電力推進(jìn)船舶直流網(wǎng)配電系統(tǒng)設(shè)計

林天柱 張鴻輝 鄭明 楊剛 陳國棟

摘要：電力推進(jìn)船舶直流網(wǎng)配電系統(tǒng)的設(shè)計需要從發(fā)動機(jī)與整流器、直流配電裝置、逆變器、推動電動機(jī)等系統(tǒng)拓?fù)浼昂诵牟考矫孢M(jìn)行研究，從電站管理、邏輯的確定及實(shí)現(xiàn)、解決多機(jī)組并網(wǎng)時功率交互振蕩的問題進(jìn)行分析，并衡量船舶直流網(wǎng)配電系統(tǒng)的優(yōu)劣，才能更好地進(jìn)行設(shè)計工作，本文就淺談電力推進(jìn)船舶直流網(wǎng)配電系統(tǒng)設(shè)計。

關(guān)鍵詞：電力推進(jìn)船舶;直流并網(wǎng);配電系統(tǒng)

引言

近年來，隨著電力電子技術(shù)、變頻電機(jī)制造技術(shù)、交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)和計算機(jī)控制技術(shù)的日漸成熟，船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)以其所具備的經(jīng)濟(jì)性、機(jī)動性、操縱性、安全性、環(huán)保低排放等優(yōu)勢，使其裝船率逐年上升，已經(jīng)成為當(dāng)前船舶動力發(fā)展的主流方向。目前，船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)已趨近成熟并商業(yè)化。在電力推進(jìn)船舶的發(fā)展進(jìn)程中，交流組網(wǎng)電力系統(tǒng)以功能塊技術(shù)成熟、開發(fā)快捷等優(yōu)勢，成為當(dāng)前電力推進(jìn)船舶的主流方案。然而，交流組網(wǎng)電力系統(tǒng)也存在控制復(fù)雜、諧波干擾等問題，長期困擾著電力推進(jìn)船舶的發(fā)展。隨著可控整流及斬波逆變技術(shù)的進(jìn)步，加上能源價格的上升，船舶直流組網(wǎng)電力系統(tǒng)的發(fā)展引起了人們的關(guān)注。

1直流區(qū)域配電系統(tǒng)應(yīng)用中的優(yōu)勢

現(xiàn)階段，我國大部分船舶采用電纜配電形式，這樣可以對船舶進(jìn)行整體集中式設(shè)計，實(shí)現(xiàn)集中配電的需要，但這種方式會出現(xiàn)較多的穿孔，對船舶的密封性不利。同時需要較多的重復(fù)一種工作，在對工作造成不利影響的同時，也對船舶的抗壓性不利，采用直流區(qū)域配電系統(tǒng)可顯著改善上述情況，在操作方面更加便捷，只需傳送電力系統(tǒng)的母線自船體的耐壓隔壁當(dāng)中穿過即可，這樣可節(jié)省較大空間，保證船舶設(shè)計質(zhì)量。對于不同的泵體和排風(fēng)機(jī)而言，直流區(qū)域配電系統(tǒng)可以結(jié)合實(shí)際情況自動控制速率，保證船舶處于高效率的工作狀態(tài)，但在較大型的船舶啟動過程中，直流電可能會受到一定的影響，此情況下需要保證母線長時間處于穩(wěn)定狀態(tài)下，以實(shí)現(xiàn)電力之間的交換，使得電力系統(tǒng)在運(yùn)行過程中更加高效。直流配電系統(tǒng)發(fā)電頻率較高，可在船舶運(yùn)行中提供最大的功率，同時在電力運(yùn)行中實(shí)現(xiàn)最大尺寸的最優(yōu)狀態(tài)，使得整體的運(yùn)行效率獲得最優(yōu)化管理，從節(jié)省能源的角度分析，此種方式下能源的消耗最低且最為有效，能源可得到最大限度的發(fā)揮，確保電力系統(tǒng)的整體運(yùn)行質(zhì)量。

2電力推進(jìn)船舶直流網(wǎng)配電系統(tǒng)設(shè)計

2.1執(zhí)行保護(hù)系統(tǒng)

執(zhí)行系統(tǒng)處于整體系統(tǒng)的最末端，需要在數(shù)據(jù)分析結(jié)束后識別系統(tǒng)指令，并以最快的速度將指令傳達(dá)到需要的系統(tǒng)中，使得系統(tǒng)可以以最快的速度完成指令，進(jìn)行必要的故障處理，節(jié)省故障解決時間，降低故障發(fā)生概率。在進(jìn)行執(zhí)行指令操作時，對于繼電器、限流設(shè)備需要進(jìn)行重新設(shè)計，將各個位置重新定值，維持系統(tǒng)的統(tǒng)一。如需要也可對整體網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行重構(gòu)，在重構(gòu)結(jié)束后可通過新網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行重啟。例如：電力系統(tǒng)中的發(fā)動機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，感應(yīng)器可將故障信息傳輸出去，分析系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，而后專家系統(tǒng)調(diào)取實(shí)時數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并通過設(shè)置方式經(jīng)過執(zhí)行系統(tǒng)對故障進(jìn)行分析，找出問題的處理方法。在電力系統(tǒng)中，各個位置都具備傳感器，特別是關(guān)鍵位置，一旦出現(xiàn)問題可及時將問題傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心，結(jié)合不同位置的感應(yīng)對故障進(jìn)行分析，之后輸入到實(shí)時數(shù)據(jù)庫匯總，將信息匯總后進(jìn)行掃描，故障分析完成后，經(jīng)過專家保護(hù)系統(tǒng)獲得指令信息，最后進(jìn)行執(zhí)行。

2.2邏輯的確定及實(shí)現(xiàn)

由于直流組網(wǎng)的配電系統(tǒng)在船舶電力系統(tǒng)中，和其他的故障表現(xiàn)形式以及診斷維修的方法有著明顯的不同，因此在邏輯的確定上也存在著很大的不同，最后在網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的方式上也有著很大的不一樣。比如說在直流電網(wǎng)運(yùn)行的過程中，由于帶載運(yùn)行的問題，直流組網(wǎng)的分段和其他的電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)有著很大的差別，另外，接地和過流等方式也不盡相同。事實(shí)上，國外和國內(nèi)的設(shè)計上，也有著很大的不同，在國外一般是采取綜合性的設(shè)備或者是一起對系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)性的工作配合和保護(hù)，使船舶推進(jìn)系統(tǒng)能夠滿足規(guī)范需求。而在國內(nèi)的設(shè)計上創(chuàng)造性的使用了超級電容儲能單元作為直流網(wǎng)絡(luò)的一部分，用來平抑負(fù)載的動態(tài)波動，進(jìn)一步提升了整船的節(jié)能效果，不僅使用戶獲得很好的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，也極大地提升了國內(nèi)電力推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)的整體能力。

2.3解決多機(jī)組并網(wǎng)時功率交互振蕩的問題

多機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行時，我們期望的理想運(yùn)行情況是電網(wǎng)電壓、電流穩(wěn)定，各發(fā)電機(jī)輸出功率與其容量成正比且穩(wěn)定運(yùn)行。然而，不管是直流并網(wǎng)還是交流并網(wǎng)，發(fā)電機(jī)的功率和負(fù)載分配經(jīng)常會隨著負(fù)載的突變產(chǎn)生周期性振蕩的現(xiàn)象，總的負(fù)載功率不變的情況下，一臺主機(jī)承擔(dān)的負(fù)載功率減小，另一臺勢必會增大，這種交互振蕩嚴(yán)重的情況下會引起發(fā)電機(jī)的過載保護(hù)或解列。要解決這一問題，需要多臺發(fā)電機(jī)運(yùn)行在相近的負(fù)載特性曲線上，同時，各發(fā)電機(jī)勵磁調(diào)節(jié)裝置需要按照功率分配指令調(diào)節(jié)其勵磁電流，并實(shí)時監(jiān)測發(fā)電機(jī)輸出電流反饋，形成閉環(huán)控制以實(shí)現(xiàn)多臺發(fā)電機(jī)組按比例平均分配負(fù)載的目的。

2.4電站管理控制策略

船舶電站是以計算機(jī)控制為基礎(chǔ)的電能控制和管理系統(tǒng)。它主要功能為：原動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，發(fā)電機(jī)的勵磁調(diào)控，多機(jī)組多負(fù)載的功率分配，發(fā)電機(jī)組的啟停、并網(wǎng)、解列、保護(hù)等，監(jiān)測電站的工作狀態(tài)和故障報警等。這都是船舶電站控制系統(tǒng)要研究的問題。以上控制功能可采用船舶電站多功能控制器（PPU）結(jié)合工業(yè)可編程控制器（PLC）為硬件基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)其控制策略。結(jié)語（1）減少了柴油機(jī)的溫室氣體排放。靈活的直流配電網(wǎng)絡(luò)和作為儲能元件的鋰動力電池的介入供電，降低了柴油發(fā)電機(jī)的在網(wǎng)功率和時間，切實(shí)降低了排放。（2）損耗的降低。選用PMSM電機(jī)提升了電機(jī)效率;低速電機(jī)減少了軸系損耗;雙繞組提升了低負(fù)荷工況下的電機(jī)效率。因而從推進(jìn)的角度整體提升了供電效率，降低了損耗。（3）有著優(yōu)良的擴(kuò)展性。目前新型的儲能元件如鋰電池和超級電容等，以及新能源如燃料電池等，其輸出的電制大都為直流電，直流母排對新能源的支持，為未來船舶電站進(jìn)一步提升新能源比重，降低傳統(tǒng)能源比重設(shè)置了良好的升級能力。

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（作者單位：廣州文沖船舶修造有限公司）