基于变速发电的直流电站电力推进系统

潘修颖，蔡睿眸，龚 博，邹 宁



基于变速发电的直流电站电力推进系统

潘修颖1，蔡睿眸2，龚 博3，邹 宁1

(1．大连测控技术研究所，大连 116013；2．广船国际有限公司，广州 511462；3．武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064)

本文研究了一种基于变速发电的直流电站电力推进系统，分析了直流电站电力推进系统的拓扑结构，系统采用模块化的设计和集中式的布置，在此基础上对直流电站电力推进系统的技术优势进行了分析和比较，同时提出了系统的关键技术和进一步的研究内容。

变速发电 直流电站 电力推进系统

0 前言

迄今为止，综合电力推进系统工程应用经过了三个发展阶段：直流电力推进系统、交流电力推进系统[1]及直流电站电力推进系统[2,3]。直流电站电力推进系统是下一代电力推进系统的主要形式[4,5]，目前已在高端船舶广泛的推广应用。

本文重点分析了直流电站电力推进系统的组成以及优势，并且从系统和设备角度提出了直流电站电力推进系统的关键技术和进一步的研究内容。

1 系统组成

如图1所示，直流电站电力推进系统由主发电机组整流后给直流母线供电，所有的整流装置、变频驱动装置及逆变电源装置均集成到一个直流主配电板中，对外直接连接发电机、推进电机及日用变压器，系统较为简洁。由于全部设备共用直流母线，因此不需要配置庞大的整流变压器，也不需要配置较大的制动电阻。

虽然直流电站电力推进系统主干电网采用直流电制，系统中主发电机组仍然为交流发电机组，推进电机仍然为交流推进电机，日用负荷依然为常规的交流负载，因此对系统外部设备影响较小。

2 系统优势

由于相关新技术的应用，除具备交流电力推进系统的一般优点外，直流电站电力推进系统还具有其独特的技术优点，具体说明如下。

图1 直流电站电力推进系统单线图

1）变速发电，节能减排

由于系统采用直流电网，发电机组可实现变速运行。变速发电技术是直流电站电力推进系统核心技术之一。采用直流电网后，发电机整流后对电网供电，发电机组可以在较宽的转速范围内工作，因此可以采用变速发电方式，变速发电技术的优点是当发电机组负荷率较低时，降低发电机组转速可以有效的降低机组的单位燃油消耗率，从而实现节能减排。如图1-2所示，分别给出了发电机组定速运行和变速运行时机组的燃油消耗率，当机组的负荷率越低，节能效果越明显。

图2 发电机组定速运行与变速运行燃油消耗率

2）节省舱室空间，减小重量

直流电站电力推进系统通过高度集成化设计，节省了原来交流电力推进系统中的整流变压器，同时将主配电板及变频器等设备组合为一个整体，总体尺寸更为紧凑，有效的节省了舱容，减轻了重量，减少了设备数量，简化了舱室布置。

3）电站稳定性更好

采用直流电站电力推进系统后，动力系统的主发电机组仍然为交流发电机组，发电机组整流后给直流主电网供电，多台发电机组可并联运行。由于发电机组整流后在直流电网侧并联，只需要对电压进行控制，对机组频率的敏感程度下降，因此更容易实现机组的并联运行，机组并网快速性及运行稳定性更好，而且发电机组不会出现逆功状态。直流电网的母联断路器采用IGBT开关，关断速度更快，在系统保护上具有更大的优势，故障情况下电网的持续供电能力高于交流电力推进系统。

4）日用负荷电源品质更好

直流电站电力推进系统对日用负荷电制没有特殊要求，日用负荷原来由主发电机组供电，现在改为由逆变电源供电，逆变电源将直流电网逆变成三相交流后供电，供电电源品质更好，且不再受主发电机组谐波干扰。

5）有利于储能系统及新能源应用

系统可接入电池组等储能装置，构成混合动力系统，还可以接入光伏等新能源，进一步节能减排，并实现低功耗情况下的静音运行。

3 关键技术

直流电站电力推进系统主要关键技术如下：

3.1变速发电技术

直流电站电力推进系统发电机组采用变速发电技术。与定速发电不同的是，系统采用特殊设计的无刷同步发电机，该发电机具有宽频率和宽电压稳定工作的能力；采用可调速高转速柴油机，变速发电技术通过调速器及调压器的配合，根据机组的负荷率改变机组的转速，使机组工作在最佳燃油消耗率，从而达到降低油耗，减少排放的目的。

变速发电的关键技术主要包括以下几点：

1）功率分配

功率分配是实现转速调节，达到节能减排的前提条件，功率分配将根据负载的实际情况来协调各机组的功率。

2）转速调节

转速调节是根据机组的实际功率，通过查表和差值的方法，来得到该功率下的最佳油耗点对应的转速，通过控制调速器，使机组工作在最佳油耗点。

3）系统设计

变速发电中柴油机的转速是变化的，在不同转速下机组的最大功率也是变化的，因此系统的一些参数和指标要求与传统的交流发电系统会有所不同，需要重新进行设计。

3.2直流保护技术

系统采用同步发电机发电，发电机采用二极管整流后接入直流母线。直流保护系统由隔离开关、熔断器及电力电子断路器配合完成，直流母线之间的母联采用电力电子断路器。

电力电子断路器是一种新型断路器，利用全控型功率器件作为开关元件，结合高速检测电路实现直流故障的快速隔离。与直流机械式断路器相比，电力电子断路器分断速度快（约10～20 µs），其本质是一种故障限流器。

这种方案的优点是即使存在分布参数或熔断器一致性的影响，甚至于后期由于某些设备损坏改变了系统结构导致分布参数变化较大，由于母联电力电子断路器的保护动作特性是固定的，依然可以在任意单点短路时很好的保证全系统半舷正常工作，因此该方案的核心思想是无论出现何种单点故障，利用母联电力电子断路器快速分断至少确保全船半舷正常工作。

3.3日用负荷供电技术

由于直流电站电力推进系统的主干电网为直流电网，为了给船舶日用负载供电，必须通过逆变电源将直流电逆变成三相交流电源给日用负载供电，因此大容量逆变电源是直流电站电力推进系统必需的设备，逆变电源主电路一般采用三相IGBT逆变桥实现，由于IGBT器件耐受冲击电流能力不强，因此逆变电源的过载性能与发电机组相比具有差距，如果需要考虑到过载、短路、负载冲击等因素，按照负荷要求确定逆变电源的容量。逆变电源系统用于船舶时，主要考虑了以下特殊要求：

1）适应冲击性负载的要求

船舶日用负荷中具有大量的异步电动机等冲击性负载，无论空载重载，这些负载直接启动电流较大，如果设计时不考虑启动冲击电流的影响，会导致逆变电源过流保护或则电机无法启动。

2）适应不平衡负载的要求

逆变电源可以适应三相不平衡负载要求，适应船舶运行过程中电网的不平衡状态。

3）适应非线性负载要求

当逆变电源负载中负载含有大量6脉变频器装置时，会导致功率单元发热较大，输出波形发生畸变，因此需要对6脉变频器负载清单进行校核。

4）与后端负载的选择性保护协调要求

逆变电源相对于后端日用负载，其作用就是发电机组。当后端日用负载支路短路故障时，逆变电源切换电压/频率控制模式到短路限流控制模式，并能够提供最大的连续电流持续至少1s以上，保证后端日用负载支路断路器跳闸隔离故障，一旦故障隔离，逆变电源切回电压/频率控制模式，恢复正常供电。

5）与停泊发电机组并联运行，转移负载要求逆变电源采用先进的控制算法，可以与停泊发电机组长期并联稳定运行，还可以像普通发电机组之间那样任意转移负载。

6）逆变电源之间并联要求

逆变电源有两组，分别位于左、右舷，一用一备。逆变电源在控制特性上模拟了发电机的下垂特性，两组逆变电源既可以独立运行，也可以长期并联运行。

4 小结

直流电站电力推进系统作为近几年发展起来的综合电力推进系统形式，与传统的交流电力推进系统相比，在降低全系统尺寸、重量，提高系统综合能效，增强系统稳定性方面具有明显的优势，是未来电力推进系统发展的一种趋势。

[1] 张义农,汤建华. 美英未来舰船综合电力系统电制选择分析[J]. 舰船科学术, 2012,(04): 136-139.

[2] 王森,刘勇. 直流配电网及其在舰船区域配电的应用[J]. 船电技术, 2014, (11):77-80.

[3] 张鹏,石媛.基于直流电网的船舶电力系统仿真研究[J]. 船电技术, 2016,(09): 53-56.

[4] T. V. Vu, S. Paran, T. E. Mezyani and C. S. Edrington. Real-time distributed power optimization in the DC microgrids of shipboard power systems[C].2015 IEEE Electric Ship Technologies Symposium (ESTS), 2015: 118-122.

[5] Z. Jin, G. Sulligoi, R. Vasquez and J. M. Guerrero. Next-Generation Shipboard DC Power System: Introduction Smart Grid and dc Microgrid Technologies into Maritime Electrical Netowrks[J]. IEEE Electrification Magazine, 2016: 45-57.

Electric Propulsion System at DC Power Station Based on Variable Speed Generation

Pan Xiuying1, Cai Ruimou2, Gong Bo3, Zou Ning1

(1.Dalian Institute of Measurement and Control Technology, Dalian 116013, Liaoning, China; 2. Guangzhou Shipyard International Company Limited, Guangzhou 511462, China; 3. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM611

A

1003-4862（2018）05-0053-03

2018-03-15

潘修颖（1964-），男，工程师。研究方向：船舶驾驶，舱面技术指挥。