直流組網(wǎng)技術在某內河游覽船上的應用

李興宇 劉洪偉

摘 ? ?要：目前大多數(shù)電力推進船舶都采用交流組網(wǎng)技術。本文通過對某采用直流組網(wǎng)技術的電力推進內河游覽船的介紹，以及交流組網(wǎng)技術的比較，分析直流組網(wǎng)技術在內河游覽船上的應用特點和優(yōu)勢。

關鍵詞：直流組網(wǎng);電力推進;內河電池船

中圖分類號：U664.142 ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： At present， most electric propulsion ships adopt AC-bus technology. Through the introduction of a certain electric propulsion battery riverboat using common DC-bus technology， this paper analyzes the features and advantages of common DC-bus technology in riverboat compared with AC-bus technology.

Key words： Common DC-bus; Electric propulsion; Battery riverboat

1 ? ? 前言

傳統(tǒng)柴油機動力的內河船舶，由于燃燒柴油會產(chǎn)生污水、污油及尾氣，對周邊空氣環(huán)境和水質都造成了嚴重污染。隨著國家對環(huán)境保護的日益重視，柴油機產(chǎn)生的污染問題顯得越發(fā)突出。為了改善這種狀況，國家出臺了很多政策法規(guī)。一方面嚴格環(huán)保要求，另一方面大力鼓勵應用清潔能源。因此各種新能源動力，如鋰電池、LNG、太陽能、超級電容、燃料電池等也越來越多地應用到內河船舶上。

傳統(tǒng)電力推進船舶大多采用柴油發(fā)電機組作為主能源，發(fā)電機發(fā)出交流電經(jīng)過變頻器等控制裝置驅動推進電動機來帶動推進器，實現(xiàn)船舶航行，其主要采用交流組網(wǎng)方式;作為內河游覽船，由于具有航程近、航行時間短等特點，可以采用鋰電池、太陽能、燃料電池等新能源作為主能源。本文通過對采用鋰電池為動力的某內河游覽船直流組網(wǎng)系統(tǒng)的介紹，分析直流組網(wǎng)技術在兼容性、系統(tǒng)集成度、使用等方面的特點和優(yōu)勢。

2 ? ? 直流組網(wǎng)技術簡介

近年來，得益于電力電子技術的快速發(fā)展和電力電子器件制造的成熟，直流組網(wǎng)技術快速興起。目前，西門子、ABB和無錫賽思億等廠商都推出了直流組網(wǎng)技術，并各自在實船上得到了應用。各個廠商直流組網(wǎng)技術在原理上大體相同，均是以直流母線作為主公共母線，發(fā)電機、電池等電源設備均連接至直流母線;但在具體的技術細節(jié)上，每個廠商又都有自己獨特的設計，在具體的器件選用上各自不同。

（1）ABB公司的直流組網(wǎng)技術，稱為Onboard DC Grid技術。主要特點為母排采用分布式布置方案，母線分別連接發(fā)電機的整流器和電動機的逆變器，整流器和逆變器均靠近設備。其優(yōu)點是設備接入更加靈活，而缺點是由于分布式設計使母排長度很長，需占用較大的空間;另外，直流開關采用熔斷器和特制的可關斷電力電子器件組成，需要特殊研制，故通用性受到影響。Onboard DC Grid技術已在Dina Star號平臺供應船等船上得到了應用，取得了較好的節(jié)能效果。

（2）西門子公司的直流組網(wǎng)技術，稱為BLUEDRIVE PlusC技術。主要特點是母排采用集中式布置方案，通常將母排、直流開關、逆變器、船用負載逆變單元等設備集中布置在同一配電板內，同時板內還集成了功率管理系統(tǒng)等控制模塊。與ABB公司的Onboard DC Grid技術路線類似，其技術的直流開關也采用熔斷器和可關斷電力電子器件組成，并且可關斷電力電子器件也需要針對項目進行設計，影響通用性。BLUEDRIVE PlusC技術也在一些船上得到了應用。

（3）無錫賽思億引進德國E-MS公司的直流組網(wǎng)技術，稱為E-PP技術。主要特點為母排采用集中式布置方案，與西門子的BLUEDRIVE PlusC技術類似;但集成度更高，除母排、直流開關、逆變器、整流器和負載逆變單位外，還集成了遠程故障監(jiān)控系統(tǒng);與以上兩種方案不同的是：直流開關采用直流斷路器進行保護，因此不需要定制，通用性更強。E-PP技術已在“白珍珠”號游艇等數(shù)十艘船上得到了應用。

通過對以上三種技術路線的總結，可知三種技術路線在原理上相似，均是將發(fā)電機、電動機及負載通過相應變換模塊連接至直流母排，只是技術細節(jié)不同。本文以無錫賽思億的E-PP直流組網(wǎng)技術為例，通過在某內河游覽船上直流組網(wǎng)的應用，對直流組網(wǎng)技術與傳統(tǒng)交流組網(wǎng)技術進行對比，分析直流組網(wǎng)在集成度、兼容性等方面的特點和優(yōu)勢，尤其是在內河游覽船的應用前景。

3 ? ? 船舶概況

某珠江豪華游覽船采用雙體船型，主船體片體為圓舭型線、鋼質全焊接結構，主要航行于珠江水域廣州市內航段，提供江景游覽、娛樂餐飲、會議招待、等服務。該游覽船采用鋰電池作為主電源，柴油機作為備用電源，推進方式采用電力推進。該船主要參數(shù)如下：

總長 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ～43.5 m

型寬 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 13.5 m

設計吃水 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?2.3 m

設計航速 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 10 kn

乘客 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 300人

推進電機 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?2×210 kW

鋰電池容量 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?2827.2 kWh

發(fā)電機組功率 ? ? ?2×350 kW

航區(qū) ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 內河A級

4 ? ?船舶電力推進系統(tǒng)

4.1 ?電源

該船采用磷酸鐵鋰電池作為主電源，根據(jù)對全船用電設備功率的計算及續(xù)航力的要求，設置6組471.2 kWh鋰電池組作為全船電力推進系統(tǒng)及日常用電設備供電電源，鋰電池總容量為2 827.2 kWh，安裝在左、右片體的電池艙內，每個電池艙放置3組。

同時，該船配置2臺350 kW/AC400V/50Hz/3P/3W柴油發(fā)電機組作為備用電源，柴油發(fā)電機組分別安裝在左、右兩個片體的機艙內。

柴油發(fā)電機組和鋰電池組不同時供電。正常航行時，使用鋰電池供電，當出現(xiàn)意外情況鋰電池不能供電時，采用發(fā)電機供電;停泊時，發(fā)電機組可以為鋰電池組充電，也可以采用岸電為鋰電池組供電。

4.2 ? 配電系統(tǒng)

（1）配電系統(tǒng)采用直流組網(wǎng)方式：在集控室設置直流配電板一塊，船上的發(fā)電機組、鋰電池組、推進電機與日常用電設備通過直流母線連接;為增加系統(tǒng)可靠性，整個直流母線被分為兩部分，每段母線連接有3組鋰電池組和1臺發(fā)電機，分為兩組分別接至兩段直流母線上，兩段母線之間采用熔斷器和負載開關連接;兩段直流母線可以長期單獨供電也可以長期連接供電，當其中一段母線發(fā)生故障時，另一段直流母線可以繼續(xù)單獨供電。

（2）直流配電板內直流母線電壓采用DC750 V。配電板內包含：2臺350 kW整流器與發(fā)電機連接;2臺210 kW逆變器與推進電動機連接;1臺300 kW有源整流器與岸電連接;6臺140 kW斬波器與鋰電池組連接;系統(tǒng)配置功率管理器（PMS），管理配電板內各個模塊之間的能量轉換，具備自動、半自動和手動三種模式。配電系統(tǒng)單線圖，見圖1所示。

（3）推進電機由直流配電板直接驅動。在集控室設置交流配電板一塊，直流母排通過DC/AC逆變模塊將直流電逆變?yōu)榻涣麟娊又两涣髋潆姲澹┤沼秘撦d使用。

4.3 ? 充電裝置

鋰電池組采用夜間岸電充電形式：在岸上設置充電柜，在船上設二套直流充電插座箱，充電插座箱與直流配電柜采用固定電纜連接;由于采用直流母線，可采用充電樁對鋰電池充電;當碼頭不具備建設充電樁等設施時，也可采用在船上設置充電柜，內置AC/DC變換模塊連接至公共母排，實現(xiàn)用交流岸電對鋰電池進行充電。

5 ? ? 直流組網(wǎng)與交流組網(wǎng)技術對比分析

本船主電源為鋰電池，每組電池輸出額定電壓為DC579 V，發(fā)電機輸出電壓為AC400 V。如采用交流組網(wǎng)技術，鋰電池需經(jīng)過逆變后接入交流配電板，本船共6組鋰電池，需6組逆變器;由于采用電力推進技術需要對推進電動機進行控制，通常交流配電板需經(jīng)過變頻器達到對推進電機調速控制，因此還需要2套變頻器，滿足推進控制要求。交流組網(wǎng)系統(tǒng)單線圖，如圖2所示：

通過對以上兩種組網(wǎng)方式的比較，直流組網(wǎng)的特點和優(yōu)勢主要有以下幾個方面：

（1）采用直流組網(wǎng)技術，無論是傳統(tǒng)柴油發(fā)電機，還是鋰電池、超級電容、太陽能、風能、氫燃料電池等新能源形式，均可以通過標準柜統(tǒng)一連接至直流配電板，簡單方便，具有較好的兼容性;而傳統(tǒng)交流組網(wǎng)方式，采用鋰電池等能源時，需要進行逆變才能接入交流電網(wǎng)，相對繁瑣;尤其是對于現(xiàn)有船舶的升級改造，直流組網(wǎng)模塊化設計通過增加標準模塊柜即可實現(xiàn)，不需要對原配電系統(tǒng)做很大改動。因此對于采用電池動力的游覽船，直流組網(wǎng)技術更具優(yōu)勢;

（2）交流組網(wǎng)方式中，交流發(fā)電機產(chǎn)生交流電。由于發(fā)電機電壓、頻率會受到外部影響，產(chǎn)生的波形曲線也會發(fā)生波動，影響電源質量;采用直流組網(wǎng)技術，交流發(fā)電機發(fā)出的交流電需經(jīng)過整流變換模塊連接至直流母線，日用負載的電源是直流母線的直流電經(jīng)過逆變而來，電源波形不會受到發(fā)電機的擾動影響，電源質量更高;

（3）直流組網(wǎng)母線雖然采用直流電壓，但傳統(tǒng)交流發(fā)電機通過整流模塊可直接連接至直流母排，可以直接兼容，不需要對傳統(tǒng)柴油發(fā)電機進行任何改變;電網(wǎng)增加發(fā)電機時可直接將發(fā)電機起動接入直流母排，而傳統(tǒng)交流組網(wǎng)方式，電網(wǎng)增加柴油發(fā)電機時，需進行并車操作，待入網(wǎng)發(fā)電機與電網(wǎng)需電壓、頻率、相位均一致時才能并網(wǎng)，操作程序復雜，存在并網(wǎng)失敗的風險，并且對在網(wǎng)發(fā)電機和待并網(wǎng)發(fā)電機的容量配置有一定的限制;

（4）傳統(tǒng)電力推進系統(tǒng)，配電板和推進電機之間需通過變頻器及變壓器等電力變換設備，設備數(shù)量多;采用直流組網(wǎng)后，可通過配電板內集中式的直流變頻控制功率模塊對推進電機進行控制。取消了變壓器、變頻器等設備，簡化了系統(tǒng)配置。尤其對于內河船，由于主尺度較小、船舶空間有限，因此直流組網(wǎng)節(jié)省了相應設備的體積空間，有利于船舶總體布置;同時，對于采用電池推進的內河船舶，減少設備數(shù)量有利于減輕船舶自重，可以減少配置鋰電池的容量，有利于提高船舶總體性能，同時降低船舶造價。

6 ? ? 結語

隨著國家對環(huán)境保護的要求不斷提高，數(shù)量眾多的傳統(tǒng)柴油機動力內河船舶產(chǎn)生的污水、污油和尾氣問題顯得日益嚴重，對內河或湖泊周圍的人民生活影響較大。為了改善這種狀況，采用綠色環(huán)保的新能源動力已經(jīng)成為一種趨勢。

隨著科技的不斷進步，鋰電池、氫燃料電池、太陽能、超級電容等技術發(fā)展迅速。對于航行于內河或湖泊的中小型客船、觀光游覽船，由于其航程有限、航行時間短，不設置發(fā)電機而只采用鋰電池作為船舶主能源已經(jīng)完全可行，未來隨著技術的發(fā)展，氫燃料電池也將作為主能源應用在船舶上，達到船舶的綠色環(huán)保、節(jié)能減排，并提高船舶舒適度的目的。

綜上所述，直流組網(wǎng)技術憑借其兼容性、系統(tǒng)集成性、系統(tǒng)體積、重量及經(jīng)濟性上的優(yōu)勢，在船舶上的應用前景廣闊。尤其對于不設有柴油發(fā)電機而只采用鋰電池等作為主能源的內河游覽船，采用直流組網(wǎng)技術相比于交流組網(wǎng)技術更具有優(yōu)勢。

參考文獻

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