船舶電力推進(jìn)交流與直流系統(tǒng)對(duì)比研究

陳嘉偉，曹曉明，陳旭清，郭 昂

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船舶電力推進(jìn)交流與直流系統(tǒng)對(duì)比研究

陳嘉偉1，曹曉明1，陳旭清2，郭 昂1

(1. 中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，無(wú)錫 214082；2. 無(wú)錫市水利局，無(wú)錫 214031)

對(duì)交流與直流船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了對(duì)比分析，將船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為系統(tǒng)設(shè)計(jì)和關(guān)鍵設(shè)備選型設(shè)計(jì)兩部分進(jìn)行了研究。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，主要對(duì)比了交流與直流系統(tǒng)的短路電流、選擇性保護(hù)、諧波抑制的異同。在關(guān)鍵設(shè)備選型設(shè)計(jì)方面，對(duì)ABB、SIMENSE和EMS三個(gè)技術(shù)方案對(duì)直流母排故障的保護(hù)方面進(jìn)行了分析。隨后對(duì)直流船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)與不足進(jìn)行了分析，最后對(duì)船舶電力推進(jìn)交流與直流系統(tǒng)對(duì)比進(jìn)行了總結(jié)。

電力推進(jìn) 對(duì)比研究 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 設(shè)備選型設(shè)計(jì)

0 引言

船舶電力推進(jìn)是指將船舶的動(dòng)力系統(tǒng)和電力系統(tǒng)進(jìn)行綜合的一體化設(shè)計(jì)，將其它的能量形式統(tǒng)一轉(zhuǎn)化成電能后，提供給全船所有設(shè)備使用[1]。經(jīng)過近三十年的發(fā)展和應(yīng)用，常規(guī)低壓交流電力推進(jìn)技術(shù)已逐步發(fā)展成熟，中高壓交流電力推進(jìn)技術(shù)也得到了廣泛的應(yīng)用，目前是大型海洋工程船中電力推進(jìn)系統(tǒng)的主流。此外，隨著對(duì)節(jié)能環(huán)保及高性能船舶電力系統(tǒng)的要求不斷提高，以直流電力系統(tǒng)為特征的新一代船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)已經(jīng)開始出現(xiàn)，并在節(jié)能減排、多能源接入、設(shè)備重量體積等方面表現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢(shì)，成為行業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)方向[2]。

船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包含兩方面的內(nèi)容，一是系統(tǒng)設(shè)計(jì)，二是關(guān)鍵設(shè)備選型。系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要解決系統(tǒng)層面的問題，包括確定系統(tǒng)電制、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行工況，完成負(fù)荷計(jì)算、系統(tǒng)短路電流計(jì)算、系統(tǒng)選擇性保護(hù)分析、諧波計(jì)算與抑制等。關(guān)鍵設(shè)備選型是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，完成對(duì)系統(tǒng)總體性能及可實(shí)現(xiàn)性有決定性影響的關(guān)鍵設(shè)備的選型，同時(shí)在選型的基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行一定程度的優(yōu)化[3]，如通過設(shè)備參數(shù)的調(diào)整是系統(tǒng)的綜合性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)等。

本文從船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和關(guān)鍵設(shè)備選型設(shè)計(jì)這兩項(xiàng)為切入點(diǎn)，對(duì)直流系統(tǒng)和交流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了對(duì)比研究。

1 直流、交流電力推進(jìn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)比

無(wú)論交流系統(tǒng)還是直流系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)內(nèi)容都是一致的，都需要考慮系統(tǒng)短路電流、選擇性保護(hù)、諧波抑制等[4]，但由于兩者工作機(jī)理不同，導(dǎo)致兩者的關(guān)注點(diǎn)是不同的。

1.1 短路電流

對(duì)交流系統(tǒng)來說，系統(tǒng)的短路電流更多與發(fā)電機(jī)電磁參數(shù)及系統(tǒng)運(yùn)行工況相關(guān)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中對(duì)短路電流和諧波問題需要統(tǒng)籌兼顧考慮，既保證將短路電流控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，方便斷路器選型，也要保證系統(tǒng)的諧波含量滿足規(guī)范的要求。

對(duì)直流系統(tǒng)來說，系統(tǒng)的短路電流除了與發(fā)電機(jī)的電磁參數(shù)及運(yùn)行工況有關(guān)外，還有一個(gè)極為重要的因素是變頻器母線電容的放電電流。該電流持續(xù)時(shí)間短（一般在100 μs以內(nèi)），對(duì)系統(tǒng)的破壞極大，是目前行業(yè)內(nèi)需要解決的一大技術(shù)難題，目前國(guó)際上也沒有針對(duì)船舶直流系統(tǒng)短路電流計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

1.2 選擇性保護(hù)

對(duì)交流系統(tǒng)來說，系統(tǒng)的選擇性保護(hù)設(shè)計(jì)方案相對(duì)成熟，無(wú)論是中壓系統(tǒng)還是低壓系統(tǒng)，都可以通過各級(jí)斷路器之間在動(dòng)作時(shí)間和動(dòng)作電流上的合理設(shè)置實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)保護(hù)的選擇性，并具有后備保護(hù)。

對(duì)直流系統(tǒng)而言，系統(tǒng)的選擇性保護(hù)是目前行業(yè)內(nèi)公認(rèn)的難點(diǎn)。這體現(xiàn)在三個(gè)方面，一是系統(tǒng)各級(jí)設(shè)備的選擇性保護(hù)極為困難，特別在多機(jī)并聯(lián)的情況下；二是各級(jí)保護(hù)幾乎沒有后備保護(hù)；三是直流系統(tǒng)與交流系統(tǒng)的匹配問題。

1.3 諧波抑制

對(duì)交流系統(tǒng)來說，諧波抑制關(guān)注的重點(diǎn)是公共母線的諧波畸變量，包括公共母排和日用電網(wǎng)，必須保證各級(jí)電網(wǎng)的諧波指標(biāo)不超過規(guī)范要求的限值。在科考船上，對(duì)科考設(shè)備供電的電源可能有更高的要求，需要獨(dú)立的清潔電源供電。對(duì)直流系統(tǒng)來說，對(duì)諧波問題關(guān)注的重點(diǎn)在交流發(fā)電機(jī)和日用負(fù)載電網(wǎng)這兩個(gè)方面，在交流發(fā)電機(jī)方面來說由于100%非線性負(fù)載引起的諧波問題是發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)中必須考慮的因素。在日用負(fù)載方面，由于采用靜態(tài)電源供電，電源的濾波方案是重點(diǎn)考慮的因素。

2 直流、交流電力推進(jìn)的設(shè)備選型對(duì)比

關(guān)鍵設(shè)備的選型與功能設(shè)計(jì)是與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的多項(xiàng)計(jì)算結(jié)合起來完成的，主要包括4項(xiàng)：在系統(tǒng)短路電流計(jì)算的基礎(chǔ)上完成配電板主斷路器的選型；在系統(tǒng)選擇性保護(hù)分析的基礎(chǔ)上完成系統(tǒng)選擇性保護(hù)方案的制定；在諧波計(jì)算的基礎(chǔ)上完成推進(jìn)系統(tǒng)整流方式（對(duì)交流系統(tǒng)）并結(jié)合短路電流計(jì)算確定發(fā)電機(jī)電磁參數(shù)；在負(fù)荷計(jì)算的基礎(chǔ)上完成PMS的功能設(shè)計(jì)和控制策略的優(yōu)化。

傳統(tǒng)交流綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)目前已經(jīng)基本發(fā)展成熟[5]，其總體性能及系統(tǒng)可靠性已經(jīng)得到了充分驗(yàn)證，在合適的系統(tǒng)容量范圍內(nèi)，技術(shù)方案的可行性十分可靠。對(duì)交流綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更多的注意力放在設(shè)備的選型方面，即是否有合適的產(chǎn)品可供選型。系統(tǒng)容量8 MW以下采用低壓交流系統(tǒng)在技術(shù)上十分成熟，關(guān)鍵設(shè)備的選擇范圍比較多。系統(tǒng)容量8 MW~50 MW采用中壓交流系統(tǒng)在技術(shù)上也較為成熟，國(guó)內(nèi)外均有相關(guān)關(guān)鍵設(shè)備供選型[6]。

對(duì)直流綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)來說，國(guó)內(nèi)還沒有成熟應(yīng)用案例，國(guó)外僅有以ABB、SIMENSE、EMS三家公司為代表的少數(shù)應(yīng)用案例，且全部為低壓系統(tǒng)，目前為止國(guó)內(nèi)外均沒有中壓直流系統(tǒng)的應(yīng)用案例[7]。以ABB、SIMENSE、EMS為代表三家公司分別采用了不同的直流綜合電力系統(tǒng)技術(shù)路線，無(wú)論哪種技術(shù)方案，核心的差異都體現(xiàn)在對(duì)直流母排故障的保護(hù)方面，這也是直流綜合電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)與關(guān)鍵點(diǎn)，以圖1所示的典型直流綜合電力系統(tǒng)進(jìn)行說明。

ABB方案供電側(cè)采用同步發(fā)電機(jī)+不控整流的方式，母聯(lián)開關(guān)采用機(jī)械式斷路器，在每個(gè)負(fù)載的逆變側(cè)裝有電子開關(guān)，用于阻斷在母線故障情況下逆變單元電容放電，從而限制故障發(fā)生時(shí)的故障電流，使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的故障穿越能力。該方案在母排發(fā)生故障的情況下可以保證母聯(lián)斷路器先分?jǐn)?，保證非故障母線的正常運(yùn)行，具有一定的選擇性，但在發(fā)電機(jī)整流單元故障的情況下也會(huì)失去一段母線的供電，不能實(shí)現(xiàn)完全選擇性。由于需要在每個(gè)逆變單元上設(shè)置一個(gè)電子開關(guān)，該方案造價(jià)昂貴，同時(shí)對(duì)控制系統(tǒng)有極高的要求，在檢測(cè)到母線故障的情況下，要快速對(duì)逆變輸出進(jìn)行限制，以維持電容電壓，保證其故障穿越能力。由于各電子開關(guān)都裝在每個(gè)逆變單元上，單個(gè)開關(guān)容量目前還可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品選型，同時(shí)母聯(lián)開關(guān)采用機(jī)械式斷路器。

圖1 典型直流綜合電力系統(tǒng)圖

SIMENSE方案供電側(cè)也采用同步發(fā)電機(jī)+不控整流的方式，但與ABB不同的是，其將母聯(lián)開關(guān)設(shè)置為電子開關(guān)，各逆變側(cè)由熔斷器提供保護(hù)。該方案的優(yōu)勢(shì)是在母排發(fā)生故障的情況下可以在極短的時(shí)間內(nèi)（20 us）分?jǐn)嗄嘎?lián)斷路器，保證非故障母線的正常運(yùn)行，具有一定的選擇性，但在發(fā)電機(jī)整流單元或負(fù)載逆變單元故障的情況下也會(huì)失去一段母線的供電，同樣不能實(shí)現(xiàn)完全選擇性。

與ABB和SIMENSE方案不同，EMS方案在供電側(cè)采用的是異步電機(jī)+可控整流的方式，采用這種方案的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)發(fā)電側(cè)的控制較簡(jiǎn)單，相對(duì)成本也較低。在系統(tǒng)保護(hù)方面，該方案主要依賴熔斷器完成對(duì)整流及逆變單元的保護(hù)，對(duì)直流母排的保護(hù)依靠機(jī)械式斷路器實(shí)現(xiàn)。理論上來說，該技術(shù)方案存在全船失電的風(fēng)險(xiǎn)，這是由于無(wú)論熔斷器還是機(jī)械式斷路器，其動(dòng)作時(shí)間都大于直流母線電容的放電時(shí)間，在熔斷器或機(jī)械式斷路器動(dòng)作前系統(tǒng)可能已經(jīng)因?yàn)殡娙莘烹妼?dǎo)致母線電壓過低而停機(jī)。

3 技術(shù)方案對(duì)比

3.1 直流方案的優(yōu)勢(shì)

采用直流推進(jìn)方案，可使設(shè)備體積重量大幅度降低，從國(guó)外統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看[3]，電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)備的總重量可降低20%以上，艙室空間節(jié)省30%以上，總體效率提升5%~10%。

由于直流系統(tǒng)允許發(fā)電機(jī)組運(yùn)行在不同的轉(zhuǎn)速下，可以根據(jù)原動(dòng)機(jī)的萬(wàn)有特性曲線和實(shí)際運(yùn)行工況調(diào)整原動(dòng)機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速，達(dá)到節(jié)能減排的效果。國(guó)外典型船舶運(yùn)行統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，相對(duì)交流系統(tǒng)，直流系統(tǒng)在最惡劣工況下（DP作業(yè)）也能節(jié)省14%的燃油，且方便多能源接入，使得純LNG動(dòng)力發(fā)電機(jī)在電推船上的大規(guī)模應(yīng)用成為可能，進(jìn)一步提升節(jié)能減排效果。

3.2 直流方案的不足

采用直流推進(jìn)方案也存在一定的不足，主要體現(xiàn)在系統(tǒng)選擇性保護(hù)困難，技術(shù)成熟度有待提升。

設(shè)備選型困難，成本高昂，特別是直流斷路器，傳統(tǒng)機(jī)械式斷路器無(wú)法實(shí)現(xiàn)選擇性，新型電子式短路器選擇范圍有限，目前最大額定電流為4 kA，單個(gè)斷路器價(jià)格達(dá)到100萬(wàn)人民幣以上。

機(jī)組變轉(zhuǎn)速運(yùn)行控制困難，同時(shí)會(huì)給系統(tǒng)減振設(shè)計(jì)帶來挑戰(zhàn)。直流系統(tǒng)最大的亮點(diǎn)之一就是機(jī)組的變轉(zhuǎn)速運(yùn)行，但這一功能對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行控制的要求極高，需要對(duì)機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)AVR進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。由于不同控制系統(tǒng)工作特性和響應(yīng)時(shí)間不一致，不恰當(dāng)?shù)目刂品绞饺菀讓?dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。此外，由于機(jī)組在寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運(yùn)行（一般在60%~100%額定轉(zhuǎn)速），可能帶來新的共振點(diǎn)，對(duì)減振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及機(jī)組成套設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)，這一點(diǎn)對(duì)科考船尤為重要。另外，在采用定轉(zhuǎn)速發(fā)電的一些科考船設(shè)計(jì)中，當(dāng)機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和機(jī)組的減振降噪效果這兩個(gè)方面不能兼顧時(shí)，減振降噪效果往往更受關(guān)注。

4 總結(jié)

交流電力系統(tǒng)方案和直流電力系統(tǒng)方案，在發(fā)電機(jī)端和推進(jìn)電機(jī)端采用的都是交流電，在中間電力傳輸?shù)姆绞缴嫌兴煌?。從技術(shù)成熟度及可行性、設(shè)備可選擇范圍、建造成本等多方面綜合考慮，采用中壓交流系統(tǒng)可能更優(yōu)。采用直流系統(tǒng)最大的意義在于可以有效降低電力推進(jìn)設(shè)備的尺寸重量，增加有效艙容，但需重點(diǎn)關(guān)注機(jī)組變轉(zhuǎn)速運(yùn)行對(duì)減振方案帶來的負(fù)面影響，同時(shí)，系統(tǒng)保護(hù)方案的設(shè)計(jì)和電子式斷路器的選型會(huì)遇到無(wú)成熟產(chǎn)品可供選擇的情況。

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Comparative Study on AC and DC Electric Propulsion Systems of Ship

Chen Jiawei1, Cao Xiaoming1, Chen Xuqing2, Guo Ang1

（1.China Ship Scientific Research Center, Wuxi 214082, JiangSu, China; 2. Wuxi Water Conservancy Bureau, Wuxi 214031, JiangSu, China）

U664.14

A

1003-4862（2019）01-0011-03

2018-08-28

陳嘉偉(1990-)，男，博士。研究方向：船舶輪機(jī)與動(dòng)力設(shè)計(jì)。E-mail: chenjiawei44@126.com