劉興亮，聶加俊

(蕪湖造船廠有限公司,安徽 蕪湖 241000)

0 引言

目前，對于配置軸帶發(fā)電機的船舶大都是采用傳統(tǒng)的交流供電方式,軸發(fā)電源經(jīng)由變頻器提供恒壓恒頻接至交流主配電板給輔助設備和日用負載供電，而對于變頻負載則是直接經(jīng)由變頻器接至交流配電板。在變頻負載較多情況下，則增加了系統(tǒng)復雜性，變頻諧波、短路容量等問題難以得到解決。

隨著國際海事組織(IMO)對于船舶能效設計指數(shù)(EEDI)和船舶能效指數(shù)(EEXI)等的要求越來越高，軸發(fā)混合動力技術是目前能源系統(tǒng)優(yōu)化技術的一個較為主流的技術應用。軸帶發(fā)電機同時具有PTO/PTI功能，既可實現(xiàn)軸帶發(fā)電模式功能，也可實現(xiàn)混合推進模式功能。但需要變頻調(diào)速的負載一直沿用傳統(tǒng)交流組網(wǎng)模式，由交流配電板供電。

在主要負載大多為變頻調(diào)速負載的情況下，基于軸發(fā)混合動力技術，采用直流組網(wǎng)模式通過直流配電板連接到變頻調(diào)速負載，可以省去傳統(tǒng)交流組網(wǎng)模式下變頻負載的AC-DC整流器模塊并可以有效解決諧波問題，使整個系統(tǒng)結構更為簡單，同時對于動力電池、廢熱回收發(fā)電機等新能源技術的系統(tǒng)接入具有更好的兼容性。

22 000 t化學品船貨油系統(tǒng)配置14臺貨油泵及1臺泄放泵，采用電動變頻調(diào)速。

為提高燃油效率和減少排放，本文基于貨油泵采用變頻調(diào)速的驅(qū)動方案，通過電力系統(tǒng)從初步方案到最終方案的優(yōu)化，提出了對于采用直流母排配電板的軸帶混合動力技術的電力系統(tǒng)設計的要點和難點的解決思路，為后期同類型技術應用的船舶建造積累寶貴經(jīng)驗。

1 混合電力系統(tǒng)概況

1.1 電站配置

本船主電站包括2臺AC 450 V 1 100 kW主發(fā)電機和1臺AC 450 V 1 500 kW軸帶發(fā)電機。軸帶發(fā)電機具有PTO/PTI/PTH功能，直流配電板可接入508 kWh最大功率輸出1 000 kW的動力蓄電池組，貨油泵的變頻器及艏側(cè)推等負載的變頻器直接連接到直流配電板上，采用直-交逆變器實現(xiàn)變頻調(diào)速。

本船電力系統(tǒng)初步方案單線圖見圖1。

圖1 電力系統(tǒng)初步方案單線圖

1.2 軸帶混合動力方案

本船電力系統(tǒng)采用了軸帶混合動力的運行模式，以及采用直流配電板供電對貨油泵和艏側(cè)推等變頻調(diào)速負載通過直-交逆變器實現(xiàn)變頻調(diào)速控制。

軸帶混合動力有以下3個運行模式：

(1)PTO模式，即軸帶發(fā)電模式，利用主機冗余功率帶動軸帶電機發(fā)電。通過交-直整流器，軸帶發(fā)電機供電給直流配電板，并經(jīng)由直流配電板給貨油泵及艏推供電，同時可通過兩路直-交變頻器供電到AC 450 V交流主配電板，以便給日用負載供電。在軸發(fā)供電模式下，軸帶發(fā)電機可在70%～80%主機額定轉(zhuǎn)速下輸出1 500 kW功率，用以向直流配電板及交流主配電板供電。本船配有14臺貨油泵，采用了變頻矩陣的方式可實現(xiàn)6臺貨油泵能同時滿負荷運行。

(2)PTI模式，即混合推進模式，利用主發(fā)電機組拖動軸帶電機，與主機共同驅(qū)動推進器。在此模式下，主發(fā)電機通過主配電板經(jīng)由交-直整流器向直流配電板供電，然后通過直-交逆變器拖動軸帶電機，此時軸帶電機和主機共同作用驅(qū)動推進器。軸帶電機最大輸出功率為1 600 kW，加上主機最大輸出功率5 400 kW，推進功率可達到7 000 kW，足以滿足本船入級冰區(qū)所需推進功率要求。通過此模式，可以有效降低船上主機裝機功率要求。

(3)PTH模式，即單獨推進模式，在主機故障情況下，齒輪箱離合器脫開主機，利用主發(fā)電機提供的電力拖動軸帶電機，從而單獨驅(qū)動推進器。此模式下，交流主配電板和直流配電板都是由主發(fā)電機供電，主機和推進系統(tǒng)完全脫離開，軸帶電機作為船舶推進的唯一動力，可以滿足船級社冗余推進符號RP(1, 22%)的要求。

1.3 配電板

按圖1所示，本船采用了饋線式供電方式，主配電板包括交流主配電板、直流母排配電板和應急配電板。交流主配電板電壓為AC 450 V,主要負責給燃油泵、滑油泵、空壓機、風機、艇吊等日用負載和輔助設備供電，同時還可以同直流配電板實現(xiàn)雙向互為供電。直流母排配電板電壓為DC 750 V，主要負責給貨油泵及艏側(cè)推等負載供電以及同交流主配電板雙向互為供電，即交流主配電板和直流配電板之間可通過AC-DC模塊實現(xiàn)雙向相互供電。應急配電板電壓為AC 450 V,主要為規(guī)范對應急電源有要求的負載如可逆機艙風機、應急消防泵、舵機、應急照明等應急供電。

交流主配電板除了給主要輔助設備供電外還可實現(xiàn)以下主要功能：

(1)2臺主發(fā)電機的空氣斷路器的自動合閘、分閘及同步并車、自動負荷轉(zhuǎn)移和自動負荷卸載。

(2)測量發(fā)電機的電壓、電流、頻率、功率因數(shù)以及測量匯流排電壓、頻率。

(3)發(fā)電機長延時、短延時、瞬時、逆功、欠壓、差動保護。

(4)匯流排供電絕緣監(jiān)測及報警。

(5)主發(fā)電機AVR自動電壓調(diào)整。

(6)主發(fā)電機與軸帶發(fā)電動機的并車、自動同步、自動負載轉(zhuǎn)移及自動卸載。

(7)主配電板向應急配電板的正常供電。

直流母排配電板除了給貨油泵和艏側(cè)推等變頻調(diào)速負載供電外還可實現(xiàn)如下功能：

(1)軸帶發(fā)電機的合閘、分閘、自動同步、自動負載轉(zhuǎn)移及自動卸載。

(2)對軸帶發(fā)電機變頻器、主網(wǎng)變頻器、動力蓄電池及DC-DC變換器的控制和監(jiān)測。

(3)測量軸帶發(fā)電機電壓、電流、頻率、功率因數(shù)及自動電壓調(diào)整。

(4)測量直流母排電壓、電流。

(5)軸帶發(fā)電機長延時、短延時、瞬時、逆功、欠壓、差動保護。

(6)直流匯流排過壓、欠壓、過流、配電板絕緣監(jiān)測報警等。

(7)電池充放電、電量、溫度、續(xù)航狀態(tài)等的控制監(jiān)測(建立與電池管理系統(tǒng)的接口通訊)。

(8)AC400、～450 V、50 Hz或60 Hz岸電通過軸帶發(fā)電機變頻器接入直流母排配電板。

1.4 變頻設備

本船主要變頻調(diào)速負載為1臺艏側(cè)推和14臺貨油泵，以及機艙風機、冷卻水泵、除氣風機等變頻調(diào)速負載。采用直流母排配電板經(jīng)由直-交逆變器連接到變頻調(diào)速負載實現(xiàn)對泵和風機的變頻調(diào)速，其根本優(yōu)點是可以減少各負載的交-直整流器，通過直流母排連接到交流電力系統(tǒng)和變頻調(diào)速負載，日用電源和變頻器有效分開，可以有效解決諧波問題。

所配置的主要變頻器設備如下：

(1)軸發(fā)變頻器；通過2組交-直整流器實現(xiàn)軸帶發(fā)電機供電給直流母排配電板，然后通過2組直-交逆變器實現(xiàn)直流母排配電板與交流配電板的相互供電。采用雙變頻器(2組整流模塊和2組逆變模塊)可以有效提高系統(tǒng)冗余度和可靠性。

(2)貨油泵變頻器。本船共有14臺貨油泵，要求6臺貨油泵可同時運行。由于采用變頻器矩陣來滿足此功能要求，所以只需配置6臺變頻器直接連接到直流配電板。

(3)艏側(cè)推變頻器。艏側(cè)推采用獨立的直-交逆變器直接連接到直流配電板。

2 電力系統(tǒng)方案設計時的要點和難點

2.1 電壓等級的選擇

本船的最大負載貨油泵和艏側(cè)推采用了連接到直流配電板的電力變頻驅(qū)動，同時考慮系數(shù)、需要系數(shù)、間歇性負載、短時負載、電網(wǎng)損失等諸多因素，經(jīng)過初步電力負荷計算，在貨油卸載工況下電力負荷為1 678 kW。

如采用690 V電壓等級，則主配電板匯流排電流將達到約1 760 A；如采用440 V電壓等級，則主配電板匯流排電流將達到約2 752 A。兩者從設計角度考慮的因素主要有：銅匯流排的規(guī)格和數(shù)量的選用影響、短路電流及負荷電流對斷路器的選用影響、不同電流對電機絕緣和耐熱等級的制造和成本影響、電纜載流量對電纜規(guī)格和數(shù)量選用的影響。如采用690 V電壓等級，盡管如上影響有一定優(yōu)勢，但是由于輔助設備一般都為AC440 V等級，這樣需要配置690 V/440 V變壓器及系統(tǒng)架構會增設690 V主配電板，而本船貨油泵和艏側(cè)推已采用了由直流配電板供電，故經(jīng)過反復權衡最終選用了AC440 V的電壓等級。

本船連接到直流配電板的變頻負載容量并不是特別大，綜合考慮電器部件及電纜的經(jīng)濟性，直流母排額定電壓采用了DC750 V。

2.2 交流配電板和直流配電板之間的聯(lián)系

電力系統(tǒng)設計時，在確定采用AC 450 V交流主配電板和DC 750 V直流母排配電板后，就需要考慮兩者之間的電氣連接方案。考慮到本船軸帶電機具有PTO發(fā)電功能，此模式下軸發(fā)電機功率應為1 500 kW；PTH單獨推進功能，此模式下軸發(fā)電機功率也應為1 500 kW；PTI混合推進功能，此模式下軸發(fā)電機功率應為1 600 kW。由此可以確定，交流主配電板和直流配電板之間的交-直整流器應該滿足1 600 kW的功率要求?？紤]到規(guī)范對電力系統(tǒng)冗余及供電的可靠性要求，選用2個900 kW的交-直整流模塊。

2.3 變頻系統(tǒng)的選用

本船變頻器主要包括軸發(fā)變頻器、主網(wǎng)變頻器以及用于貨油泵和艏側(cè)推等負載的變頻調(diào)速控制用的變頻器。本船因采用了直流母排連接電力系統(tǒng)，日用電源由交流主配電板供電，而所有變頻負載由直流母排配電板供電，即所有變頻器都連接到直流母排上，從而實現(xiàn)日用電源和變頻器有效分開，不需要過多考慮諧波問題。但是，傳統(tǒng)的交流組網(wǎng)變頻調(diào)速帶來的諧波干擾卻不容忽視。諧波會對整個船舶電網(wǎng)電流產(chǎn)生影響造成波形畸變，從而會影響船上各種動力、控制、監(jiān)測、通訊等電氣設備的正常運行；其諧波變形會使電纜過熱、絕緣老化，加大電機電磁損耗、振動增大、絕緣老化，使繼電器保護及控制和報警系統(tǒng)等誤動作，因此在確定變頻系統(tǒng)的時候?qū)χC波干擾的考慮也就顯得尤為重要。而本船所有變頻調(diào)速設備都是采用變頻器直接連接到直流母排，將日用電源和變頻器有效分開，從而有效解決了諧波問題，保證變頻調(diào)速系統(tǒng)的環(huán)境適應性和電磁兼容性問題得到根本性的解決。

2.4 動力蓄電池的配置

本船另一技術亮點就是配置了508 kWh的蓄電池，通過直流-直流變換器連接到直流匯流母排上。一方面可以作為主發(fā)電機的備用電源，提高系統(tǒng)供電安全性，減少油耗；另一方面可以實現(xiàn)電站的削峰填谷功能，當電站短時負荷不足時可以采用蓄電池供電而不用啟動備用發(fā)電機，可以極大減少發(fā)電機運行時間及降低油耗。

2.5 電站功率管理系統(tǒng)

本船功率管理系統(tǒng)集成于SMARTChiefII的自動化系統(tǒng)中，功率管理系統(tǒng)監(jiān)測和控制電站通過對主發(fā)電機、軸帶發(fā)電機、動力蓄電池的控制來實現(xiàn)負荷的轉(zhuǎn)移及分配以滿足航行模式、進出港操縱模式、卸貨油模式這3種船舶主要運行模式。

功率管理系統(tǒng)可以實現(xiàn)對發(fā)電機的自動啟停，發(fā)電機之間實現(xiàn)自動同步并車、自動負荷轉(zhuǎn)移等電站管理功能以確保電站穩(wěn)定可靠運行，防止出現(xiàn)過載斷電。同時，功率管理系統(tǒng)和蓄電池能量管理系統(tǒng)有接口，功率管理系統(tǒng)同樣可以對蓄電池的充放電狀態(tài)、電量狀態(tài)、續(xù)航狀態(tài)、溫度狀態(tài)等進行監(jiān)控。

2.6 變頻電纜的選用和敷設

變頻系統(tǒng)運行時產(chǎn)生的變頻電流含有許多高次諧波，經(jīng)電纜傳輸會多次反射，其電壓幅值疊加可達到工作電壓數(shù)倍，所以變頻電纜要具有較強的耐電壓沖擊性，能經(jīng)受變頻時產(chǎn)生的脈沖電壓。同時變頻電纜導體會對外發(fā)射電磁波，變頻功率越大，電纜越長，在變頻電流流過時電纜向外發(fā)射的電磁波就越大，對船上其他設備所產(chǎn)生的電磁干擾也就越大。因此，選擇合適的變頻電纜，可以有效抑制電磁干擾，降低高次諧波影響，從而提高整個電氣設備運行環(huán)境的電磁兼容性。

由于艏側(cè)推和貨油泵等變頻電機的變頻器是通過直流配電板連接的，本身電磁諧波問題就已經(jīng)得到，從成本角度考慮，本船電纜只需采用3芯專用變頻電纜。另外要注意的是，變頻電纜的敷設要求也比較高。因電纜越長，諧波電壓幅值就越高，電磁干擾也就越大，所以生產(chǎn)設計時應盡量優(yōu)化設備布置和電纜路徑，減小變頻電纜敷設長度；變頻電纜應與控制電纜和信號電纜分別敷設在不同的電纜支撐件上；當變頻電纜與控制及信號電纜必須交叉敷設時，要盡量敷設成90°。

3 結論

(1)日用負載配電和變頻器有效分開，可以有效解決交流電網(wǎng)的諧波問題。

(2)直流母排可以減少變頻器的數(shù)量，簡化電力系統(tǒng)結構，同時便于機艙設備空間優(yōu)化布置。

(3)直流母排更便于動力電池、廢熱回收發(fā)電機等新能源技術的系統(tǒng)接入，提升了系統(tǒng)升級改造空間。

(4)軸發(fā)及變頻負載根據(jù)實時負荷運行在合理轉(zhuǎn)速范圍，可以減少燃油消耗，提高船舶運行效率。