船用直流组网技术比较

徐　硕，乌云翔（.大连测控技术研究所，辽宁　大连 603；.山西汾西重工有限责任公司，山西　太原 03007）

船用直流组网技术比较

徐硕1，乌云翔2
（1.大连测控技术研究所，辽宁大连 116013；2.山西汾西重工有限责任公司，山西太原 030027）

全电力推进系统相对于传统推进系统具有明显优势，是目前船舶推进技术的研究热点之一。全电力推进技术正在经历由交流组网技术向直流组网技术过渡的过程。在比较直流组网技术相对于交流组网技术的优势后，详细介绍目前几种流行的已经得到实船验证的直流组网技术路线，并对其异同点进行比较。分析结果表明，直流组网技术明显优于交流组网技术，不同的直流组网技术路线本身也会对系统的性能产生巨大的影响，特别是异步发电机+全控整流器的方案相对于其他的直流组网技术路线具有明显的优势。

全电力推进；交流组网技术；直流组网技术

0　引 言

传统的船舶推进采用的是柴油机通过齿轮箱驱动螺旋桨的方法，这种方法有轴系布置困难、驱动性能较差、人工操作要求高和噪声较大等缺点［1］。近年来，随着电力电子技术和自动控制技术的发展，全电力推进系统成为了可能，也逐渐得到广大海洋工程领域的学者和科技工作者的重视［6］。

全电力推进系统也称综合电力推进系统，是采用电动机带动船舶螺旋桨旋转，以发电机、变频器和电动机为核心的推进系统。全电力推进就组网方式有 2个发展阶段：第1阶段采用交流组网技术，这是因为相比于直流发电机，交流发电机没有碳刷和滑环，可靠性更高。但是交流组网技术并车相对复杂，整个电网中具有无功功率流动，并且整体占体积仍然较大；从 2010年开始，整个行业逐渐从交流组网技术逐渐过渡到了第2个阶段，即更为先进的直流组网技术。直流组网技术仍然采用成熟可靠的交流发电机组，但是采用电力电子设备将发电机组通过整流组成一个直流船用电网。

目前采用直流组网技术的包括欧洲的创新技术公司及电气制造商，其直流组网技术既有共通性，也有区别。本文将就这些技术上的特点进行详细探讨。

1　交流组网技术和直流组网技术比较

1.1交流组网技术

以 1个 4 发电机组系统为例，采用传统的交流组网技术的单线图参见图1。

图1　传统的交流组网技术Fig.1　System based on AC grid

可以看到，交流组网技术和普通的陆用组网系统一致，区别仅在于交流电源的输入不是固定的电网，而是由若干柴油机组通过配电板组成的弱电网。由于各个发电机的频率必须一致，所以船用电站的频率和幅值是固定的。

在不同的发电机组互相之间需要一个并网开关，配电板在保证交流电压频率、相位和幅值都相等的前提下，才能闭合开关，实现机组的并网（增机）。

为实现对于推进器的调速功能，通过一个交-直-交变频器（交-直部分称为整流器，恒定的交流电压变换成直流电；直-交部分称为逆变器，将直流电再变换成交流电），将恒定的船用电站频率转化成可调的频率，驱动推进器。为实现电气上的隔离，需要在变频器的输入侧增加一个变压器。

从交流配电板上分出变压器给 220 V 船用用电设备提供电源。

1.2直流组网技术

以 4 发电机组系统为例，典型的直流组网系统的单线图参见图2。

图2　创新的直流组网技术Fig.2　System based on DC grid

直流组网系统具有以下特点：

1）尽管整个系统的组网方式是直流电网，但发电机组仍然是交流发电机组，分别通过整流器将交流电压变换成直流电压，组建一个直流电站。驱动系统也仍然是传统的逆变器，即将直流电压转换成可变频率的交流电压驱动交流电动机。这样充分利用了交流电机的高可靠性。从另一种角度来说，图1中的交-直-交变频器的交-直整流器转移到发电机侧，经过整流后将直流母线作为公共连接点，以取代原有的交流发电机侧的交流母线公共连接点。

2）直流电网的连接不存在频率和相位的匹配，因此不需要传统的配电板进行相关的控制，所以可以去除发电机组之间的交流并网开关，甚至整个交流配电板。

3）所有的发电机组通过整流模块和直流电网相连接，因此理论上每 1 组发电机组可以工作在不同的转速下，这样显著增加了系统的灵活性。

4）直流电网不能直接通过变压器给船用 220 V 负载提供电源，而是需要一个逆变器将直流母线转换成交流电源，然后连接变压器给负载供电。由于逆变器采用正弦波滤波器，输出电压的波形质量比传统交流发电机所产生的电源更为清洁，引入的谐波污染更小。

交流组网系统还具有以下显著优势：

1）直流组网系统中的柴油发电机组可以根据不同的负载条件调整转速，以保证系统工作在最优的能耗曲线上，这样可以提升整体系统的效率，降低能耗和排放。相对于传统的交流系统组网技术，一般认为整体效率可提升 20％ 左右［2-3，10］。

2）降低了柴油发电机组的维护成本，延长了柴油发电机组的寿命［3］。

3）由于省去了配电板和部分变压器，整个系统的体积和重量都会大大降低，相对于传统的交流系统组网技术，一般认为可节省 30％ 左右［9］。

4）直流母排和各种储能设备（例如电池组和超级电容等）具有天生的兼容性。如果采用储能设备，可以更好地实现特殊工况下的低噪音操作。实现进一步的节能［9-10］。

就适应的船舶类型而言，直流组网技术适合对设备体积、占地面积和重量敏感的船舶，以及工况负载多变的船舶。具体地说，更适合带有动态定位（DP）要求的船舶、平台供应船等各种海工辅助船、各种工程船、科考船和邮轮等，更能体现直流组网技术的节能和节省体积重量的优势。

相对于交流组网技术而言，直流组网技术的难点之一在于直流断路器的选择。交流断路器的设计相对比较简单，通常利用电流电过 0 时进行分断，通常的分断时间是几十毫秒。直流断路器的价格相对较为昂贵，如何选择合适的直流开关方案是直流组网技术的难点之一。

正是由于直流组网技术相对于交流组网技术的巨大优势，直流组网技术一经问世，就得到了相关领域工作者和学者的强烈兴趣，目前呈迅猛发展的态势，在低压（690 V 及以下）特种船舶领域有全面取代交流组网技术的趋势［2］。

2　直流组网技术方案介绍

目前几家直流组网系统集成商都分别推出了自己的直流组网技术。尽管在原理上和图2所描述的系统类似，在细节和具体技术路线上各厂商的产品又有所不同，这些不同会导致性能上的差异。

2.1Onboard DC Grid 技术

Onboard DC Grid 技术以 1个 4 发电机组系统为例，典型的单线图布置参见图3。

图3　Onboard DC Grid 直流组网方案Fig.3　A company's solution：Onboard DC Grid

该直流组网方案主要有以下特点［5］：

1）母排的配置采用分布式方案。该方案，直流母排的长度非常长，几乎贯穿整个船体，分别连接各个整流器和逆变器。整流器和发电机就近连接，逆变器和电动机就近连接。较长的直流母排给设备的接入增加了灵活性，但给空间布置提出了一定的挑战，同时如何保证直流母排的高可靠性是该方案的主要难点之一。

2）发电机采用同步发电机，整流器采用基于晶闸管结构组成。电动机采用异步或者永磁电动机，逆变器采用基于 IGBT的全桥逆变电路组成。

3）直流开关采用熔断器和特制的可关断电力电子器件组成，需要特殊研制。

该技术应用于 3 艘船舶，最为著名的案例是 2013年被成功用于 Dina Star号平台供应船上，由于直流组网技术带来的节能特性，Dina Star 获得了2013年节能奖。

2.2BLUEDRIVE PlusC 技术

BLUEDRIVE PlusC 技术以 1个 4 发电机组系统为例，典型的单线图布置参见图4。该直流组网方案主要有以下特点［3］：

图4　BLUEDRIVE PlusC 直流组网方案Fig.4　B company's solution：BLUEDRIVE PlusC

1）母排的配置采用集中式方案。该方案，直流母排采用集中布置，包含了母排、直流开关、逆变器和船用负载逆变单元。这种布置也常被称为直流配电板。这个直流配电板还集成了所有推进控制系统和功率管理系统等控制单元。

2）发电机采用同步发电机，整流器采用基于晶闸管结构，但是和 Onboard DC grid的技术方案不同的是，整流器被整合到发电机中，这种布置实现了更高的集成度，但发电机因此需要定制，降低了通用性。

3）和 Onboard DC grid 方案类似，BLUEDRIVE PlusC的方案中直流开关采用熔断器和特制的可关断电力电子器件组成，也需要特殊研制。

大约有 10 艘船舶采用了BLUEDRIVE PlusC 技术，最大的发电机容量是 4 × 1 890 kW。

2.3E-PP 技术

E-PP 技术以 1个 4 发电机组系统为例，典型的单线图布置参见图5。

图5　C 公司的直流组网方案 E-PPFig.5　C company's solution：E-PP

该技术方案主要有以下特点［4］：

1）和 BLUEDRIVE PlusC 类似，母排的配置采用集中式的方案，但 BLUEDRIVE PlusC 集成度更高。在这个方案中，直流配电板包含了母排、直流开关、整流器、逆变器和船用负载逆变单元。直流配电板不仅集成了所有推进控制系统和功率管理系统等控制单元，还集成了远程故障监控系统。

2）发电机采用交流异步发电机，整流器采用基于IGBT的全控整流模块。

3）和其他技术路线不同的是，E-PP 技术方案中直流开关采用直流断路器进行保护，因此不需要进行定制。

目前采用 E-PP 技术的船舶已经达到了50 艘，处于业内领先水平。其中业界最为关注的是“白珍珠”号豪华游艇，该游艇使用了一系列新技术，被认为是目前世界最为昂贵的游艇［11］。

2.4三种直流组网技术路线的详细比较

与同步发电机+晶闸管方案进行比较可以发现，E-PP 技术最大的特点在于采用异步发电机+全控整流的方案。这 2 种技术路线的差异将导致某些系统特性的差异。现在将这些差异比较如下：

1）故障选择性。E-PP 技术方案中，如果任一变频模块发生故障，直流母线与变频器之间的熔断器切断变频器，整个系统中其他功率电路将继续保护运行。由于采用了短路电流较小的异步发电机，直流母线的故障和变频器的切断不会将故障进一步扩大。在其他2 种技术方案中，由于整流器采用晶闸管结构，即便停止发送脉冲，由于励磁模块无法快速切断，同步发电机具有较大的短路电流，任一变频模块导致的直流母线短路将导致同步发电机上的能量短时间内倒灌进入直流母线，可能导致高速电子开关动作，使一半的系统掉电。

2）冷启动时间。由于 E-PP 技术路线采用了全控 IGBT整流器件，直流母线与发电机的并车通过全控的IGBT整流模块完成，其启动并车不需要与其他发电机同步或者同压，其冷启动总时间约为 30 s 左右。而其他两种技术路线采用半空性的晶闸管整流，不同发电机间的直流母线电压及功率分配由发电机组的励磁系统以及调速系统完成，冷启动时仍然有发电机之间的同步要求，一般认为会比 E-MS 系统慢 10～15 s 左右。

3）发电机组增减机。由于 E-PP 技术路线采用了全控型的IGBT 整流器，当需要增机时，可以将整流器工作在逆变器模式下实现异步发电机的电动运行，仅需 8～10 s 就可以完成启动，并且可以在任何转速下实现平滑并车。Ouboard Dc Grid和 BLUEDRIVE PlusC技术方案皆采用同步发电机，不具备自启动能力，必须通过传统的柴油机组的启动装置启动发电机组，这样的启动时间较长，而且，并车前同步电机并入电网前必须要同步电压以及频率，导致整体增机时间比 EPP 技术慢 25～30 s 左右，而且增加了调试难度，引起电网电压的波动，容易导致故障。可以看到，E-PP 技术方案降低了启动装置的维护要求，可以支持更高频次的增机减机，不仅可以更灵活地降低排放和减少油耗，在 DP 工况下可以提供更强大的动态响应和作业能力。

4）发电机组调速性能。由于 E-PP 技术路线采用了全控型的IGBT 整流器，所以调速范围很大，而且各个放电机组的转速完全独立，可以根据其各自的最优的燃油消耗进行控制。相对而言，由于同步电机励磁系统的限制，前2 种技术路线的发电机组调速范围较窄，并联运行的同步电机必须同时同步的调整转速。

表1　交流组网技术和各种直流组网技术路线比较Tab.1 Performance comparison of different solutions

4　结 语

本文经过对各种技术路线的详细介绍，阐述了直流组网系统相对于交流组网系统的技术优势，包括高效率、低燃油、取消了配电板和变压器可以节省体积和重量以及对直流储能设备的高兼容性。

在各种直流组网技术的比较中，E-PP 技术路线采用异步机配合可控整流的技术，带来了一些额外的优势，包括故障选择性、冷启动时间和更为便利的发电机增减机能力。

总而言之，直流组网技术将越来越流行，在包括海工船、平台供应船和游轮等低压特种船舶领域会逐渐取代交流组网技术。

［1］韩秋平，曾凡其.船舶电力推进系统的应用［J］.交通科技，2008，（7）.

［2］HANSEN J F，LINDTJORN J O，MYKLEBUST T A，et al.Trends in technology-onboard DC grid［R］.ABB review，2012，2：29-33.

［3］New diesel electric propulsion system BLUEDRIVE PlusCTM［R］.Siemens，www.siemens.no/marine

［4］HANS R.New solutions for electrical ship propulsion：Startstop function combined with variable generator speed［R］.Maritime reporter and engineering news，2014，10.

［5］The step forward Onboard DC Grid ［EB/OL］.ABB，www.abb.com.no

［6］2014中国船级社年报［R］.北京：中国船级社，24.

［7］NILSEN R，SORFONN L.Hybrid power generation systems［c］ 13th European Conference on Power Electronics and Applications，2009.

［8］ZAHEDI B，NORUM L E.Efficiency analysis of shipboard dc power systems［c］ 39th Annual Conference of the IEEE，2013，689-694.

［9］KANELLOS F D，TSEKOURAS G J，PROUSALIDIS J.Onboard DC grid employing smart grid technology：challenges，state of the art and future［J］ IET Proceedings，2015 （5），1-11.

［10］童正军.民用船舶直流电网发展现状分析［J］.船舶工程，2014，（36）：104-119.

［11］http://travel.cnnb.com.cn/system/2008/08/29/005754979.shtml.

Comparison of different solutions of onboard DC grid

XU Shuo1，WU Yu-xiang2
（1.Dalian Scientific Test and Control Technology Institute，Dalian 116013，China；2.Shanxi Fenxi Heavy Industry Co.Ltd.，Taiyuan 030027，China）

The concept of all-electric ships shows significant advantages over conventional vessels driven by diesel engines.All-electric propulsion can be further divided into two categories，i.e.AC distribution and DC distribution.Due to the benefits from the onboard DC distribution，there appears the trend that onboard DC architecture will be more and more popular.Three different solutions of DC distribution that have been installed and tested in vessels are presented in detail.Emphasis is placed on the discussion of advantages and disadvantages among these three solutions.

all-electric propulsion；onboard AC distribution；onboard DC distribution

U665

A

1672-7619（2016）07-0060- 04

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.07.013

2016-03-10；

2016-04-13

徐硕（1986-），女，工程师，从事船舶推进技术研究。