深遠(yuǎn)海多功能船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

顏小明，袁 遠(yuǎn)，宋秀麗，劉 鶴

（1.招商局重工（深圳）有限公司，深圳 518054；2.招商局深海裝備研究院（三亞）有限公司，三亞 572025）

1 前言

我國(guó)是一個(gè)海洋資源大國(guó)，隨著我國(guó)一帶一路戰(zhàn)略和海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略的穩(wěn)步實(shí)施，海洋資源開(kāi)發(fā)也逐步由近海、淺海走向深遠(yuǎn)海區(qū)域。深遠(yuǎn)海多功能船舶，是保障和支撐各類(lèi)海洋經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的重要裝備，具有高速巡航、救助、海上消防、拖帶、起重安裝、深海資源探測(cè)、追蹤水下目標(biāo)、海上后勤補(bǔ)給等多種功能，屬于高附加值、高技術(shù)船舶，是深遠(yuǎn)海資源開(kāi)發(fā)不可缺少的利器[1]。

推進(jìn)系統(tǒng)及動(dòng)力裝置被喻為船舶的心臟，對(duì)在深遠(yuǎn)海惡劣海況中執(zhí)行多種復(fù)雜、精確任務(wù)的多功能船來(lái)說(shuō)尤為重要。近10 年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，以及國(guó)際社會(huì)對(duì)海洋大氣環(huán)境保護(hù)要求日益嚴(yán)格，電力推進(jìn)已逐漸發(fā)展成為深遠(yuǎn)海多功能船舶的主要推進(jìn)形式[2][3]。本文重點(diǎn)對(duì)電力推進(jìn)適應(yīng)性、電力推進(jìn)系統(tǒng)總體配置、關(guān)鍵電力設(shè)備設(shè)計(jì)選型等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

2 電力推進(jìn)系統(tǒng)適應(yīng)性

傳統(tǒng)多功能船舶的推進(jìn)系統(tǒng)，主要采用中速柴油機(jī)通過(guò)減速齒輪箱，驅(qū)動(dòng)尾部螺旋槳推進(jìn)，其在船舶高速航行狀態(tài)下，總體經(jīng)濟(jì)性能良好。但是在執(zhí)行進(jìn)出港口、海上救撈、海底探測(cè)、低速追蹤水下目標(biāo)等任務(wù)時(shí)，需要船舶具有良好的低速操縱性、機(jī)動(dòng)性。由于受柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)限制，低速航行時(shí)，中速柴油機(jī)效率、經(jīng)濟(jì)性大幅下降。然而，對(duì)于多功能船舶來(lái)說(shuō)，低速作業(yè)任務(wù)又是其重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)，也是其常用工況，如采用傳統(tǒng)推進(jìn)方式，船舶經(jīng)濟(jì)性較差；而且一旦發(fā)生機(jī)艙浸水或者火災(zāi)，全船的動(dòng)力將大部分或者全部喪失，嚴(yán)重危及船舶自身安全；如在寒區(qū)作業(yè)，則需要額外電力用于伴熱保溫，以便對(duì)傳統(tǒng)推進(jìn)及其輔助系統(tǒng)的運(yùn)行提供保障[4]。

相比于傳統(tǒng)的柴油機(jī)推進(jìn)，電力推進(jìn)具有下列獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[2][3]:

1）變頻驅(qū)電力推進(jìn)系統(tǒng)的調(diào)速比，通常可達(dá)到1:10甚至更高，并能實(shí)現(xiàn)無(wú)極變速，在獲得極低轉(zhuǎn)速的同時(shí)仍能保持極高的效率，具有良好的低速經(jīng)濟(jì)性；同時(shí)，原動(dòng)機(jī)排放量少，有利于環(huán)境保護(hù)；

2）采用電力推進(jìn)，除了在船尾設(shè)置推進(jìn)器外，還可以在船首部、尾部的舷側(cè)設(shè)置側(cè)推、伸縮推等推進(jìn)器，使船舶在低速狀態(tài)下獲得良好的操縱性和機(jī)動(dòng)性，能夠準(zhǔn)確可靠的避碰、進(jìn)出港口，安全地接近需要補(bǔ)給或者救助的船舶；

3）電力推進(jìn)不需要設(shè)置長(zhǎng)傳動(dòng)軸系，可以方便地在全船范圍內(nèi)分布式布置多臺(tái)套發(fā)電機(jī)裝置和驅(qū)動(dòng)電機(jī)。當(dāng)某一機(jī)艙浸水或者發(fā)生火災(zāi)時(shí)，剩余的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)完整，船舶仍然擁有足夠的動(dòng)力，顯著提升了船舶的生命力。

電力推進(jìn)系統(tǒng)的上述優(yōu)點(diǎn)，完全滿(mǎn)足深遠(yuǎn)海多功能船舶對(duì)低航速操縱性、機(jī)動(dòng)性、經(jīng)濟(jì)性、生命力和綠色環(huán)保的要求，因此現(xiàn)代深遠(yuǎn)海多功能船舶基本上都采用全電力推進(jìn)系統(tǒng)或者柴-電聯(lián)合推進(jìn)系統(tǒng)。典型的柴-電聯(lián)合推進(jìn)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，如圖1 所示。

圖1 柴-電聯(lián)合推進(jìn)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

3 電力推進(jìn)系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備配置

電力推進(jìn)系統(tǒng)主要采用交流電力推進(jìn)系統(tǒng)，交流系統(tǒng)具有容量大、系統(tǒng)簡(jiǎn)單、成本低、能適應(yīng)中高壓電力等級(jí)（如6.6 kV）等優(yōu)點(diǎn)，特別是在變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制下，能夠獲得接近直流電機(jī)的調(diào)速性能，在大功率推進(jìn)船舶動(dòng)力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。目前，典型大型深遠(yuǎn)海多功能船舶的總推進(jìn)功率可達(dá)6～15 MW，甚至更高。

交流電力推進(jìn)系統(tǒng)，一般由原動(dòng)機(jī)、交流發(fā)電機(jī)、移相變壓器、變頻裝置、交流異步電動(dòng)機(jī)和主推進(jìn)器組成，如圖2 所示。

3.1 變頻調(diào)速系統(tǒng)配置

三相異步交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為[5]：

式中：n 為電機(jī)轉(zhuǎn)速；s 為轉(zhuǎn)差率；f 為電源頻率；p 為電機(jī)的極對(duì)數(shù)。

異步電機(jī)可以通過(guò)調(diào)節(jié)極對(duì)數(shù)、轉(zhuǎn)差率和頻率來(lái)調(diào)速，其中效率最高、調(diào)速范圍最大的是調(diào)頻率，其核心裝置為變頻器。

交流變頻器，分為：間接變頻器（交-直-交變頻）和直接變頻器（交-交變頻）兩大類(lèi)。其中，間接變頻器又可分為電壓型和電流型兩種。

上述變頻器與不同類(lèi)型的驅(qū)動(dòng)電機(jī)配合，可以構(gòu)成如下三類(lèi)基本的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)：

1）交-直-交電壓型變頻器VSI，匹配交流異步電機(jī)；

2）交-交變頻器CYCLO，匹配交流同步電機(jī)；

3）交-直-交電流型變頻器CSI，匹配交流同步電機(jī)。

直接變頻器省略了中間變流環(huán)節(jié)，與間接變頻器相比能量轉(zhuǎn)換效率高，但是存在功率因素低、調(diào)速范圍窄、配套的同步電動(dòng)機(jī)價(jià)格較昂貴等不利因素[3]，因此在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中應(yīng)用較少；

交-直-交電流型變頻器CSI，優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)電機(jī)制動(dòng)功率向電網(wǎng)反饋，實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，但是通常需要配套同步電機(jī)，變頻器需要與電機(jī)集成設(shè)計(jì)，難以實(shí)現(xiàn)通用性；

交-直-交電壓型變頻器VSI，屬于通用變頻器，并且可以使用籠型異步電機(jī)，顯著降低了全套裝置成本，因此深遠(yuǎn)海多功能船舶廣泛采用交-直-交電壓型變頻裝置，匹配交流異步電機(jī)推進(jìn)。

交-直-交電壓型變頻器，主要由二極管全橋整流、直流儲(chǔ)能電容及三相電壓型PWM 逆變器組成：整流器一般采用不可控整流二極管Power Diode；逆變器則采用高頻大功率可關(guān)斷半導(dǎo)體器，通常為絕緣柵雙極晶體管IGBT，常規(guī)在第一象限運(yùn)行，通過(guò)改變逆變?cè)膶?dǎo)通次序，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。典型交-直-交電壓型變頻器的主電路圖，如圖3 所示。

圖3 典型交-直-交電壓型變頻器主電路圖

當(dāng)船舶從正車(chē)突然倒車(chē)、減速過(guò)程中，電機(jī)會(huì)產(chǎn)生再生電能反饋，變頻器將產(chǎn)生泵升電壓，因此直流電路中應(yīng)并聯(lián)制動(dòng)電阻和制動(dòng)控制元器件，當(dāng)泵升電壓達(dá)到閾值時(shí)，通過(guò)IGBT 元件VB 接通制動(dòng)電阻RB，將電能消耗在電阻上。

交-直-交電壓型變頻器在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中的應(yīng)用比較成熟，如應(yīng)用在半潛船、起重船、海洋工程船等特種船型上。國(guó)際主要供應(yīng)商如西門(mén)子、ABB和GE 等，均推出了適用于船舶推進(jìn)的中壓和低壓系列產(chǎn)品，目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多的有西門(mén)子公司低壓S120CM系列（690 V）,中壓GM150 系列（3.3 kV 和4.16 kV）;ABB 公司的主流產(chǎn)品則為低壓ACS880 系列（690 V），中壓ACS6080 系列（3.3 kV）等。

3.2 諧波畸變控制

整流二極管和IGBT 等非線(xiàn)性電力電子器件所產(chǎn)生的諧波，在注入電網(wǎng)后會(huì)使電網(wǎng)電壓波形產(chǎn)生畸變，影響其它設(shè)備正常工作，并降低電網(wǎng)的功率因素，加速絕緣老化，產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲等。因此，需要對(duì)電壓總諧波畸變THD 進(jìn)行控制，國(guó)內(nèi)外各大船級(jí)社均制定了相應(yīng)的THD 控制標(biāo)準(zhǔn)[6]。對(duì)于大型船舶來(lái)說(shuō)，通常要求對(duì)推進(jìn)供電的匯流排，電壓總諧波畸變THD 最大允許值為8%，單次諧波最大值為5%。

電壓總諧波畸變率THDU，可以按下式計(jì)算：

變頻裝置所產(chǎn)生的諧波次數(shù)為：

式中：U1——基波電壓；

UH——諧波電壓；

k=1,2,3…，為正整數(shù)；

m 為變頻器整流模塊整流脈波數(shù)。

由于諧波分量值隨諧波次數(shù)而下降，消除諧波危害的最有效方法是增加整流脈波數(shù)。如：當(dāng)采用12 脈波整流時(shí)，諧波次數(shù)為11,13,23,25 …；而采用24脈波整流，則電網(wǎng)中只出現(xiàn)23 次以上諧波，此時(shí)全船的THD 值通常均能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求[3]。

電力推進(jìn)系統(tǒng)中，常采用2 臺(tái)三繞組移相變壓器，形成虛擬24 脈波整流，相應(yīng)的移相變壓器與變頻器配置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，如圖4 所示。

圖4 虛擬24 脈波交-直-交變頻裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

4 移相變壓器和預(yù)充磁變壓器

如前所述，虛擬24 脈波整流模塊輸入側(cè)由2 臺(tái)三繞組移相變壓器組成：2 臺(tái)移相變壓器的原邊，分別移相±7.5°；移相變壓器的原邊采用延邊三角形聯(lián)接實(shí)現(xiàn)移相，二個(gè)副邊則分別采用常規(guī)的d型和y型聯(lián)接，即D（+7.5°）y5d0 和D（-7.5°）y5d0。延邊三角形的繞組聯(lián)接和相量原理圖，如圖5 和圖6 所示。

圖5 延邊三角形的繞組聯(lián)接圖

圖6 延邊三角形相量圖

延邊三角形聯(lián)接中，各電壓量之間的關(guān)系如下：

式中：U1——一次側(cè)電網(wǎng)電壓；

Uy——移相繞組電壓；

Um——主繞組電壓；

α——移相角度7.5°。

在二次側(cè)，兩個(gè)繞組分別采用d 型和y 型聯(lián)接，因此二者繞組匝數(shù)應(yīng)滿(mǎn)足下列關(guān)系：

式中：N2d——d 型聯(lián)接繞組匝數(shù)；

N2y——y 型聯(lián)接繞組匝數(shù)。

大功率電力推進(jìn)系統(tǒng)中，移相變壓器的容量通常為1～2 MW 甚至更高；變壓器鐵芯一般工作在接近飽和狀態(tài)，空載變壓器合閘時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的瞬時(shí)勵(lì)磁電流，其最大值高達(dá)變壓器額定電流的6～10 倍。這種勵(lì)磁涌流通常會(huì)引起電力系統(tǒng)中過(guò)電流保護(hù)斷路器動(dòng)作，從而變壓器合閘失敗，同時(shí)還會(huì)對(duì)船舶電站和其它用電設(shè)備造成損壞，因此在電力推進(jìn)系統(tǒng)中，通常對(duì)大容量變壓器設(shè)置預(yù)充磁設(shè)備，主要由小型預(yù)充磁變壓器和相應(yīng)的控制開(kāi)關(guān)組成，其基本原理圖，如圖7所示。

圖7 變壓器預(yù)充磁合閘原理圖

圖中：TR2 為主連接主推進(jìn)電機(jī)的主變壓器；

Pr2 為小型預(yù)充磁變壓器，其容量通常為主變壓器的1%～2%左右。

合閘順序?yàn)椋?/p>

1）合閘S1 為Pr2 充磁；

2）當(dāng)Pr2 充磁完畢后，合閘S2 對(duì)主變壓器TR2的二次側(cè)進(jìn)行預(yù)充磁；

3）當(dāng)TR2 中建立起穩(wěn)定的磁通以后，合閘S3；延時(shí)后斷開(kāi)S1 和S2，將Pr2 從系統(tǒng)中切除。即可實(shí)現(xiàn)順利合閘。

圖7 中，Pr1 也是TR1 的預(yù)充磁變壓器，操作方法與之類(lèi)似。

5 結(jié)論

根據(jù)上述分析，可以得出如下結(jié)論：

1）電力推進(jìn)系統(tǒng)在總體布置、經(jīng)濟(jì)性、操作性、生命力和環(huán)境保護(hù)方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，完全滿(mǎn)足現(xiàn)代大功率深遠(yuǎn)海多功能船舶對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)的要求，是未來(lái)該類(lèi)型船舶推進(jìn)系統(tǒng)的主流形式；

2）交-直-交電壓型變頻器VSI，可以匹配籠型異步電機(jī)，具有優(yōu)秀的通用性、經(jīng)濟(jì)性和調(diào)速性能，在船舶電網(wǎng)總?cè)萘坎淮笥?5 MW 時(shí)，具有良好的適用性；

3）利用2 臺(tái)三繞組移相變壓器，構(gòu)造虛擬24 脈波整流模塊，能夠有效抑制變頻裝置產(chǎn)生的諧波畸變，提升電網(wǎng)供電質(zhì)量；

4）應(yīng)用變壓器預(yù)充磁技術(shù)，可以避免大容量移相變壓器空載合閘時(shí)所產(chǎn)生的浪涌沖擊電流，保護(hù)重要船舶電氣設(shè)備的安全。