船舶直流電站簡析

蔣新冬

摘要：電力推進(jìn)的船舶與普通柴油機(jī)直接傳動(dòng)推進(jìn)有著很大的優(yōu)勢，具有高效、低噪

音、低震動(dòng)等特點(diǎn)使得越來越多的海工平臺(tái)及工程輔助船采用電力推進(jìn)。選用直流電站，配電板的外形大大縮小，重量減輕，充分提高船上空間的利用率和載重量，加入儲(chǔ)能電池組/超級(jí)電容器，給船舶動(dòng)力響應(yīng)、電站的安全穩(wěn)定性以及節(jié)能效果帶來更大提高。

關(guān)鍵詞：油電混合；直流配電系統(tǒng)；節(jié)能環(huán)保；電池；動(dòng)力定位；電力推進(jìn)

1概述

本文以曾參與設(shè)計(jì)交付的一艘深海原油駁運(yùn)船（Cargo Transfer Vessel）為基礎(chǔ)，簡單闡述一下帶電池組的直流電站系統(tǒng)。相比傳統(tǒng)的交流電站，其主要區(qū)別是負(fù)載由直流電網(wǎng)供電。在交流配電系統(tǒng)中，大部分的負(fù)載經(jīng)（AC-DC，DC-AC）轉(zhuǎn)換電能來驅(qū)動(dòng)。在本項(xiàng)目的直流配電系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)輸出端配置整流器，經(jīng)此輸出直流電給直流配電板，負(fù)載僅需使用逆變器（DC-AC）進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。直流網(wǎng)系統(tǒng)拓普圖（Figure 1）和單線圖（Figure 2）如下。

配有調(diào)速器（Governors），啟動(dòng)時(shí)處于怠速，根據(jù)電網(wǎng)負(fù)載載荷 PEMS給出轉(zhuǎn)速命令，調(diào)整柴油機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置點(diǎn)，使運(yùn)行效能在最佳狀態(tài)。

直流電壓等級(jí)由AVR控制，壓降曲線特性應(yīng)用于直流電網(wǎng)以確保發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)進(jìn)行負(fù)載分配，發(fā)電機(jī)整流器由橋式晶閘管方式進(jìn)行整流。

柴油機(jī)能夠在機(jī)艙控制系統(tǒng)進(jìn)行本地操作，發(fā)電機(jī)也能過整流器本地控制板或者PEMS系統(tǒng)進(jìn)行本地操作。

另外，發(fā)電機(jī)組，直流分配系統(tǒng)可以包含各種交流電電源，比如電池組，超級(jí)電容器等，經(jīng)DC-DC整流器連接到直流電網(wǎng)，由專用軟件控制。

2系統(tǒng)組成

主機(jī)。動(dòng)力系統(tǒng)配置四臺(tái)3.6MW柴油發(fā)電機(jī)，調(diào)速器通過控制油門來控制柴油機(jī)轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速設(shè)定值是由動(dòng)力和能源管理系統(tǒng)（PEMS）來管控。在直流網(wǎng)系統(tǒng)，柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速獨(dú)

1）立于其輸出功率。

2）調(diào)壓器。調(diào)壓器（AVR）控制直流電壓來進(jìn)行負(fù)載分配。在直流網(wǎng)系統(tǒng)，AVR通過發(fā)電機(jī)控制功率輸出。

3）整流器。發(fā)電機(jī)的交流輸出端經(jīng)整流器轉(zhuǎn)換成直流并且控制到直流網(wǎng)的功率流速，實(shí)行對(duì)電壓的受控放大。

4）發(fā)電機(jī)隔離開關(guān)。發(fā)電機(jī)隔離開關(guān)由動(dòng)力和能源管理系統(tǒng)（PEMS）來管控。

5）油門系統(tǒng)。動(dòng)力和能源管理系統(tǒng)（PEMS）接收到油門系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，其標(biāo)準(zhǔn)接口是一個(gè)油門位置的信號(hào)，模擬量。

6）驅(qū)動(dòng)器/推進(jìn)器。二臺(tái)4200KW艉部推進(jìn)器，二臺(tái)2200KW可伸縮推進(jìn)器和一臺(tái)700KW側(cè)推進(jìn)器作為推進(jìn)系統(tǒng)，每臺(tái)推進(jìn)器由每個(gè)驅(qū)動(dòng)控制單元（DCU）來監(jiān)測和控制，PEMS接收來自DCU的模擬量值和狀態(tài)，再發(fā)送負(fù)荷曲線的限制指指令到DCU。

7）直流網(wǎng)保護(hù)單元?？刂破鱎EF615用來監(jiān)測直流網(wǎng)和故障時(shí)對(duì)兩邊配電分電板進(jìn)行保護(hù)。

8）直流母排。PEMS監(jiān)測直流母排的狀態(tài)，PEMS OS本地控制母排通過控制器REF615來實(shí)現(xiàn)保護(hù)。

9）輸入模塊（IC）/能量儲(chǔ)存輸入模塊（ESIC）。輸入模塊監(jiān)測流入流出每個(gè)驅(qū)動(dòng)器的功率，并對(duì)直流網(wǎng)進(jìn)行保護(hù)，在電網(wǎng)電壓突然下降時(shí)，輸入模塊會(huì)阻止電流從驅(qū)動(dòng)器返回到發(fā)電機(jī)側(cè)，確保已安裝保險(xiǎn)絲的分離性和故障后系統(tǒng)的快速恢復(fù)。輸入/ 能量儲(chǔ)存輸入模塊會(huì)與DCU與安全系統(tǒng)之間有通訊。

10）直流/直流整流器。整流器控制直流網(wǎng)和能量儲(chǔ)存系統(tǒng)之間的能量流進(jìn)入/出，用在能量儲(chǔ)存系統(tǒng)。

11）能量儲(chǔ)存系統(tǒng)。能量儲(chǔ)存系統(tǒng)，比如超級(jí)電容器，或者電池組，本項(xiàng)目為電池組。容量為369KWh/1320KW，查找BATTERY的DNV證書，相關(guān)參數(shù)，包含兩串電池，每串有4個(gè)子電池包。通過雙向DC-DC整流器控制電池的充電/放電。

12）低壓配電板/應(yīng)急配電板。非PEMS部分，低壓配電板分2段，供電給交流負(fù)載連接到此配電板經(jīng)由兩臺(tái)1200KW日用變壓器。

13）應(yīng)急配電板。非PEMS部分，應(yīng)急配電板饋電由應(yīng)發(fā)到負(fù)載連接到此配電板。

三臺(tái)1300KW貨油泵，三臺(tái)100KW液壓泵站。以上大型設(shè)備經(jīng)直流母排閉合母聯(lián)配電板，通過母聯(lián)開關(guān)分成2段，直接供電并變頻控制，440V輔助設(shè)備供電則是通過日用變壓器分別從每一段直流母排配電板供電等。大型蓄電池組作為能量補(bǔ)充，連到直流母排2段，這樣構(gòu)成整個(gè)直流配電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，如Figure 2所示。滿足DNV船級(jí)社DYNPOS-AUTR，BATTERY POWER NOTATION。

設(shè)計(jì)考慮正常工作時(shí)電池組同時(shí)連接到兩塊直流母排與四臺(tái)發(fā)電機(jī)組成混合電站，當(dāng)任何一段母排檢測到故障時(shí)，直流配電板中間的母聯(lián)開關(guān)會(huì)在100ms內(nèi)分開，且與故障直流母排連接的電池組開關(guān)也會(huì)分開，使得電池組只與健康的直流配電板相連，組成發(fā)電機(jī)組2臺(tái)發(fā)電機(jī)組和電池組的混合電站來確保在丟失一半動(dòng)力的情況下整個(gè)船舶動(dòng)力定位正常運(yùn)行。在整個(gè)電站的工作過程中，電池組處于輔助柴油機(jī)的狀態(tài)，利用電池組快速放電的特性，使得柴油機(jī)始終工作在最經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)速下。

AC發(fā)電機(jī)組有兩種模式，恒頻和降頻，降頻通過同樣特性的調(diào)速器，并車和同步給油門信號(hào)，給多少油門要從配電板讀功率信號(hào)恒頻模式，各個(gè)調(diào)速器之間有通訊，一個(gè)主調(diào)速器發(fā)油門信號(hào)給各個(gè)調(diào)速器，統(tǒng)一步子，功率信號(hào)也是來自配電板。

直流發(fā)電機(jī)組沒有恒頻，速度全部由PMS管理，根據(jù)柴油機(jī)速度-功率曲線，和下多少M(fèi)S需要的功率，以及電池的容量，給出下一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的轉(zhuǎn)速。

結(jié)語：

綜上所述，本文簡單分析了直流電站系統(tǒng)的組成以及在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)勢，以期為相關(guān)工作提供一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳嘉偉，封海寶，張輝.船舶直流電站電力推進(jìn)系統(tǒng)的研究[J].青島遠(yuǎn)洋船員職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2017，38（02）：1-4+7.