重型破冰船電網(wǎng)架構(gòu)研究

陸 瑋 智 力

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011）

0 引言

重型破冰船電網(wǎng)架構(gòu)研究的目標(biāo)是找到一個(gè)合適的電網(wǎng)架構(gòu)，用于國產(chǎn)重型破冰船的研發(fā)。重型破冰船是指破冰等級(jí)達(dá)到PC2 級(jí)以上的破冰船，包括PC1 級(jí)和PC2 級(jí)。PC2 級(jí)的定義是在中度多年冰況下全年運(yùn)行，PC1 級(jí)的定義是在極地水域全年運(yùn)行[1-2]。此型破冰船破冰厚度超過2.5 m，破冰航速大于2 kn。根據(jù)相關(guān)船模實(shí)驗(yàn)并參考國外類似船型，常規(guī)動(dòng)力重型破冰船所需的推進(jìn)功率將超過40 MW。

分析國外常規(guī)動(dòng)力重型破冰船實(shí)船并結(jié)合設(shè)備技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)[3]，國產(chǎn)重型破冰船將采用電力推進(jìn)式及綜合電力系統(tǒng)。電網(wǎng)架構(gòu)研究的重點(diǎn)目標(biāo)是滿足船舶需求，重型破冰船的需求特點(diǎn)包括極大的推進(jìn)功率、破冰卡冰時(shí)極大的過扭矩需求及單一故障下可以保證船舶脫困等。具體到電網(wǎng)架構(gòu)研究?jī)?nèi)容包括選擇電網(wǎng)電壓、選擇電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備，尤其是推進(jìn)電機(jī)的選型。本文將通過確定電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備參數(shù)，結(jié)合船級(jí)社要求，研究確定一型交流電網(wǎng)架構(gòu)，滿足船舶運(yùn)行需求，并可以基于此研究開展下步研發(fā)工作。

1 電網(wǎng)主要構(gòu)成系統(tǒng)分析

重型破冰船電網(wǎng)組成的主要單元為發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、電力推進(jìn)系統(tǒng)和任務(wù)配電系統(tǒng)。由于電力推進(jìn)系統(tǒng)的功率消耗占整個(gè)電站容量比重超過80%，電網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)將重點(diǎn)分析研究發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、配電系統(tǒng)和電力推進(jìn)系統(tǒng)。

根據(jù)破冰能力需求，船體專業(yè)初步估算本船需要配置3 臺(tái)推進(jìn)器，即2 臺(tái)10 MW 推進(jìn)器和1 臺(tái) 18 MW 推進(jìn)器，由此估算電站總功率需達(dá)到50 MW。

1.1 電網(wǎng)電壓等級(jí)的選擇

綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)根據(jù)電壓和電制不同可分為：低壓交流電力推進(jìn)系統(tǒng)、低壓直流電力推進(jìn)系統(tǒng)、中壓交流電力推進(jìn)系統(tǒng)以及中壓直流電力推進(jìn)系統(tǒng)。

對(duì)于低壓交流電力推進(jìn)系統(tǒng)而言，目前低壓斷路器最大額定電流為6 300 A，極限分?jǐn)嚯娏骷s為200 kA。因此，低壓電力推進(jìn)系統(tǒng)電站容量有限，無法滿足50 MW 電站容量時(shí)各開關(guān)的分?jǐn)嘁螅什荒懿捎玫蛪航涣麟娏ν七M(jìn)系統(tǒng)方案。

目前，低壓直流電力推進(jìn)系統(tǒng)最大電站功率為18 MW，同樣也無法滿足本船電力推進(jìn)系統(tǒng)的需求。

中壓交流電力推進(jìn)系統(tǒng)方案屬于常規(guī)方案，國外在該領(lǐng)域領(lǐng)先于國內(nèi)。按照目前國內(nèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平及設(shè)備現(xiàn)狀，現(xiàn)已經(jīng)具備50 MW 級(jí)系統(tǒng)（6.3 kV、10.5 kV）的全國產(chǎn)化能力。

中壓直流電力推進(jìn)系統(tǒng)屬于更先進(jìn)的綜合電力系統(tǒng)，國內(nèi)技術(shù)也領(lǐng)先于國外，但目前4 kV 直流斷路器的最大額定電流為6 kA，分?jǐn)嗄芰ψ畲鬄?110 kA，還不能滿足50 MW 電站容量的分?jǐn)嗄芰σ?。故中壓交流系統(tǒng)是近期較為成熟的工程技術(shù)方案。

采用中壓交流電力系統(tǒng)方案，結(jié)合電站容量、推進(jìn)功率等級(jí)可以選用三相交流6.3 kV 與三相交流10.5 kV 這2 種電壓等級(jí)。我們將電網(wǎng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，構(gòu)建一個(gè)包含發(fā)電機(jī)、推進(jìn)配電板、推進(jìn)電機(jī)和等效負(fù)載的電網(wǎng)模型如圖1 所示，使用計(jì)算軟件進(jìn)行短路電流計(jì)算，估算結(jié)果見下頁表1。

表1 不同電壓等級(jí)短路電流計(jì)算結(jié)果

圖1 用于計(jì)算的電網(wǎng)簡(jiǎn)化模型

由計(jì)算結(jié)果對(duì)照可知，當(dāng)采用6.3 kV 母線時(shí)，對(duì)斷路器的額定分?jǐn)嗄芰σ筝^高。饋電支路斷路器的額定分?jǐn)嗄芰咏?0 kA，目前國內(nèi)6.3 kV 的真空斷路器額定分?jǐn)嗄芰?0 kA，裕度較小，故選擇10.5 kV 為交流母線電壓等級(jí)較為合理。

1.2 發(fā)電機(jī)系統(tǒng)

發(fā)電機(jī)系統(tǒng)為船舶動(dòng)力能源提供系統(tǒng)。發(fā)電機(jī)的選型原則至少有以下幾點(diǎn)：

（1）每個(gè)工況下的電力負(fù)荷率應(yīng)盡可能控制在70%～ 90%，使原動(dòng)機(jī)工作在最佳工作點(diǎn)附近；

（2）航行工況下電力系統(tǒng)需要有備機(jī)；

（3）破冰工況時(shí)考慮全部發(fā)電機(jī)投入使用；

（4）漂泊工況（長期低功率工況）下，電站負(fù)荷率需＞30%，最好＞50%，防止原動(dòng)機(jī)因長期低負(fù)荷而影響使用壽命；

（5）應(yīng)盡可能提高燃油效率，在允許的情況下，單臺(tái)電站功率盡可能最大。

根據(jù)估算的典型工況下電力負(fù)荷數(shù)據(jù)，大小機(jī)配置的電站方案可以更好地匹配各工況下的電力負(fù)荷，具有更好的經(jīng)濟(jì)性和使用靈活性，典型工況電力負(fù)荷如表2所示。

基于上述原則，考慮國產(chǎn)設(shè)備情況，可供優(yōu)選的電站方案如表3所示。

表3 優(yōu)選的電站方案

由于碼頭停泊工況和應(yīng)急工況的電力負(fù)荷差距不大，出于減少電站數(shù)量的考慮，可配置1 臺(tái) 1 200 kW 左右的應(yīng)急發(fā)電機(jī)并兼作停泊發(fā)電機(jī)。

1.3 配電設(shè)備

重型破冰船的配電設(shè)備可分為推進(jìn)配電板、日用配電板和應(yīng)急配電板。根據(jù)船級(jí)社的要求[2,4]，推進(jìn)配電板和日用配電板需分為至少2 段母排，根據(jù)不同的入級(jí)符號(hào)的要求，2 段母排可以在1 塊配電板中，也可以分隔為2 塊獨(dú)立的配電板。主推進(jìn)器直接連接在推進(jìn)配電板上。由于側(cè)推功率較大，優(yōu)選中壓設(shè)備，有利于減少工作電流和電纜數(shù)量。因此，中壓側(cè)推也連接在推進(jìn)配電板上。

考慮輔助設(shè)備一般是低壓設(shè)備，所以由日用配電板供電。為保證推進(jìn)的冗余性，日用配電板也分為至少2 段，且可以分段運(yùn)行。推進(jìn)系統(tǒng)的輔助設(shè)備根據(jù)不同設(shè)備廠的配置方案，可能由日用配電板供電，也可能由獨(dú)立配電板供電，此獨(dú)立配電板往往由推進(jìn)變壓器供電。

1.4 電力推進(jìn)系統(tǒng)

主推進(jìn)系統(tǒng)為綜合電力系統(tǒng)的核心，主要設(shè)備包括移相變壓器、推進(jìn)電機(jī)和推進(jìn)變頻器。推進(jìn)電機(jī)和推進(jìn)變頻器更是其中的關(guān)鍵元件。

1.4.1 推進(jìn)電機(jī)

目前，交流異步推進(jìn)電機(jī)、交流同步推進(jìn)電機(jī)和永磁同步推進(jìn)電機(jī)均可用于船舶推進(jìn)電機(jī)[5]，高溫超導(dǎo)推進(jìn)電機(jī)技術(shù)成熟度不夠，是下一代船用推進(jìn)電機(jī)。

美國RAND（蘭德）公司對(duì)20 MW 左右功率等級(jí)低速推進(jìn)電機(jī)功率密度進(jìn)行了對(duì)比，數(shù)據(jù)如下頁圖2 所示?？梢?，同步推進(jìn)電機(jī)的功率密度最低，異步推進(jìn)電機(jī)要比同步推進(jìn)電機(jī)的功率密度更高，永磁同步電機(jī)的功率密度最高。

圖2 20 MW 功率等級(jí)不同電機(jī)功率密度對(duì)比

針對(duì)各型推進(jìn)電機(jī)在重型破冰船中的應(yīng)用進(jìn)行對(duì)比分析，得到以下定性結(jié)論[6]，如表4所示。

表4 推進(jìn)電機(jī)類型對(duì)比

根據(jù)高過載能力需求，重型破冰船選用交流同步推進(jìn)電機(jī)或永磁同步推進(jìn)電機(jī)較合理。

以前電網(wǎng)與電機(jī)直接相連實(shí)現(xiàn)電氣傳動(dòng)，由于電網(wǎng)是三相交流系統(tǒng)，因此電機(jī)也是三相電機(jī)。變頻器的應(yīng)用使電機(jī)和電網(wǎng)不用直連，因此電機(jī)相數(shù)也不再由供電源的相數(shù)來決定。而近些年來電機(jī)功率級(jí)別越來越大，電機(jī)高性能的配套驅(qū)動(dòng)應(yīng)用也越來越廣泛，對(duì)于那些要求輸出大功率并且可靠性必須很高的場(chǎng)合（如船舶推進(jìn)領(lǐng)域等），多相電機(jī)是最佳選擇。

與傳統(tǒng)三相電機(jī)相比，多相電機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：冗余度、可靠性高；推進(jìn)系統(tǒng)性能好；控制靈活度高；對(duì)功率器件要求降低。

綜上所述，推進(jìn)電機(jī)優(yōu)選多相同步電機(jī)方案?？紤]推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩過載情況以及推進(jìn)變頻器匹配性，推進(jìn)電機(jī)選用九相或十二相電機(jī)。

1.4.2 推進(jìn)變頻器

推進(jìn)系統(tǒng)通常有二極管整流裝置（diode front end,DFE）方案和有源前端整流（active front end,AFE）方案：DFE 方案采用整流變壓器+DFE 變頻器，AFE 方案采用AFE 變頻器。這2 種方案的差異在于DFE 方案采用二極管整流方式，而AFE 方案采用脈寬調(diào)制（pulse width modulation,PWM）整流方式。

根據(jù)前述電網(wǎng)電壓等級(jí)選擇論證，電力系統(tǒng)選用10.5 kV 系統(tǒng)，但主流AFE 變頻器廠家如ABB、西門子和GE 的中壓變頻器電壓等級(jí)主要為3.3 kV，采用AFE 方案需要增加變壓器，無法體現(xiàn)常規(guī)AFE 方案中省掉變壓器的優(yōu)勢(shì)，反而會(huì)存在AFE 系統(tǒng)的缺點(diǎn)（如共模電壓?jiǎn)栴}）[7]。因此，選擇采用DFE 系統(tǒng)是較合理的方案。

對(duì)于大功率DFE 整流器，一般有12 脈波、24脈波及48 脈波整流方案。其中：12 脈波整流方案中，整流單元輸入側(cè)采用三繞組移相變壓器的原邊側(cè)相位均相同；24 脈波整流方案中，整流單元輸入側(cè)采用2 臺(tái)原邊相位角±7.5°的三繞組移相變壓器并聯(lián)；48 脈波整流方案中，整流單元輸入側(cè)采用4 臺(tái)原邊相位角分別為±3.75°、±11.25°的三繞組移相變壓器并聯(lián)。采用圖1 模型，在推進(jìn)電機(jī)線路增加不同型式的變頻器，不同脈波整流下電網(wǎng)諧波估算如 表5 所示（正常運(yùn)行及故障單側(cè)配電板運(yùn)行）。

表5 推進(jìn)配電板諧波估算%

由表5 所示的結(jié)果可以看出：采用24 脈波整流方式即可在各種工況下使電網(wǎng)諧波都能滿足船級(jí)社要求，而48 脈波整流方式雖然在母聯(lián)開關(guān)閉合運(yùn)行時(shí)諧波含量較小，但是在母聯(lián)開關(guān)分?jǐn)嗲闆r下，電網(wǎng)諧波與24 脈波整流相當(dāng)；而且對(duì)48 脈波整流方案的變壓器制造而言，要保證相位角精確度，移相變壓器的生產(chǎn)工藝要求較高，技術(shù)成熟度不高，且成本更高。因此，采用24 脈波整流方式是較優(yōu)方案。

2 電網(wǎng)架構(gòu)分析

2.1 國外典型案例分析

2.1.1 LK-25 破冰船

俄羅斯于2016 年12 月下水的LK-25 型破冰船。該船排水量約22 600 t、總長度146.8 m、寬度29 m、最大吃水9.5 m。

其采用常規(guī)的柴電綜合電力推進(jìn)，擁有2 臺(tái)吊艙和1 根中間軸系，敞水航速約17 kn(約31.5 km/h)，續(xù)航能力60 d。當(dāng)冰層厚度達(dá)2 m 時(shí)，能持續(xù)不間斷地前進(jìn)后退，最大破冰厚度可達(dá)5 m。

該船可在極地冰海執(zhí)行考察任務(wù)，在堅(jiān)冰攔路時(shí)為其他作業(yè)船只開路，將被浮冰圍困的船舶拖至清水區(qū)，并為北極海洋鉆探和開采海底石油等作業(yè)提供輔助保障及救援。

圖3 LK-25 電力系統(tǒng)單線圖

LK-25 電力系統(tǒng)單線圖中，中壓推進(jìn)配電板分為2 塊獨(dú)立的配電板，每塊配電板連接2 臺(tái)發(fā)電機(jī)和1 臺(tái)日用變壓器。左右2 個(gè)吊艙推進(jìn)器采用24脈DFE 系統(tǒng)，2 臺(tái)推進(jìn)變壓器分別連接至左右配電板上，勵(lì)磁電源也分別從2 塊配電板上取電。中間軸漿電機(jī)也是24 脈DFE 系統(tǒng)，推進(jìn)電機(jī)和勵(lì)磁裝置的供電方式與吊艙電機(jī)相同。2 臺(tái)側(cè)推采用雙路電源切換方式，可分別從左側(cè)或右側(cè)供電。

此電力系統(tǒng)的最大單一故障后果是損失一半推進(jìn)器能力，但不會(huì)導(dǎo)致任意推進(jìn)器的損失。

2.1.2 亞馬爾液化天然氣(LNG)運(yùn)輸船

Christophe de Margerie 是第1 艘亞馬爾級(jí)液化天然氣（LNG）運(yùn)輸船。該船長299 m、寬50 m、最大吃水10.4 m、總噸位128 806 t、夏季載重噸位96 779 t，能夠裝載172 600 m3液化天然氣，破冰等級(jí)達(dá)到了PC2[8]。

圖4 為亞馬爾LNG 運(yùn)輸船電力系統(tǒng)單線圖。中壓推進(jìn)配電板分為2 塊獨(dú)立的配電板，每塊配電板連接3 臺(tái)發(fā)電機(jī)和1 臺(tái)日用變壓器（未反映在單線圖上）。左右2 個(gè)吊艙推進(jìn)器采用24 脈DFE 系統(tǒng)，兩側(cè)吊艙只從其相應(yīng)側(cè)供電。中間吊艙推進(jìn)器也是24 脈DFE 系統(tǒng)，其2 臺(tái)推進(jìn)變壓器分別從左右兩側(cè)取電。此電力系統(tǒng)的最大單一故障后果是損失1臺(tái)吊艙和中間吊艙的一半能力。

圖4 亞馬爾LNG 運(yùn)輸船電力系統(tǒng)單線圖

由圖4 和下頁圖5 可以看出，示例中的2 艘國外破冰型船的推進(jìn)配電板均采用2 塊獨(dú)立配電板，其好處是若將2 塊配電板分別放置在2 個(gè)艙室，除了可以防止電氣故障引起全船失電，還可以防止火災(zāi)或艙室浸水引起的全船失電，提高安全冗余性。另外，推進(jìn)器是否需要兩側(cè)供電與電網(wǎng)最大故障下的船舶需求相關(guān)。在破冰航行時(shí)，保持船舶機(jī)動(dòng)能力很重要，吊艙在船上的作用除了提供推進(jìn)動(dòng)力外，還擔(dān)任舵的作用，所以LK-25 采用了故障下?lián)p失能力的方式保證船舶機(jī)動(dòng)能力（保證具有足夠的轉(zhuǎn)舵能力）；LNG 運(yùn)輸船由于采用三吊艙，所以無論采用哪種方式都可以保證單一故障下具有足夠的機(jī)動(dòng)能力，兩側(cè)吊艙采用不跨接的方式可降低系統(tǒng)復(fù)雜度。

2.2 擬采用的電網(wǎng)架構(gòu)分析

根據(jù)上述分系統(tǒng)分析和國外破冰船電網(wǎng)型式分析，重型破冰船擬采用的電網(wǎng)型式如下：推進(jìn)配電板分為2 塊獨(dú)立配電板，每塊配電板連接3 臺(tái)主發(fā)電機(jī)，2 臺(tái)日用變壓器分別連接至左右推進(jìn)配電板。推進(jìn)電機(jī)采用24 脈DFE 系統(tǒng)，采用跨接模式，由于中間推進(jìn)電機(jī)容量較大，采用雙套變頻器系統(tǒng)。應(yīng)急發(fā)電機(jī)兼作停泊發(fā)電機(jī)，連接至應(yīng)急配電板，具有供電至低壓日用配電板的功能。擬采用的重型破冰船電力系統(tǒng)單線圖如圖5所示。

圖5 重型破冰船電力系統(tǒng)單線圖

此電力系統(tǒng)的最大故障后果是損失一半推進(jìn)器能力，不會(huì)導(dǎo)致任意推進(jìn)器的損失，從而保證船舶電網(wǎng)故障狀態(tài)下的機(jī)動(dòng)性。

2.3 3種電網(wǎng)架構(gòu)比較

對(duì)上述3 種電網(wǎng)進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)LNG 運(yùn)輸船電網(wǎng)總?cè)萘看笥谥匦推票?，但其電壓等?jí)卻比重型破冰船低。這主要是因?yàn)閲a(chǎn)開關(guān)短路能力較差，重型破冰船電網(wǎng)考慮通過提高電壓等級(jí)來降低短路電流。此外，3 種電網(wǎng)在最大單點(diǎn)故障下推進(jìn)能力和機(jī)動(dòng)能力也相當(dāng)，具體比較如表6所示。

表6 電網(wǎng)架構(gòu)比較

3 結(jié)語

本文根據(jù)船舶破冰能力需求，通過計(jì)算推進(jìn)配電板端短路電流和諧波，結(jié)合國產(chǎn)設(shè)備選型和研究國外現(xiàn)有實(shí)船電網(wǎng)架構(gòu)，確定了電網(wǎng)電壓等級(jí)、推進(jìn)電機(jī)變頻器方案和配電板分段型式等電網(wǎng)架構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)，并提出了一型電網(wǎng)架構(gòu)。此電網(wǎng)架構(gòu)可以滿足常規(guī)動(dòng)力重型破冰船運(yùn)行需求，具有較好的冗余性，選型的國產(chǎn)設(shè)備也達(dá)到了一定的技術(shù)成熟度，可滿足船舶后續(xù)的設(shè)計(jì)開發(fā)需求。

隨著新能源在船舶領(lǐng)域的廣泛運(yùn)用，諸如儲(chǔ)能電池、超級(jí)電容等電氣裝置將越來越多地出現(xiàn)在電力系統(tǒng)中，通過將電池或電容接入變頻器直流匯流排或增加專業(yè)配電板等方式，本電網(wǎng)架構(gòu)也可以集成新的儲(chǔ)能元件。如何更好地集成新型儲(chǔ)能元件，則是電網(wǎng)架構(gòu)研究的下一步重要工作方向。