直流電網(wǎng)在大型船舶中的發(fā)展趨勢

樂春陽

(中國船舶電站設(shè)備有限公司， 上海 200129)

0 引 言

早期的船舶電網(wǎng)(電力系統(tǒng))采用直流電制。中國于1958年才開始逐步由直流電制轉(zhuǎn)換到交流電制。當(dāng)初的轉(zhuǎn)換主要有2個(gè)原因：直流電機(jī)在結(jié)構(gòu)上固有的局限無法克服；直流變流技術(shù)難以滿足需要。

然而，隨著交流電網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，其固有矛盾也越來越顯現(xiàn)：(1)接入電網(wǎng)的所有電機(jī)必須有足夠的阻尼以減少干擾諧波，而且接入電網(wǎng)的所有發(fā)電機(jī)必須嚴(yán)格同步，其特性必須匹配；(2)無功功率是電網(wǎng)中不容忽視的問題，直接影響到電網(wǎng)的品質(zhì)、電網(wǎng)電壓及其損耗，今后電網(wǎng)容量發(fā)展將越來越大，無功功率的治理更顯突出[1]；(3)現(xiàn)在的電力推進(jìn)系統(tǒng)、側(cè)推裝置、起重設(shè)備、錨絞設(shè)備等大功率電力拖動(dòng)設(shè)備都采用變頻驅(qū)動(dòng)裝置。在交流電網(wǎng)中，變頻器先把交流整流成直流，再把直流轉(zhuǎn)換成頻率可變的交流。每個(gè)裝置都需要一套整流單元。變頻器幾乎占電站容量的80%以上。

目前的大功率電子技術(shù)已成熟地應(yīng)用于各種電源變換器上，如交流/直流(AC/DC)、直流/交流(DC/AC)、直流/直流(DC/DC)、交流/交流(AC/AC)。在船舶上再次使用直流電網(wǎng)將成為一種可能。

從船舶動(dòng)力的發(fā)展階段來看：第一次工業(yè)革命，19世紀(jì)初，蒸汽機(jī)逐漸取代人力、風(fēng)力作為船舶動(dòng)力；第二次工業(yè)革命，20世紀(jì)中葉以來，內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、核動(dòng)力汽輪機(jī)逐步發(fā)展成熟并被應(yīng)用于船舶動(dòng)力；第三次工業(yè)革命，綜合電力系統(tǒng)應(yīng)用于船舶動(dòng)力，即電力推進(jìn)。

電力推進(jìn)的特點(diǎn)：一是用電力(發(fā)電機(jī))將原動(dòng)機(jī)(這里指柴油機(jī))的能量傳輸給推進(jìn)器(螺旋槳)；二是節(jié)省燃油，減少對(duì)環(huán)境的污染排放；三是主要根據(jù)運(yùn)行需要決定投入發(fā)電機(jī)組的數(shù)量。

船舶電力推進(jìn)完全采用直流電的歷史可以追溯到19世紀(jì)。從20世紀(jì)70年代開始使用交流配電和直流驅(qū)動(dòng)的電力推進(jìn)方式。20世紀(jì)80年代引入了第二代交流傳動(dòng)的電力推進(jìn)，向成本效率和可靠性邁進(jìn)了一大步。20世紀(jì)90年代第三代吊艙式推進(jìn)器進(jìn)入市場。2000年后逐步優(yōu)化。目前，推出船舶直流電網(wǎng)系統(tǒng)。

1 船舶直流電網(wǎng)的基本構(gòu)成

船舶直流電網(wǎng)的基本構(gòu)成：電源、變電環(huán)節(jié)、配電以及用戶。

電源可以是交流，例如交流旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)，也可以是直流，例如蓄電池、太陽能電池、燃料電池等。交流電源可通過整流進(jìn)入直流電網(wǎng)，直流電源可通過逆變進(jìn)入交流電網(wǎng)。

用戶可以是交流，例如感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，也可以是直流，例如交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速設(shè)備。

如圖1所示，直流電網(wǎng)的一側(cè)是各種供電電源，另一側(cè)是用戶，控制系統(tǒng)控制電源的接入和用戶的使用。直流電網(wǎng)基于現(xiàn)有的電源和用戶：電源有旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)、燃料電池、蓄電池、太陽能電池等；用戶有吊艙式推進(jìn)器、各種側(cè)推推進(jìn)器等。未來可以接入新型能源和推進(jìn)器。

圖1 直流電網(wǎng)的電源和用戶

直流電網(wǎng)的電源并聯(lián)操作和運(yùn)行以及輸電穩(wěn)定性都優(yōu)于交流。過去由于直流電網(wǎng)中不同電壓的電源要變換成同一電網(wǎng)同一電壓很困難，直流電動(dòng)機(jī)還存在碳刷、整流子結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題，因此被交流電網(wǎng)所替代。目前，隨著大功率電子器件和逆變技術(shù)的發(fā)展，解決了交直流電之間的轉(zhuǎn)換，變頻調(diào)速解決了交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速問題，同時(shí)為將來使用新型電源和新型大功率推進(jìn)器作準(zhǔn)備。

2 船舶直流電網(wǎng)的配置演變

早期的船舶電網(wǎng)是直流的，之后演變成交流的。目前又提出在大功率電力拖動(dòng)負(fù)載(如電力推進(jìn)和電力側(cè)推器等)的船舶上采用直流電網(wǎng)。演變的理念如圖2所示。圖2a)是船舶的交流電網(wǎng)配置。交流發(fā)電機(jī)G是電源，向主配電板的交流母線供電，供電斷路器為Q1。向母線供電的其他電源一般都是原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)交流發(fā)電機(jī)。電源通過變壓器Tn的適配向日用負(fù)載供電，電動(dòng)機(jī)M是典型的大功率負(fù)載。用于推進(jìn)器和側(cè)推器的交流電動(dòng)機(jī)采用變頻調(diào)速。變頻調(diào)速裝置的主體是逆變器(交流電網(wǎng)中，把交流電轉(zhuǎn)換成直流電稱為“整流”，再把直流電轉(zhuǎn)回到交流電稱為“逆變”)，交流電網(wǎng)需通過變壓器T1和整流器向逆變器供電。整流器輸出的直流是脈動(dòng)的，含有大量的諧波成分。一般的小功率負(fù)載整流產(chǎn)生的諧波對(duì)電網(wǎng)的影響可以忽略，大功率負(fù)載則“污染”了電網(wǎng)，影響供電質(zhì)量。整流器前的變壓器除了電壓的適配外，還起到減少直流脈動(dòng)的作用。

圖2 電網(wǎng)的電源演變

三相交流的全波整流輸出有6脈沖，比單相全波整流的2脈沖密集得多，直流脈動(dòng)大幅下降，但仍然不夠，還需加諧波濾波器。圖2a)中的三繞組變壓器T1，二次側(cè)兩個(gè)輸出端交流輸出相位移相，整流輸出有12脈沖，直流輸出的脈動(dòng)大幅減小。還可增加繞組或采取措施得到24脈沖，使直流輸出更加平滑，降低諧波分量。

由此可知，逆變器需要直流電源。如果在電網(wǎng)中，通過逆變器控制的負(fù)載比例大，采用直流電網(wǎng)可省去每個(gè)負(fù)載都配置變壓器、整流器的麻煩。

圖2b)是從交流電網(wǎng)演變來的直流電網(wǎng)配置。發(fā)動(dòng)機(jī)供電斷路器改為價(jià)格相對(duì)較低的隔離開關(guān)，交流母線用直流母線槽替代，無需設(shè)置專門的主配電板。母線槽在陸地的大樓供電系統(tǒng)中已被廣泛應(yīng)用。母線槽從底層通到最高層，每層從母線槽接出電源到配電板，向該樓層供電。船舶采用母線槽，將電源送到各用戶處，各用戶從槽上接出電源使用。各大功率用戶通過隔離開關(guān)連接逆變器。日用(交流)負(fù)載通過逆變器供電，或再經(jīng)過變壓器適配電壓。

圖3是直流電網(wǎng)演變示例。各大功率負(fù)載的整流器集中移到各供電發(fā)電機(jī)處，變壓器可省去，主配電板和交流母線也可省去。

圖3 直流電網(wǎng)的演變

圖3還顯示直流母線上可以接入其他電源設(shè)備，例如燃料電池、能量儲(chǔ)存裝置等。這突顯了直流電網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)，此優(yōu)點(diǎn)是大功率電子技術(shù)應(yīng)用于船舶上的體現(xiàn)。

圖4為各種驅(qū)動(dòng)裝置都可直接接入母線的情況。2條母線通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)連接。每條母線上發(fā)電機(jī)通過整流器接入母線，母線上都接有能量儲(chǔ)存裝置。恒轉(zhuǎn)速交流電動(dòng)機(jī)和需要變速的電動(dòng)機(jī)通過逆變器或變頻器控制運(yùn)行。日用負(fù)載母線可通過逆變器或再經(jīng)變壓器適配供電。

圖4虛線框表示所有變換器可以集中設(shè)置在一起，例如把這些變換器模塊集中排列在主配電板內(nèi)。

圖4 各種驅(qū)動(dòng)裝置直接接入母線

直流母線可以不局限于主配電板內(nèi)，把母線用母線槽延伸到各用電設(shè)備中。圖5為分布式系統(tǒng)。所有設(shè)備配置與圖4相同，但不同的是，各個(gè)電源設(shè)備、用電設(shè)備的變換器可放置在一起，例如：發(fā)電機(jī)的“交流/直流”變流器與發(fā)電機(jī)放置在一起，特殊設(shè)計(jì)可內(nèi)置；電動(dòng)機(jī)的“直流/交流”逆變器可以放置于電動(dòng)機(jī)旁；電力推進(jìn)的“直流/交流”變頻器可以就地設(shè)置；低壓日用母線的“直流/交流”逆變器可在低壓配電板旁放置或內(nèi)置。

圖5 分布式系統(tǒng)

3 船舶直流電網(wǎng)的實(shí)船應(yīng)用

以某支援船為例，其電網(wǎng)的配置細(xì)節(jié)介紹如圖6所示。發(fā)電機(jī)和整流單元、能量儲(chǔ)存轉(zhuǎn)換單元等設(shè)置在機(jī)艙，各電源單元輸出的直流接在母線上，母線以母線槽的形式貫穿全船。各交流負(fù)載、交流配電板電源通過逆變器接入直流母線。大功率變頻調(diào)速負(fù)載例如推進(jìn)器、裝置的電源直接插入母線槽。整個(gè)直流電網(wǎng)和負(fù)載的供電控制則設(shè)在駕駛室中。

圖6 船舶直流電網(wǎng)的配置細(xì)節(jié)

(1) 逆變器單元。一臺(tái)逆變器可以供單獨(dú)負(fù)載使用也可以供多個(gè)負(fù)載使用，如圖7所示。

圖7 逆變器可供單個(gè)或多個(gè)負(fù)載使用示例

(2) 能量儲(chǔ)存裝置。為區(qū)別于交流電網(wǎng)，直流電網(wǎng)設(shè)置能量儲(chǔ)存裝置，采用“直流/直流”變換器控制能量，裝置設(shè)置電池組以及超級(jí)電容器組等，可插入系統(tǒng)使用，如圖8所示。

圖8 能量儲(chǔ)存裝置

設(shè)置能量儲(chǔ)存裝置的優(yōu)點(diǎn)在于：①可改善整個(gè)能源的效率；②零排放運(yùn)行；③改善動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性；④增加運(yùn)轉(zhuǎn)的備用能力。

交流發(fā)電機(jī)按恒定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，只有在一定負(fù)載情況下可達(dá)到最高效率。采用直流供電，允許柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速按負(fù)載大小改變，以達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)，提高運(yùn)行效率，燃料可完全燃燒，實(shí)現(xiàn)零排放。由于接入蓄電池組，輔助電源對(duì)動(dòng)態(tài)(負(fù)載變化)作出快速響應(yīng)，增加了運(yùn)轉(zhuǎn)的備用能力。

(3) 控制系統(tǒng)。采用分布式控制的優(yōu)勢在于更快、更智能地控制，減少輔助電纜，通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息共享。

模塊化設(shè)計(jì)能使軟件維護(hù)簡單，工程設(shè)計(jì)更快。遠(yuǎn)程診斷服務(wù)不僅能提供全天候在線服務(wù)，還可涵蓋船上所有相關(guān)設(shè)備。整個(gè)電網(wǎng)運(yùn)行可在駕駛室實(shí)行集中控制，實(shí)現(xiàn)真正意義上的無人機(jī)艙。上述優(yōu)點(diǎn)是采用以太網(wǎng)得以實(shí)現(xiàn)的。如出現(xiàn)運(yùn)行問題，在岸的工程部門可實(shí)施遠(yuǎn)程診斷服務(wù)。

(4) 效率。能量儲(chǔ)存的作用：控制電網(wǎng)負(fù)載水平，以減小柴油機(jī)負(fù)載的波動(dòng)；提供運(yùn)行備用以減少在網(wǎng)的機(jī)組臺(tái)數(shù)；對(duì)帶透平增壓器的柴油機(jī)可提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。

功率和能源管理的優(yōu)勢：有功率分配；通過能源儲(chǔ)存裝置的充電和放電使負(fù)載狀態(tài)最佳化，以提高柴油機(jī)的效率；編排負(fù)載計(jì)劃；使柴油機(jī)處于熱備用狀態(tài)成為可能。

能量儲(chǔ)存和功率管理系統(tǒng)的作用如圖9所示。電網(wǎng)負(fù)載處于某一水平運(yùn)行，電網(wǎng)負(fù)載向上增加的時(shí)段(黑色)，能量儲(chǔ)存裝置儲(chǔ)存的能量放電，電網(wǎng)負(fù)載向下減少的時(shí)段(白色)，柴油機(jī)向能量儲(chǔ)存裝置充電。由此看出，柴油機(jī)始終保持一定的負(fù)載水平。圖9中向上的黑色三角形表示負(fù)載突然增加，帶增壓的柴油機(jī)無法立即反應(yīng)提高轉(zhuǎn)速，能量儲(chǔ)存裝置的放電相當(dāng)于幫助柴油機(jī)提高了動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。

圖9 能量儲(chǔ)存對(duì)負(fù)載的最佳化

(5) 保護(hù)原理。具有全新的保護(hù)理念：保護(hù)通過熔斷器、可控半導(dǎo)體器件和隔離開關(guān)的特性組合來實(shí)現(xiàn)；可以預(yù)計(jì)電網(wǎng)的預(yù)期短路電流更低。

在確保安全方面：發(fā)生故障時(shí)設(shè)備會(huì)得到保護(hù)；采用合適的選擇性保護(hù)，發(fā)生單個(gè)故障時(shí)能確保系統(tǒng)維持安全運(yùn)行。

采用直流電網(wǎng)時(shí)，最關(guān)心的莫過于怎樣“開、關(guān)”電路。關(guān)斷電路時(shí)觸頭要拉(燃)弧，直流熄弧比交流難得多。地鐵采用直流電，開關(guān)(除電子開關(guān)外)都采用壓縮空氣操作，與同樣電流的交流開關(guān)相比體積要大得多。

新概念的船舶直流電網(wǎng)，省去交流主配電板和斷路器以及相應(yīng)的繼電保護(hù)。全新的保護(hù)理念是通過熔斷器、可控半導(dǎo)體器件和隔離開關(guān)的特性組合來實(shí)現(xiàn)保護(hù)，如圖10所示。

圖10 直流電的新保護(hù)

現(xiàn)在提出的直流電網(wǎng)基于各電源組件都帶有可控的變換器。例如，交流發(fā)電機(jī)經(jīng)可控整流單元輸出，發(fā)生故障時(shí)可關(guān)斷輸出，分?jǐn)喙收想娏鞯乃俣缺葦嗦菲骺欤@只是電力電子電路分?jǐn)?，不是真正意義上的絕緣，即斷口之間是空氣、絕緣氣體或絕緣油。

加了熔斷器后可在某個(gè)電路、組件發(fā)生嚴(yán)重故障(短路)時(shí)燒斷、分?jǐn)嚯娐?，起到保護(hù)和隔離的作用。實(shí)際上這與早期采用的閘刀開關(guān)加熔斷器的保護(hù)原理相同。分?jǐn)嚯娐繁Ｗo(hù)動(dòng)作不是靠開關(guān)斷開而是靠熔斷器燒斷、分?jǐn)唷?/p>

故障電路或器件與無故障電路真正意義上的隔離需要使用隔離開關(guān)。

4 船舶直流電網(wǎng)的關(guān)鍵點(diǎn)

隨著船舶功能需求和綜合電力技術(shù)的不斷發(fā)展，系統(tǒng)的容量越來越大，可達(dá)數(shù)百兆瓦，這給大容量中壓直流斷路器帶來了巨大的挑戰(zhàn)。同時(shí)，短時(shí)、大容量負(fù)載的使用對(duì)于系統(tǒng)的沖擊都極其巨大，因此需要配備合適的儲(chǔ)能系統(tǒng)。儲(chǔ)能系統(tǒng)和自身發(fā)電系統(tǒng)相融合帶來的電網(wǎng)能量調(diào)控系統(tǒng)具有一定復(fù)雜性[2]。

其一，系統(tǒng)的容量越來越大，使得原有的熔斷器加隔離開關(guān)組合方式顯得力不從心，促使直流斷路器的額定電壓、額定電流和分?jǐn)嗄芰Φ戎笜?biāo)需求不斷提高，給中壓直流斷路器的研發(fā)和試驗(yàn)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。中壓直流斷路器一般有2種技術(shù)方案：中壓直流空氣斷路器和中壓直流真空斷路器。中壓直流綜合電力系統(tǒng)若采用中壓直流空氣斷路器方案，需重點(diǎn)解決空氣斷路器的滅弧問題。系統(tǒng)直流主網(wǎng)短路時(shí)，短路電流沒有自然過零點(diǎn)，空氣斷路器將采用直接硬分?jǐn)嗟姆绞綄?shí)現(xiàn)短路保護(hù)，分?jǐn)噙^程中將產(chǎn)生高能量電弧。主網(wǎng)直流電壓較高，如何有效地吸收該電弧能量，即采用有效的滅弧技術(shù)是決定空氣斷路器能否有效分?jǐn)嗟年P(guān)鍵。中壓直流綜合電力系統(tǒng)若采用中壓直流真空斷路器方案，需重點(diǎn)解決反向脈沖電路的設(shè)計(jì)問題。系統(tǒng)直流主網(wǎng)短路時(shí)，直流真空斷路器采用在真空滅弧室中疊加反向脈沖電流以制造人工過零點(diǎn)，從而分?jǐn)喽搪冯娏?。由于真空觸頭打開時(shí)滅弧室的燃弧能量、觸頭開距、恢復(fù)電壓以及燃弧時(shí)間與真空滅弧室關(guān)斷的可靠性密切相關(guān)，因此選擇合適的反向脈沖電路參數(shù)及反向電流的投入時(shí)機(jī)至關(guān)重要，也是該技術(shù)的難點(diǎn)。

其二，分布式、復(fù)合型能量存儲(chǔ)裝置將是一個(gè)新的研究領(lǐng)域。超級(jí)電容是一種新型的儲(chǔ)能裝置，其優(yōu)點(diǎn)是：充電非常迅速，可循環(huán)使用幾十萬次，可接受頻繁脈沖，在額定電壓范圍內(nèi)的任意電壓下進(jìn)行充電。還有譬如飛輪儲(chǔ)能裝置等也屬于新型分布式、復(fù)合型能量存儲(chǔ)裝置。

其三，各種電源間的復(fù)雜配合保護(hù)、控制策略問題等。

5 結(jié) 論

經(jīng)過對(duì)直流電網(wǎng)的初步介紹，可以認(rèn)識(shí)到船舶直流電制與船舶直流電網(wǎng)是兩回事。直流電制的船舶，整個(gè)電力系統(tǒng)從發(fā)電、配電、輸電到用電都是直流電。直流電網(wǎng)的船舶，只有輸電是直流電，主電源(發(fā)電機(jī))是由交流變換成直流的，電力用電設(shè)備仍然采用交流。大量使用大功率變頻器的船舶(功率達(dá)到裝機(jī)容量的80%)才有必要使用直流電網(wǎng)。同時(shí)，也認(rèn)識(shí)到直流電網(wǎng)的優(yōu)缺點(diǎn)和今后需要努力的方向。