海洋工程船舶综合电力推进系统的关键技术研究

郑福光

摘 要：近年来，随着社会经济以及现代科技的不断发展，以综合电力推进技术为技术指导的海洋工程船舶成为了现代社会船舶的主流趋势，实现了船舶动力综合发展系统的“革命性”变革，由此推进了中高压电力系统和区域直流配电系统在海洋工程船舶上的广泛应用。本文基于我国现有的IEC相关标准以及船舶发展规范，阐述了船舶综合电力推进特点与优势，分析了国内外发展状况，并对海洋工程船舶综合电力推进系统中的区域直流配电技术、中性点接地技术、谐波抑制、系统保护技术等关键技术进行详细探究，为后续综合电力推进系统的设计提供参考。

关键词：海洋工程；综合电力推进系统；技术研究

中图分类号：U664.14 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）29-0012-02

当前，随着我国综合电力推进技术的发展和进步，促进了大容量电力电子元件的快速发展，革新了传统船舶动力系统的关键技术，通过深入研究船舶综合电力推进技术发展思路，结合当前船舶工业的现状和市场发展需求，提出了船舶综合电力推进技术发展的新思路。综合电力推进技术是将船舶动力系统与辅机电站系统进行有机结合，实现能源的最大化利用，提高船舶操作的灵活性，体现了海洋工程船舶推进装置的动力定位功能。

1 船舶综合电力推进特点与优势

海洋工程的船舶动力系统由原动机与推进系统进行有机结构构造而成的，其中，原动机是动力系统的动力来源，推进系统是实现船舶高效运作的的高效机动。

当前，我国海洋工程的推进系统主要有机械式直接推进和电力推进两类，其中，电力推进又分为传统电力推进和综合电力推进两种推进技术。

综合电力推进系统普遍采用中高压交流电制，提升了系统的功率大幅度上升与响应速度，提高了电机转矩密度和发电机功率密度，广泛应用于高技术船舶运作。

1.1 综合电力推进的基本特点

综合电力推进系统的主要特点如下：

第一，综合电力推进系统的复杂程度较高，具有较强的集成性；

第二，综合电力推进系统是典型的高新技术产品；电压等级与功率密度较高、容量较大；

第三，综合电力推进系统具有优良的可操控性和隐身性，是水面舰艇动力系统的发展趋势。

1.2 综合电力推进的优势

与传统电力推进系统相比，综合电力推进具有如下优势：

其一，具有更好的综合性、经济性、科学性，降低了综合运行费用的同时，减少了污染排放量；

其二，具有更高的可靠性；

其三，具有更舒适的舱室环境，大幅度提高航行舒适度；

其四，具有更大的有效舱容以及更强的操纵性能。

2 国内外船舶综合电力推进技术发展状况

2.1 国外船舶综合电力推进技术发展状况

俄国科学家雅柯宾通过直流电机和蓄电池的相关试验，首次 提出了“电力推进 ”的概念，至今已有一百多年的历史，其发展历程可分为以下三个阶段：

第一阶段为1908—1945年的传统电力推进早期应用阶段，第一艘以直流电力推进作为主动力的消防船，开创了船舶电力推进技术应用的先河；

第二阶段为1945年—1980年的传统电力推进特殊应用阶段，受电工技术发展条件的制约，传统的低压直流电力力推进系统存在一定的不足，但在潜艇和特种工程船等仍然发挥重要作用；

第三阶段为1980年至今的综合电力推进快速发展阶段，随着我国电子技术的不断发展，船舶综合电力推进技术取得突破性进展。

2.2 我国船舶综合电力推进技术发展状况

二十世纪的数十年来，我国的船舶配套技术发展缓慢，几乎处于停滞状态。进入二十一世纪后，在市场需求的牵引下，我国逐渐关注于船舶行业对综合电力推进技术的发展，但尚不具备自主研发能力，推进系统大多是从国外引进，换言之，我国当下的电力推进系统还不完善。

3 海洋工程船舶推进电动机基本要求

推进电动机作为当下海洋工程船舶的重要推进动力，与传统电机相比，它不仅要考虑船舶的使用环境，同时还要考虑舱室内的布置等要求，换言之，船舶推进电动机的基本要求是高转矩密度、低振动噪声、高可靠性。

4 综合电力系统关键技术探析

4.1 中性点接地技术

当前，我国海洋工程船舶中对高压供电网络中性点接地处理方式的选择是一个较为综合的问题，通过系统分析可知，与传统低压电力系统相比，中高压电力系统首要需要考虑的就是绝缘问题。目前，在我国海洋工程船舶中，中高压电力系统电压等级较高，当发生单相接地故障时，电弧不仅不能自我熄灭，同时还进一步扩大了故障的影响力，产生重大的安全事故。因此，在进行船舶中高压电力系统设计时，设计人员要重点考虑电容电流问题。

当前，我国海洋工程船舶综合电力系统推进中，对中性点接地的处理方式主要包括：中性点不接地、经消弧线圈接地等，同时还应该考虑电流、成本、安装技术等方面的影响。

近年来，随着我国科技的不断发展，海洋工程船舶大多使用经高阻接地的接地方式，这种方式可以保障在发生接地故障时，所产生的电压和电流都是零序的，起到了保护装置和限制故障电流为目的。

总而言之，高电阻接地在设计上满足通过高阻接地装置的电流等于或稍大于系统的电容电流的设计原则，所以可以得知，在进行中性点接地技术，如何确定系统的电容电流是确定接地电阻的关键。

除此之外，同步发电机是海洋工程船舶电力系统最重要的设备之一，因此设计人员应该从发电机的安全性角度出发，确定高阻接地阻值。

4.2 系统保护技术

相对于传统的低压电力系统，海洋工程中的船舶中高压电力系统在系统保护方面做了较大的调整，除了常规的保护外，中高压电力系统还要考虑中性点接地方式、接地保障的监测与保护以及差动保护等保护技术。海洋工程船舶综合电力推进系统大多采用多电站并联的运行方式，与低压电力系统通过空气断路器本身保护不同，中高压电力系统是通过采用数字式综合继电保护装置和真空断路器来完成保护工作的，而我国海洋工程船舶电气综合推进系统保护技术又分为如下两类：

①纵联差动保护。

根据我国有关IEC标准和船级社规范，当发电机的容量超过一定数值后，在其内部应用大量的大容量发电机组和变压器，设置短路故障保护。

②零序保护。

对于海洋工程船舶中高压电力系统来说，除了某些特定的船舶外，大多的综合电力推进系统采用中性点接地处理方式，这样就可以确保在发生故障时，系统中会产生较大的零序电流和零序电压，从而保障相关设备。

4.3 谐波抑制技术

当前，我国的电力综合推进系统广泛地应用于海洋工程船舶上，但也由此带来大量的谐波问题，对电力系统的运行造成一定的危害，污染电网波，影响各种用电设备的正常工作。

因此，企业应该必须针对当下电力推进系统中的谐波问题通过采取有效的措施，进行及时的治理，避免电网因谐波问题而造成不无可挽回的严重后果。目前，针对谐波问题，国内外普遍采用THD指标来对电网中的电能质量进行客观系统地分析与评价，并对其进行了规范标准。

近年来，随着我国科技的不断进步，变频器抑制谐波的方法主要有补偿性和预防型两种。前者主要指的是在谐波处加滤波器，而滤波器又分为无源滤波和有源滤波器。后者主要指的是从电力系统的本身出发，经过相关数据试验，设计出不会产生谐波的交流器。

4.4 区域直流配电技术

在海洋工程船舶运作过程中，除了考虑推进器等变频驱动外，还应该考虑多方位的变频驱动设备，即通常包括变压器、逆变器、直流母线、逆变器、斩波电路和负载设备等。中压配电板的工作原理为：通过联络电缆向区域直流配电中心输送电能，则该区域中心不仅主要负责电能变换和分配，同时还反映了如海洋工程船舶起重和锚绞车等多台大功率集中设备的变频电机分布的情况，从而实现实现多台电机的馈电共享和循环利用，缓解当下我国资源短缺的现状以及传统变频控制装置的弊端，优化系统构架的同时，减少了点击作业时穿插电缆和变频设备的数量，降低了系统的滤波复杂程度，提高了系统的生命力等特点。

在船舶的起重、铺管等过程中，电动机状态的转变会产生大量的再生电能，三相交流电动势被三相全控桥整流，从而反馈到直流配电板上，促使区域直流配电板电压持续升高。在一定程度上虽然会促进直流交配技术的发展，但从长远来看，倘若直流配电板电压超过荷载范围，则会对区域直流配电系统和变频器产生危害。带来严重的安全隐患。

除此之外，当区域直流配电的放电电流约为电动机额定电流的一半时，为了确保变频器不受损坏，流过制动电阻的电流应该为额定电流，其电阻值应为制动电阻的最小值。

5 结 语

综上所述，本文主要基于我国现有的IEC相关标准以及船舶发展规范，阐述了船舶综合电力推进特点与优势，分析了国内外发展状况，并对海洋工程船舶综合电力推进系统中的区域直流配电技术、中性点接地技术、谐波抑制、系统保护技术等关键技术进行详细探究，为后续综合电力推进系统的设计提供参考。

参考文献：

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[2] 任修明，杨德望.舰船推进电机设计发展展望[J].船电技术，2002，5：15-52.

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