陳嘉偉，曹曉明，陳旭清，郭 昂

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船舶電力推進交流與直流系統(tǒng)對比研究

陳嘉偉1，曹曉明1，陳旭清2，郭 昂1

(1. 中國船舶科學研究中心，無錫 214082；2. 無錫市水利局，無錫 214031)

對交流與直流船舶綜合電力推進系統(tǒng)的設計進行了對比分析，將船舶電力推進系統(tǒng)的設計分為系統(tǒng)設計和關(guān)鍵設備選型設計兩部分進行了研究。在系統(tǒng)設計方面，主要對比了交流與直流系統(tǒng)的短路電流、選擇性保護、諧波抑制的異同。在關(guān)鍵設備選型設計方面，對ABB、SIMENSE和EMS三個技術(shù)方案對直流母排故障的保護方面進行了分析。隨后對直流船舶電力推進系統(tǒng)的優(yōu)勢與不足進行了分析，最后對船舶電力推進交流與直流系統(tǒng)對比進行了總結(jié)。

電力推進 對比研究 系統(tǒng)設計 設備選型設計

0 引言

船舶電力推進是指將船舶的動力系統(tǒng)和電力系統(tǒng)進行綜合的一體化設計，將其它的能量形式統(tǒng)一轉(zhuǎn)化成電能后，提供給全船所有設備使用[1]。經(jīng)過近三十年的發(fā)展和應用，常規(guī)低壓交流電力推進技術(shù)已逐步發(fā)展成熟，中高壓交流電力推進技術(shù)也得到了廣泛的應用，目前是大型海洋工程船中電力推進系統(tǒng)的主流。此外，隨著對節(jié)能環(huán)保及高性能船舶電力系統(tǒng)的要求不斷提高，以直流電力系統(tǒng)為特征的新一代船舶綜合電力推進系統(tǒng)已經(jīng)開始出現(xiàn)，并在節(jié)能減排、多能源接入、設備重量體積等方面表現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢，成為行業(yè)發(fā)展的重點方向[2]。

船舶綜合電力推進系統(tǒng)的設計主要包含兩方面的內(nèi)容，一是系統(tǒng)設計，二是關(guān)鍵設備選型。系統(tǒng)設計主要解決系統(tǒng)層面的問題，包括確定系統(tǒng)電制、網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)、運行工況，完成負荷計算、系統(tǒng)短路電流計算、系統(tǒng)選擇性保護分析、諧波計算與抑制等。關(guān)鍵設備選型是在系統(tǒng)設計的基礎上，完成對系統(tǒng)總體性能及可實現(xiàn)性有決定性影響的關(guān)鍵設備的選型，同時在選型的基礎上對系統(tǒng)設計的各項內(nèi)容進行一定程度的優(yōu)化[3]，如通過設備參數(shù)的調(diào)整是系統(tǒng)的綜合性能指標達到最優(yōu)等。

本文從船舶綜合電力推進系統(tǒng)的系統(tǒng)設計和關(guān)鍵設備選型設計這兩項為切入點，對直流系統(tǒng)和交流系統(tǒng)的設計進行了對比研究。

1 直流、交流電力推進的系統(tǒng)設計對比

無論交流系統(tǒng)還是直流系統(tǒng)，其設計內(nèi)容都是一致的，都需要考慮系統(tǒng)短路電流、選擇性保護、諧波抑制等[4]，但由于兩者工作機理不同，導致兩者的關(guān)注點是不同的。

1.1 短路電流

對交流系統(tǒng)來說，系統(tǒng)的短路電流更多與發(fā)電機電磁參數(shù)及系統(tǒng)運行工況相關(guān)，在系統(tǒng)設計的過程中對短路電流和諧波問題需要統(tǒng)籌兼顧考慮，既保證將短路電流控制在適當?shù)姆秶鷥?nèi)，方便斷路器選型，也要保證系統(tǒng)的諧波含量滿足規(guī)范的要求。

對直流系統(tǒng)來說，系統(tǒng)的短路電流除了與發(fā)電機的電磁參數(shù)及運行工況有關(guān)外，還有一個極為重要的因素是變頻器母線電容的放電電流。該電流持續(xù)時間短（一般在100 μs以內(nèi)），對系統(tǒng)的破壞極大，是目前行業(yè)內(nèi)需要解決的一大技術(shù)難題，目前國際上也沒有針對船舶直流系統(tǒng)短路電流計算的標準規(guī)范。

1.2 選擇性保護

對交流系統(tǒng)來說，系統(tǒng)的選擇性保護設計方案相對成熟，無論是中壓系統(tǒng)還是低壓系統(tǒng)，都可以通過各級斷路器之間在動作時間和動作電流上的合理設置實現(xiàn)系統(tǒng)保護的選擇性，并具有后備保護。

對直流系統(tǒng)而言，系統(tǒng)的選擇性保護是目前行業(yè)內(nèi)公認的難點。這體現(xiàn)在三個方面，一是系統(tǒng)各級設備的選擇性保護極為困難，特別在多機并聯(lián)的情況下；二是各級保護幾乎沒有后備保護；三是直流系統(tǒng)與交流系統(tǒng)的匹配問題。

1.3 諧波抑制

對交流系統(tǒng)來說，諧波抑制關(guān)注的重點是公共母線的諧波畸變量，包括公共母排和日用電網(wǎng)，必須保證各級電網(wǎng)的諧波指標不超過規(guī)范要求的限值。在科考船上，對科考設備供電的電源可能有更高的要求，需要獨立的清潔電源供電。對直流系統(tǒng)來說，對諧波問題關(guān)注的重點在交流發(fā)電機和日用負載電網(wǎng)這兩個方面，在交流發(fā)電機方面來說由于100%非線性負載引起的諧波問題是發(fā)電機設計中必須考慮的因素。在日用負載方面，由于采用靜態(tài)電源供電，電源的濾波方案是重點考慮的因素。

2 直流、交流電力推進的設備選型對比

關(guān)鍵設備的選型與功能設計是與系統(tǒng)設計的多項計算結(jié)合起來完成的，主要包括4項：在系統(tǒng)短路電流計算的基礎上完成配電板主斷路器的選型；在系統(tǒng)選擇性保護分析的基礎上完成系統(tǒng)選擇性保護方案的制定；在諧波計算的基礎上完成推進系統(tǒng)整流方式（對交流系統(tǒng)）并結(jié)合短路電流計算確定發(fā)電機電磁參數(shù)；在負荷計算的基礎上完成PMS的功能設計和控制策略的優(yōu)化。

傳統(tǒng)交流綜合電力推進系統(tǒng)目前已經(jīng)基本發(fā)展成熟[5]，其總體性能及系統(tǒng)可靠性已經(jīng)得到了充分驗證，在合適的系統(tǒng)容量范圍內(nèi)，技術(shù)方案的可行性十分可靠。對交流綜合電力推進系統(tǒng)的設計更多的注意力放在設備的選型方面，即是否有合適的產(chǎn)品可供選型。系統(tǒng)容量8 MW以下采用低壓交流系統(tǒng)在技術(shù)上十分成熟，關(guān)鍵設備的選擇范圍比較多。系統(tǒng)容量8 MW~50 MW采用中壓交流系統(tǒng)在技術(shù)上也較為成熟，國內(nèi)外均有相關(guān)關(guān)鍵設備供選型[6]。

對直流綜合電力推進系統(tǒng)來說，國內(nèi)還沒有成熟應用案例，國外僅有以ABB、SIMENSE、EMS三家公司為代表的少數(shù)應用案例，且全部為低壓系統(tǒng)，目前為止國內(nèi)外均沒有中壓直流系統(tǒng)的應用案例[7]。以ABB、SIMENSE、EMS為代表三家公司分別采用了不同的直流綜合電力系統(tǒng)技術(shù)路線，無論哪種技術(shù)方案，核心的差異都體現(xiàn)在對直流母排故障的保護方面，這也是直流綜合電力系統(tǒng)的設計難點與關(guān)鍵點，以圖1所示的典型直流綜合電力系統(tǒng)進行說明。

ABB方案供電側(cè)采用同步發(fā)電機+不控整流的方式，母聯(lián)開關(guān)采用機械式斷路器，在每個負載的逆變側(cè)裝有電子開關(guān)，用于阻斷在母線故障情況下逆變單元電容放電，從而限制故障發(fā)生時的故障電流，使系統(tǒng)具有較強的故障穿越能力。該方案在母排發(fā)生故障的情況下可以保證母聯(lián)斷路器先分斷，保證非故障母線的正常運行，具有一定的選擇性，但在發(fā)電機整流單元故障的情況下也會失去一段母線的供電，不能實現(xiàn)完全選擇性。由于需要在每個逆變單元上設置一個電子開關(guān)，該方案造價昂貴，同時對控制系統(tǒng)有極高的要求，在檢測到母線故障的情況下，要快速對逆變輸出進行限制，以維持電容電壓，保證其故障穿越能力。由于各電子開關(guān)都裝在每個逆變單元上，單個開關(guān)容量目前還可以實現(xiàn)標準產(chǎn)品選型，同時母聯(lián)開關(guān)采用機械式斷路器。

圖1 典型直流綜合電力系統(tǒng)圖

SIMENSE方案供電側(cè)也采用同步發(fā)電機+不控整流的方式，但與ABB不同的是，其將母聯(lián)開關(guān)設置為電子開關(guān)，各逆變側(cè)由熔斷器提供保護。該方案的優(yōu)勢是在母排發(fā)生故障的情況下可以在極短的時間內(nèi)（20 us）分斷母聯(lián)斷路器，保證非故障母線的正常運行，具有一定的選擇性，但在發(fā)電機整流單元或負載逆變單元故障的情況下也會失去一段母線的供電，同樣不能實現(xiàn)完全選擇性。

與ABB和SIMENSE方案不同，EMS方案在供電側(cè)采用的是異步電機+可控整流的方式，采用這種方案的優(yōu)勢在于對發(fā)電側(cè)的控制較簡單，相對成本也較低。在系統(tǒng)保護方面，該方案主要依賴熔斷器完成對整流及逆變單元的保護，對直流母排的保護依靠機械式斷路器實現(xiàn)。理論上來說，該技術(shù)方案存在全船失電的風險，這是由于無論熔斷器還是機械式斷路器，其動作時間都大于直流母線電容的放電時間，在熔斷器或機械式斷路器動作前系統(tǒng)可能已經(jīng)因為電容放電導致母線電壓過低而停機。

3 技術(shù)方案對比

3.1 直流方案的優(yōu)勢

采用直流推進方案，可使設備體積重量大幅度降低，從國外統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看[3]，電力推進系統(tǒng)設備的總重量可降低20%以上，艙室空間節(jié)省30%以上，總體效率提升5%~10%。

由于直流系統(tǒng)允許發(fā)電機組運行在不同的轉(zhuǎn)速下，可以根據(jù)原動機的萬有特性曲線和實際運行工況調(diào)整原動機的運行轉(zhuǎn)速，達到節(jié)能減排的效果。國外典型船舶運行統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，相對交流系統(tǒng)，直流系統(tǒng)在最惡劣工況下（DP作業(yè)）也能節(jié)省14%的燃油，且方便多能源接入，使得純LNG動力發(fā)電機在電推船上的大規(guī)模應用成為可能，進一步提升節(jié)能減排效果。

3.2 直流方案的不足

采用直流推進方案也存在一定的不足，主要體現(xiàn)在系統(tǒng)選擇性保護困難，技術(shù)成熟度有待提升。

設備選型困難，成本高昂，特別是直流斷路器，傳統(tǒng)機械式斷路器無法實現(xiàn)選擇性，新型電子式短路器選擇范圍有限，目前最大額定電流為4 kA，單個斷路器價格達到100萬人民幣以上。

機組變轉(zhuǎn)速運行控制困難，同時會給系統(tǒng)減振設計帶來挑戰(zhàn)。直流系統(tǒng)最大的亮點之一就是機組的變轉(zhuǎn)速運行，但這一功能對系統(tǒng)運行控制的要求極高，需要對機組調(diào)速系統(tǒng)和發(fā)電機AVR進行協(xié)調(diào)控制。由于不同控制系統(tǒng)工作特性和響應時間不一致，不恰當?shù)目刂品绞饺菀讓е孪到y(tǒng)失穩(wěn)。此外，由于機組在寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運行（一般在60%~100%額定轉(zhuǎn)速），可能帶來新的共振點，對減振系統(tǒng)的設計及機組成套設計提出了新的挑戰(zhàn)，這一點對科考船尤為重要。另外，在采用定轉(zhuǎn)速發(fā)電的一些科考船設計中，當機組運行的經(jīng)濟性和機組的減振降噪效果這兩個方面不能兼顧時，減振降噪效果往往更受關(guān)注。

4 總結(jié)

交流電力系統(tǒng)方案和直流電力系統(tǒng)方案，在發(fā)電機端和推進電機端采用的都是交流電，在中間電力傳輸?shù)姆绞缴嫌兴煌募夹g(shù)成熟度及可行性、設備可選擇范圍、建造成本等多方面綜合考慮，采用中壓交流系統(tǒng)可能更優(yōu)。采用直流系統(tǒng)最大的意義在于可以有效降低電力推進設備的尺寸重量，增加有效艙容，但需重點關(guān)注機組變轉(zhuǎn)速運行對減振方案帶來的負面影響，同時，系統(tǒng)保護方案的設計和電子式斷路器的選型會遇到無成熟產(chǎn)品可供選擇的情況。

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Comparative Study on AC and DC Electric Propulsion Systems of Ship

Chen Jiawei1, Cao Xiaoming1, Chen Xuqing2, Guo Ang1

（1.China Ship Scientific Research Center, Wuxi 214082, JiangSu, China; 2. Wuxi Water Conservancy Bureau, Wuxi 214031, JiangSu, China）

U664.14

A

1003-4862（2019）01-0011-03

2018-08-28

陳嘉偉(1990-)，男，博士。研究方向：船舶輪機與動力設計。E-mail: chenjiawei44@126.com