器及變頻器，交流電在變頻器內(nèi)經(jīng)過(guò)交-直-交的轉(zhuǎn)變實(shí)現(xiàn)變頻，并通過(guò)控制管理系統(tǒng)對(duì)變頻器的控制輸出相應(yīng)頻率的交流電至交流電動(dòng)機(jī)以使電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在合適的轉(zhuǎn)速，交流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)推進(jìn)器（如螺旋槳）轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)船舶推進(jìn)功能，為船舶航行提供動(dòng)力。

本文所述的直流電力推進(jìn)系統(tǒng)方案與20世紀(jì)早期的直流發(fā)電機(jī)直接為全船供電方案不同，發(fā)電設(shè)備和負(fù)載設(shè)備仍采用交流模式。與交流電力推進(jìn)系統(tǒng)的傳統(tǒng)方案相比，該方案采用直流電力推進(jìn)系統(tǒng)方式，將交流變頻器中的交-直-交變化拆分，由交流發(fā)電機(jī)供電，直接通過(guò)整流單元將交流電整流為直流電后供至直流母排進(jìn)行配電，直流母排通過(guò)逆變器輸出交流電至船舶各用電負(fù)載，通過(guò)此種方式將交流系統(tǒng)中配電系統(tǒng)、變頻單元、控制管理系統(tǒng)合并，將所有設(shè)備的組網(wǎng)側(cè)從原有的發(fā)電機(jī)交流側(cè)轉(zhuǎn)移到直流側(cè)，其方案演變示意圖如圖1所示[11]。

直流電力推進(jìn)系統(tǒng)在設(shè)備成本上與配置AFE變頻器的交流變頻系統(tǒng)基本相同。所以，在成本相同的前提下，直流電力推進(jìn)系統(tǒng)方案相比起傳統(tǒng)交流電力推進(jìn)系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）油耗明細(xì)降低

由于采用變速柴油機(jī)方案，油耗在工況多變，需長(zhǎng)時(shí)間在較低負(fù)荷工作的船舶相比傳統(tǒng)交流電力推進(jìn)系統(tǒng)方案有明顯降低[12]，此油耗方面的優(yōu)勢(shì)已在EMS，ABB和Siemens公司大量實(shí)船應(yīng)用中充分證明。對(duì)于E-MS的首艘應(yīng)用直流電力推進(jìn)系統(tǒng)的船舶MV Viking Legend（內(nèi)河游輪、135 m長(zhǎng)、189名乘客+50名船員、推進(jìn)功率2×1 000 kW），其船東Viking公司在接受采訪得出以下結(jié)論：相比起同等路線的可比船舶，節(jié)油率達(dá)到20%。ABB宣稱(chēng)其直流電力推進(jìn)系統(tǒng)最高能夠節(jié)油27%，動(dòng)力定位條件下節(jié)油14%。

此外，針對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)普通電力推進(jìn)及直流電力推進(jìn)3種推進(jìn)系統(tǒng)的效率進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。

表 1 動(dòng)力系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的效率（額定工況下）Tab. 1 Efficiency of related equipment of marine power system (rated condition)

根據(jù)表1可得出以下結(jié)論：

① 直流電力推進(jìn)從效率上優(yōu)于普通電力推進(jìn)，主要原因在于省去了變壓器及配電盤(pán)，其額定工況下的損耗約為3%左右；

② 機(jī)械傳動(dòng)的額定效率要略?xún)?yōu)于電力推進(jìn)傳動(dòng)，主要是由于省去了發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、變頻器等一系列設(shè)備，柴油機(jī)的效率是整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)效率的決定性因素，當(dāng)工況較多時(shí)，機(jī)械傳動(dòng)由于其自身配置限制，柴油機(jī)可能出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間偏離設(shè)計(jì)工況，反而實(shí)際油耗會(huì)更高。

2）大幅節(jié)約了設(shè)備的占地面積、體積和重量

直流與交流電推系統(tǒng)具體設(shè)備集成程度的對(duì)比如圖2所示，由于直流電力推進(jìn)系統(tǒng)相比交流系統(tǒng)降低了設(shè)備數(shù)量，并且提高了設(shè)備的集成度，設(shè)備占地面積及設(shè)備重量均有顯著降低。這方面的優(yōu)勢(shì)在科考船、海工船以及其他特種船舶中變得尤為重要。

小水線面科考船在設(shè)計(jì)之初對(duì)交直流電力推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比分析，表2為交直流2種電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)備占地面積及重量的對(duì)比數(shù)據(jù)，經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)設(shè)備占地面積降低約47%，設(shè)備重量降低約50%。

3）電纜用量及相關(guān)工程量降低

由于降低了設(shè)備的數(shù)量，因此明顯降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度，減少了設(shè)備間的接口、連接電纜的數(shù)量（相比交流電力推進(jìn)系統(tǒng)下降15%左右），同時(shí)降低了相關(guān)的施工成本及施工難度。

4）天然消除了整船范圍的諧波及諧振風(fēng)險(xiǎn)

表 2 小水線面科考船交直流2種電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)備重量及占地面積的對(duì)比Tab. 2 Equipment weight and floor space comparison between AC and DC electric propulsion system

由于方案組網(wǎng)采用直流連接，因此在設(shè)備的諧波特性不會(huì)互相影響，也不會(huì)影響整船電網(wǎng)，因此系統(tǒng)在諧波、諧振方面的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和施工風(fēng)險(xiǎn)都比傳統(tǒng)方案明顯降低。

5）和蓄電池等儲(chǔ)能設(shè)備具備更好的兼容性

由于科考任務(wù)的復(fù)雜性，越來(lái)越多的科考船舶會(huì)在設(shè)計(jì)時(shí)探索靜音工況下關(guān)閉柴油發(fā)電機(jī)組，采用儲(chǔ)能設(shè)備短期保持船舶運(yùn)行的可能。儲(chǔ)能設(shè)備一般是以直流的型式完成對(duì)于能量的存儲(chǔ)，因此直流電推系統(tǒng)相比于交流電推系統(tǒng)，需要更少的額外設(shè)備進(jìn)行連接，具備更好的兼容性。以應(yīng)用較為廣泛的蓄電池儲(chǔ)能為例，交流和直流的連接設(shè)備的原理如圖3所示。交流系統(tǒng)需要變壓器、正弦波濾波器和三相逆變器等設(shè)備，而直流電力推進(jìn)系統(tǒng)僅需要一個(gè)直流斬波器即可實(shí)現(xiàn)和蓄電池的連接。

2 本船直流電力推進(jìn)系統(tǒng)方案

本船是一艘鋼質(zhì)全焊接結(jié)構(gòu)、變頻調(diào)速電力推進(jìn)、雙推進(jìn)電機(jī)、雙軸系、雙槳綜合科學(xué)調(diào)查作業(yè)船。采用小水線面雙體船型，具有雙層連續(xù)甲板，左潛體首部設(shè)置側(cè)推裝置。本船航區(qū)為無(wú)限航區(qū)。本船主尺度如表3所示。

目前基于小水線面雙體科考船的直流電力推進(jìn)系統(tǒng)已經(jīng)獲得了中國(guó)船級(jí)社（CCS）的原則性認(rèn)可，并且將成為國(guó)內(nèi)首條采用直流電力推進(jìn)系統(tǒng)的船舶。下面將結(jié)合本船的實(shí)際情況以及直流電力推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和討論。

表 3 小水線面雙體型科考船主尺度Tab. 3 The principal dimensions of SWATH scientific research vessel

2.1 電力系統(tǒng)基本配置

考慮到停泊、全速運(yùn)行、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和科考定位調(diào)查等不同的工況，主柴油發(fā)電機(jī)組采用“兩大兩小”4臺(tái)的配置結(jié)合不同的工況，由PMS決定發(fā)電機(jī)組的起動(dòng)組合和轉(zhuǎn)速控制。在并車(chē)控制上，傳統(tǒng)的交流電力推進(jìn)系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)需同時(shí)滿(mǎn)足電壓相位相同、頻率相同和幅值相同等條件后方可進(jìn)行并車(chē)操作，并車(chē)后交流電力推進(jìn)系統(tǒng)主要依靠發(fā)電機(jī)組柴油機(jī)之間調(diào)速器特性的匹配實(shí)現(xiàn)合理的負(fù)荷分配，在選擇發(fā)電機(jī)組時(shí)需盡量選擇功率相同的發(fā)電機(jī)組，若選擇的2臺(tái)發(fā)電機(jī)組功率不同，需注意大發(fā)電機(jī)組功率不得大于小發(fā)電機(jī)組功率的2.5～3倍，否則在負(fù)荷突變時(shí)需注意交流電力推進(jìn)系統(tǒng)小機(jī)是否會(huì)出現(xiàn)因超載而跳閘的現(xiàn)象。由于直流電力推進(jìn)系統(tǒng)系統(tǒng)取消了發(fā)電機(jī)之間直接并網(wǎng)的要求，而是通過(guò)變頻器的控制實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)，因此即便2組功率相差較大的發(fā)電機(jī)組，也可以實(shí)并網(wǎng)運(yùn)行和負(fù)載分配。本船最終結(jié)合實(shí)際情況，選擇了2臺(tái)1 100 kW的發(fā)電機(jī)組和2臺(tái)400 kW的發(fā)電機(jī)組。

本船的2個(gè)軸系分別采用1 000 kW的永磁電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。永磁電動(dòng)機(jī)采用直驅(qū)的結(jié)構(gòu)，運(yùn)行轉(zhuǎn)速為120 r/min，這樣的配置取消了對(duì)齒輪箱的要求，可以極大地降低運(yùn)行的噪聲。本船還在船首配置了1臺(tái)300 kW的側(cè)推電機(jī)，在進(jìn)出港以及動(dòng)態(tài)定位的工況下運(yùn)行。

根據(jù)本船船用電站的實(shí)際情況，選擇了630 kVA的電站，和交流電力推進(jìn)系統(tǒng)不同的是，直流電力推進(jìn)系統(tǒng)從直流母線通過(guò)逆變器逆變成恒定的50 Hz輸出。為了不超過(guò)5%的THD（諧波總失真）要求，逆變器的輸出需要配置一個(gè)正弦波濾波器。相比于交流發(fā)電機(jī)組的直接輸出電壓，本船的電站輸出波形沒(méi)有低次諧波的困擾，波形質(zhì)量更好。

整個(gè)直流母線被分為兩部分，這兩部分的直流母線在故障發(fā)生時(shí)，可以保持分開(kāi)運(yùn)行并且具備重新并聯(lián)運(yùn)行的能力。正常運(yùn)行模式下，兩部分的直流電網(wǎng)可以長(zhǎng)期單獨(dú)運(yùn)行也可以長(zhǎng)期并聯(lián)運(yùn)行。本船的單線圖如圖4所示。

2.2 直流電力推進(jìn)系統(tǒng)系統(tǒng)的具體布置

小水線面雙體科考船要求盡量節(jié)省船舶設(shè)備的空間和重量，以容納更多的科考設(shè)備。因此在本船的具體布置上，充分考慮到了直流電力推進(jìn)系統(tǒng)在節(jié)省設(shè)備體積方面的優(yōu)勢(shì)。另外，由于直流變頻器集成了變頻器和配電板的功能，因此一般布置在集控室內(nèi)，可以方便相關(guān)人員的觀察和操作。

本船在設(shè)計(jì)之初給出了2種集控室內(nèi)直流變頻器的布置方案，如圖5所示。方案1集控室布置在主甲板FR53～FR68肋位之間的中間位置，在FR64肋位通過(guò)一道鋼質(zhì)艙壁將集控室分隔為前后兩部分。集控臺(tái)布置在集控室前部，直流變頻器及日用配電板布置在集控室后部，直流變頻器豎向布置。該方案的優(yōu)點(diǎn)在于當(dāng)值班輪機(jī)員進(jìn)入集控室后部可直接同時(shí)觀察直流變頻器及日用配電板，便于集中監(jiān)控管理，但此方案缺點(diǎn)是增大了集控室所需面積，集控室前部所占面積太小，且由于集控室后部長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，室內(nèi)需增加2根支柱支撐以滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的需求，給直流變頻器的擺放及維修也造成一定不便。方案2集控室布置在主甲板FR54～FR68肋位之間的中間位置，在FR61肋位通過(guò)一道鋼質(zhì)艙壁將集控室分隔為前后兩部分。集控臺(tái)及日用配電板布置在集控室前部，直流變頻器布置在集控室后部，直流變頻器橫向布置。該方案的優(yōu)點(diǎn)在于集控室所需面積較小，集控臺(tái)與日用配電板集中監(jiān)控管理，將噪聲較大的直流變頻器單獨(dú)隔離管理，且由于直流變頻器橫向布置使前后部長(zhǎng)度平均，無(wú)需在室內(nèi)增加支柱，結(jié)構(gòu)便利，此方案的缺點(diǎn)是直流變頻器的橫向布置會(huì)給直流變頻器的監(jiān)控管理及電纜的連接帶來(lái)一定的麻煩。經(jīng)多次與船東討論后本船決定采用方案1作為本船集控室的布置方案，但方案2這種布置方式也可作為一種直流電力推進(jìn)系統(tǒng)變頻器的布置方案。

經(jīng)過(guò)合理的設(shè)計(jì)，將最終得到的直流電力推進(jìn)系統(tǒng)的重量和占地面積與傳統(tǒng)的交流電力推進(jìn)系統(tǒng)方案進(jìn)行了比較，可以得到如表2所示的結(jié)果。從表中可看出，無(wú)論是體積還是重量，直流電力推進(jìn)系統(tǒng)相對(duì)于交流電力推進(jìn)系統(tǒng)而言，都得到了明顯的提升。

2.3 盡量考慮遵循傳統(tǒng)的使用習(xí)慣

由于直流電力推進(jìn)變頻器集成了配電板和變頻器，因此不僅在布置上和傳統(tǒng)方法有所不同，在實(shí)際設(shè)計(jì)的操作過(guò)程中也可能和傳統(tǒng)的習(xí)慣有所出入。

首先，由于變頻器不是安置在電動(dòng)機(jī)旁邊，因此需要一個(gè)額外的小機(jī)旁控制箱，以滿(mǎn)足遙控系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)的操作以及部分就地測(cè)試工作。該機(jī)旁控制箱相對(duì)于變頻器體積更為緊湊。

在遙控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，也充分考慮了傳統(tǒng)的操作習(xí)慣，從集控室完成整個(gè)系統(tǒng)的備車(chē)，從駕控臺(tái)完成對(duì)船舶的駕駛操控。操控的位置可以在集控臺(tái)、駕控臺(tái)、動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)和左右翼中間視優(yōu)先級(jí)不同進(jìn)行切換。由于直流電力推進(jìn)系統(tǒng)系統(tǒng)集成了所有的發(fā)電設(shè)備、推進(jìn)負(fù)載和船舶日用電負(fù)載，因此在控制上集成了功率管理系統(tǒng)（PMS）和推進(jìn)管理系統(tǒng)（PCS），所以相對(duì)于傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，取消了重載問(wèn)詢(xún)的要求，控制上的動(dòng)態(tài)響應(yīng)更好。

3 直流電力推進(jìn)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的注意事項(xiàng)

由于本文所述的直流電力推進(jìn)系統(tǒng)還是一項(xiàng)比較新的技術(shù)，根據(jù)本船的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，直流電力推進(jìn)系統(tǒng)在選用及明確具體配置時(shí)還應(yīng)注意一些事項(xiàng)。

3.1 發(fā)電機(jī)組柴油機(jī)的變速運(yùn)行

雖然直流電力推進(jìn)系統(tǒng)有別于傳統(tǒng)交流電力系統(tǒng)的一大核心特點(diǎn)在于發(fā)電機(jī)組柴油機(jī)可以變速運(yùn)行，在不同運(yùn)行工況和不同負(fù)載條件下，選用變化的柴油機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速即可達(dá)到更好的節(jié)能效果。但通過(guò)本船的實(shí)際設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)，是否選擇變速及如何變速應(yīng)根據(jù)所設(shè)計(jì)船舶的需要而定。

1）柴油機(jī)是否一定需要變速。直流電力推進(jìn)系統(tǒng)所述關(guān)于發(fā)電機(jī)組柴油機(jī)變速節(jié)能的優(yōu)勢(shì)僅存在于柴油機(jī)偏離額定工況，在低負(fù)荷及機(jī)動(dòng)工況下長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，通過(guò)采用此種方式可在相應(yīng)的低負(fù)荷下通過(guò)改變柴油機(jī)轉(zhuǎn)速找到一個(gè)低油耗的運(yùn)行工況點(diǎn)運(yùn)行以提高柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性，當(dāng)發(fā)電機(jī)組柴油機(jī)運(yùn)行在額定工況附近時(shí)與定速發(fā)電機(jī)組油耗基本無(wú)差別。而電力推進(jìn)系統(tǒng)本身即具有節(jié)省燃油，提高經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)勢(shì)，可根據(jù)船舶電量負(fù)荷的需求靈活決定并入船舶電網(wǎng)的發(fā)電機(jī)組臺(tái)數(shù)，使發(fā)電機(jī)組柴油機(jī)一直運(yùn)行在額定工況附近，提高柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性[13]。以本船為例，作為一艘科考船，絕大部分工況固定，在設(shè)計(jì)之初即已根據(jù)各工況需要配置發(fā)電機(jī)組使其在各工況皆運(yùn)行于額定工況附近達(dá)到節(jié)能的目的，即使存在其他機(jī)動(dòng)工況或低負(fù)荷工況，運(yùn)行時(shí)間有限，是否采用變速柴油機(jī)對(duì)油耗影響不大。所以是否采用變速柴油機(jī)需根據(jù)船舶實(shí)際使用需求來(lái)決定，對(duì)于工況較多較復(fù)雜，需要在低負(fù)荷下長(zhǎng)期運(yùn)行的海工船及其他特種船舶，采用直流電力推進(jìn)系統(tǒng)配置變速柴油機(jī)發(fā)電相比交流系統(tǒng)在油耗上具有明顯優(yōu)勢(shì)，但在工況較為固定的船舶上，是否變速油耗差別并不明顯。

2）柴油機(jī)如何變速。目前船舶柴油機(jī)僅存在2種型式，一種是以螺旋槳推進(jìn)特性為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的柴油機(jī)，一種是以負(fù)荷特性為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的柴油機(jī)，前者一般作為主推進(jìn)柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳使用，柴油機(jī)可變速，設(shè)計(jì)時(shí)盡量使其在轉(zhuǎn)速與功率成三次方的各點(diǎn)上有較好的運(yùn)行工況，后者一般作為發(fā)電機(jī)組柴油機(jī)使用，柴油機(jī)定速，設(shè)計(jì)時(shí)僅追求柴油機(jī)在該設(shè)定轉(zhuǎn)速下效率最高。若直流電力推進(jìn)系統(tǒng)采用變速柴油機(jī)，則柴油機(jī)不能選用以負(fù)荷特性為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī)組用定速柴油機(jī)，本船雖根據(jù)變速需要選擇可變速運(yùn)行推進(jìn)用柴油機(jī)，但其設(shè)計(jì)工況與直流電力推進(jìn)系統(tǒng)變速柴油機(jī)所需要的運(yùn)行工況還有很大的出入，因此，研制開(kāi)發(fā)與直流電力推進(jìn)系統(tǒng)相匹配的，可以在各工況下有較低油耗的變速柴油機(jī)是該系統(tǒng)需要改進(jìn)的方向。

3.2 變頻器布置的注意事項(xiàng)

直流電力推進(jìn)系統(tǒng)將交流系統(tǒng)中的配電系統(tǒng)、變頻系統(tǒng)及控制系統(tǒng)進(jìn)行了集成，并通過(guò)直流變頻器實(shí)現(xiàn)這些功能。當(dāng)直流變頻器取代交流系統(tǒng)中的主推進(jìn)配電板布置在集控室中時(shí)應(yīng)注意該以下變化對(duì)傳統(tǒng)集控室布置帶來(lái)的影響：

1）對(duì)于布置空間，雖然從總體來(lái)看直流電力推進(jìn)系統(tǒng)節(jié)省了各套系統(tǒng)分別布置所需的空間，但需注意的是功能的集成必然導(dǎo)致直流變頻器比交流系統(tǒng)中主推進(jìn)配電板的外形尺寸要大，需注意應(yīng)根據(jù)需要適當(dāng)增加集控室的面積；

2）對(duì)于維修空間來(lái)說(shuō)，交流系統(tǒng)中主配電板前后一般各留出600 mm的距離即可滿(mǎn)足維修需要，但直流變頻器系統(tǒng)的前方及左右兩側(cè)需留出約1 000 mm的維修空間以滿(mǎn)足內(nèi)部元件維修、拆卸、更換的需求；

3）對(duì)于噪聲，一般相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范規(guī)定集控室內(nèi)空氣噪聲不得高于75 dB（A），但直流變頻器的空氣噪聲約為85 dB（A），在集控室內(nèi)需對(duì)直流變頻器進(jìn)行隔離以滿(mǎn)足空氣噪聲的相關(guān)要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，直流電力推進(jìn)系統(tǒng)因其具有在低負(fù)荷、變工況下油耗明顯降低、系統(tǒng)集成度高，大大降低裝船設(shè)備重量及所需占地面積、電纜用量及相關(guān)工程量降低、諧波諧振低等顯著優(yōu)勢(shì)，必然成為船舶綜合電力系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)之一，尤其在低壓特種船舶領(lǐng)域?qū)?huì)得到廣泛應(yīng)用。在直流電力推進(jìn)系統(tǒng)的配置及設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮柴油機(jī)起動(dòng)、并車(chē)、制動(dòng)電阻配置及可變速運(yùn)行等方面所具備的特點(diǎn)，為主推進(jìn)系統(tǒng)各設(shè)備的配置提供更多可能性；同時(shí)應(yīng)注意發(fā)電機(jī)組是否配置變速柴油機(jī)、設(shè)備布置與交流系統(tǒng)的區(qū)別等問(wèn)題。此外，直流電力推進(jìn)系統(tǒng)仍存在很大的提升空間，現(xiàn)階段研制開(kāi)發(fā)與直流電力推進(jìn)系統(tǒng)相匹配的變速柴油機(jī)、制定相關(guān)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)都是該系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。

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Application and research of DC electric propulsion to the SWATH scientific research vessel

LI Hong-rui1, XIONG Liang-sheng2, SHAO Shi-yi3
(1. Shanghai Branch, China Ship Scientific Research Center, Shanghai 200011, China; 2. Tehe Ocean Technology Group Limited, Shanghai 200000, China; 3. Beijing CSE Electrical Technology Group Limited, Beijing 100097, China)

The DC electric propulsion system, as a new electric propulsion technology, is one of the hot topics in current research. At present, the advantages of the DC electric propulsion system have been gradually understood, and how to choose the appropriate electric propulsion system according to the specific use, cost, economy, space and other factors in the new ship design should be under investigation. This paper compares the DC and AC electric propulsion system. From the perspective of practical application, taking the design of “SWATH type scientific research vessel” as an example, the DC propulsion system solution of this ship is introduced. Furthermore, the merits and problems that need attention are analyzed. The results show that the DC electric propulsion system has obvious advantages in space, fuel consumption and other aspects. With the development of this technology, the DC electric propulsion system will be widely used in the field of low voltage and special purpose ship.

direct current grid；electric propulsion system；SWATH；scientific research vessel

U664.14

A

1672 – 7649(2017)08 – 0085 – 06

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.08.018

2016 – 11 – 30

李鴻瑞(1990 – )，男，碩士，助理工程師，研究方向?yàn)榇拜啓C(jī)設(shè)計(jì)。