新型直流配电推进船舶的配电系统设计

孙 林

(上海瀚顺船舶设计有限公司，上海 200135)

0 引言

目前，航运业正向节能减排、绿色航运的方向转型。全球范围的硫排放限制区和中国近海及内河航道的硫排放限制要求，都对目前使用燃烧传统化石能源的柴油机进行推进的船舶提出了挑战。对此，营运船舶都在采用燃烧低硫燃油、安装脱硫装置或使用生物燃料LNG的方式进行应对[1]。而国际海事组织(IMO)海上环境保护委员会于2019年5月17日在伦敦召开了会议，结合之前在全球范围内设置的硫排放限制区，会议不仅讨论了将制定更加严格的硫排放规则，同时提出了到2050年在2008年基础上减少温室气体排放50%的长期目标。因此，要切实降低温室气体排放，势必要降低柴油机的运行时间。而现阶段，对安装锂电池、超级电容等储能元件，或者燃料电池等新能源的混合推进船舶的研究，无疑是一重要的发展方向。本文提出了一种适用于频繁在内河航道低速航行的成品油船的直流配电电力推进系统，电源为异步变速发电机和锂动力电池，对双绕组低速永磁同步电机供电驱动螺旋桨。该配电系统可以有效降低温室气体排放，且能接驳岸电用于船舶卸货，实现港口停泊时的零排放。

1 混合推进模式

以储能元件锂动力电池为例，适用于电池-柴油机混合推进的模式一般有两种：(1) 推进柴油机和电池驱动的推进电机共同驱动螺旋桨；(2) 柴油发电机和电池共同对推进电机供电驱动螺旋桨。两种推进方式见图1。

图1 混合推进模式

第1种模式令推进电机在PTO/PTI模式下切换实现减排[2]：推进功率富余时，电机在PTO模式下作为发电机供电。由于推进柴油机工作在高负荷率区域，油耗较低，通过减少柴油发电机的使用频率来降低排放；进入排放限制较高的区域时，电机在PTI模式下作为推进电机由锂电池供电驱动螺旋桨，通过减少推进柴油机的使用降低排放。这种模式涉及推进电机和推进柴油机之间的机械配合，复杂且存在较多损耗。

第2种模式简化了柴油机的数量，船舶变成纯电力推动，各动力能源之间仅有电气连接，简化了系统。锂动力电池作为储能单元可以随时介入船舶电网，无疑是更可靠有效的推进模式。

因此，本文设计的配电系统基于第2种柴油发电机和动力电池结合的混合推进模式。

2 推进电机选型

对于需要在国际范围内进行成品油货品的运输，同时又频繁在内河各成品油码头进行货物接驳的化学品成品油船，其航速特性一般为：在外海航行时一般排放限制要求较低，航速较高，为12～13 kn，推进电机负荷率较高；而在近海内河航行时一般排放限制要求较高，航速较低，为8～9 kn，推进电机负荷率较低。表1为某6 500 载重吨化学品船的航速预估报告，以此为依据，结合此类船舶的航速特点，进行推进电机的选型。

表1 某6 500载重吨化学品船航速预估报告

首先，出于节能的考虑，在推进电机的选择上须选择效率更高的电机。相较于传统的交流同步电机(ASM)，永磁同步电机(PMSM)有更高的效率。电机效率比较见图2。从图中看出，在高负荷率的状态下约有2%的差距。由于船舶所用的推进电机功率较大，以表1中13 kn航速下的功率1 535 kW为例，则ASM和PMSM的功率损耗会有30.7 kW的差距。考虑供电线路和器件的损耗，反应在发电机和电池侧，此差距会更大。同时PMSM有着更小的体积利于船内布置，因此本文选择更高效节能的PMSM作为推进电机。

图2 电机效率比较

同时，加大电机的极对数，降低电机的额定转速。使用例如32极的电机，可以使电机的额定转速降至112 r/min，适用于低转速的螺旋桨，从而在轴系中省去齿轮箱的损耗，进一步提升效率。

通过对表1的分析可知，当船舶低速航行(航速8～9 kn)时螺旋桨收到功率为高速航行(航速12～13 kn)时的50%甚至更小。以航速9 kn为例，推进电机负荷率仅为航速13 kn满负荷时的31%。通过图2中电机负荷率与电机效率的关系曲线，可知对PMSM而言，低负荷率时电机效率也会随之降低。因此，为了保持电机的高效运行，选择图3的双绕组PMSM。高速航行时启用2套绕组在100%额定功率运行；低速时启用1套绕组，以50%额定功率运行，提升电机的负荷率从而提升电机效率，进一步减少电能损耗。

图3 串联式双绕组电机结构

因此，本文选用双绕组低速永磁同步电机作为此类型船舶的推进电机，适合其使用工况，同时满足节能的相关要求。

3 配电母线选型

对于使用传统交流配电母线的纯电力推进船舶，作为主电源的柴油发电机一般为交流同步发电机，并车运行对交流配电母线供电，而推进电机经变频器由母线供电驱动。作为直流电源的锂动力电池需经逆变器和变压器与母线连接供电，其配电结构见图4(a)。这种配电方式存在着低负荷率时柴油发电机效率、低油耗高，电池与柴油发电机并车复杂等缺陷。

采用图4(b)所示的直流配电母线结构，将变频器单元的AC/DC整流模块和DC/AC逆变模块进行拆分，所有的整流和逆变模块都共用直流母线，避免了交流配电系统中存在的各变频器单元在母排上产生的谐波污染。同时，并联运行的发电机组都经过整流器整流接至直流母排，因此无需考虑并联运行需电压频率一致的问题，可以选用交流异步变速发电机组。

交流异步变速发电机组的特点是：当与交流同步发电机工作在同一功率点时，异步变速发电机可以工作在其他燃油消耗率更低的转速下，不必像同步发电机一样恒速运行，从而达到节能的效果。另外，储能元件如电池的标准输出一般为直流电，使用直流母排，更利于储能元件接入配电系统，节省了器件。因此，本文选用直流配电母线，以异步变速发电机为主电源的配电系统服务于此类型船舶。

4 配电系统

结合分析和选型，设计的新型直流配电推进船舶的配电系统见图5。

主推进电机的2个绕组分别由2台逆变器供电：一台逆变器可在船舶靠泊码头时兼用于驱动艏侧推电机；另一台逆变器驱动主推进电机的1组绕组，实现船舶的机动操纵。

船舶上AC380 V/2.21 kW/50 Hz的工作及生活用电由母排经逆变器、滤波单元和变压器供给，保证交流母排上的谐波量不超过规定值。用于船舶卸货的货油泵电机经相应的逆变器由直流母排供电。

由岸电接驳至船上的岸电可经由其中1台发电机的整流器对直流母排供电。电能可以用于锂动力电池组的充电、船舶在港时的工作及生活用电，以及卸货时货油泵电机的运行，从而实现了船舶在港时的零排放。同时，由于整流器的存在，当船舶靠泊国外港口时，岸电规格为AC440 V/2.21 kW/50 Hz时，也不影响使用，具有更广泛的适用性。

5 节能减排

6 500 载重吨化学品船，依据图5的系统结构设计了配电系统。主电源为2台异步变速柴油发电机组，规格为AC690 V/1 020 kW；辅助电源约为1 000 kWh的锂动力电池组。船舶螺旋桨由1台双绕组低速永磁同步电机驱动，规格为AC690 V/29.9 Hz/112(r·min-1)/(1 000 kW×2)。配电母线为1 000 V的直流配电母线，与相应容量的整流和逆变器件均安装在直流配电板内。

设置船舶的运行工况为在内河以9 kn航行，船舶所需功率约700 kW，船舶航行10 h，则航程所需总电量约为7 000 kWh。在此工况下优先使用1 000 kWh的锂动力电池单独供电驱动船舶，则柴油机的运行时间降低了1.4 h。

6 结论

(1)减少了柴油机的温室气体排放。灵活的直流配电网络和作为储能元件的锂动力电池的介入供电，降低了柴油发电机的在网功率和时间，切实降低了排放。

(2)损耗的降低。选用PMSM电机提升了电机效率；低速电机减少了轴系损耗；双绕组提升了低负荷工况下的电机效率。因而从推进的角度整体提升了供电效率，降低了损耗。

(3)有着优良的扩展性。目前新型的储能元件如锂电池和超级电容等，以及新能源如燃料电池等，其输出的电制大都为直流电，直流母排对新能源的支持，为未来船舶电站进一步提升新能源比重，降低传统能源比重设置了良好的升级能力。