电力推进船舶直流网配电系统设计

林天柱 张鸿辉 郑明 杨刚 陈国栋

摘要：电力推进船舶直流网配电系统的设计需要从发动机与整流器、直流配电装置、逆变器、推动电动机等系统拓扑及核心部件方面进行研究，从电站管理、邏辑的确定及实现、解决多机组并网时功率交互振荡的问题进行分析，并衡量船舶直流网配电系统的优劣，才能更好地进行设计工作，本文就浅谈电力推进船舶直流网配电系统设计。

关键词：电力推进船舶;直流并网;配电系统

引言

近年来，随着电力电子技术、变频电机制造技术、交流电机变频调速技术和计算机控制技术的日渐成熟，船舶电力推进系统以其所具备的经济性、机动性、操纵性、安全性、环保低排放等优势，使其装船率逐年上升，已经成为当前船舶动力发展的主流方向。目前，船舶电力推进系统已趋近成熟并商业化。在电力推进船舶的发展进程中，交流组网电力系统以功能块技术成熟、开发快捷等优势，成为当前电力推进船舶的主流方案。然而，交流组网电力系统也存在控制复杂、谐波干扰等问题，长期困扰着电力推进船舶的发展。随着可控整流及斩波逆变技术的进步，加上能源价格的上升，船舶直流组网电力系统的发展引起了人们的关注。

1直流区域配电系统应用中的优势

现阶段，我国大部分船舶采用电缆配电形式，这样可以对船舶进行整体集中式设计，实现集中配电的需要，但这种方式会出现较多的穿孔，对船舶的密封性不利。同时需要较多的重复一种工作，在对工作造成不利影响的同时，也对船舶的抗压性不利，采用直流区域配电系统可显著改善上述情况，在操作方面更加便捷，只需传送电力系统的母线自船体的耐压隔壁当中穿过即可，这样可节省较大空间，保证船舶设计质量。对于不同的泵体和排风机而言，直流区域配电系统可以结合实际情况自动控制速率，保证船舶处于高效率的工作状态，但在较大型的船舶启动过程中，直流电可能会受到一定的影响，此情况下需要保证母线长时间处于稳定状态下，以实现电力之间的交换，使得电力系统在运行过程中更加高效。直流配电系统发电频率较高，可在船舶运行中提供最大的功率，同时在电力运行中实现最大尺寸的最优状态，使得整体的运行效率获得最优化管理，从节省能源的角度分析，此种方式下能源的消耗最低且最为有效，能源可得到最大限度的发挥，确保电力系统的整体运行质量。

2电力推进船舶直流网配电系统设计

2.1执行保护系统

执行系统处于整体系统的最末端，需要在数据分析结束后识别系统指令，并以最快的速度将指令传达到需要的系统中，使得系统可以以最快的速度完成指令，进行必要的故障处理，节省故障解决时间，降低故障发生概率。在进行执行指令操作时，对于继电器、限流设备需要进行重新设计，将各个位置重新定值，维持系统的统一。如需要也可对整体网络进行重构，在重构结束后可通过新网络进行重启。例如：电力系统中的发动机系统出现故障，感应器可将故障信息传输出去，分析系统对数据进行分析，而后专家系统调取实时数据库对数据进行分析，并通过设置方式经过执行系统对故障进行分析，找出问题的处理方法。在电力系统中，各个位置都具备传感器，特别是关键位置，一旦出现问题可及时将问题传输到数据处理中心，结合不同位置的感应对故障进行分析，之后输入到实时数据库汇总，将信息汇总后进行扫描，故障分析完成后，经过专家保护系统获得指令信息，最后进行执行。

2.2逻辑的确定及实现

由于直流组网的配电系统在船舶电力系统中，和其他的故障表现形式以及诊断维修的方法有着明显的不同，因此在逻辑的确定上也存在着很大的不同，最后在网络实现的方式上也有着很大的不一样。比如说在直流电网运行的过程中，由于带载运行的问题，直流组网的分段和其他的电力系统网络有着很大的差别，另外，接地和过流等方式也不尽相同。事实上，国外和国内的设计上，也有着很大的不同，在国外一般是采取综合性的设备或者是一起对系统进行协调性的工作配合和保护，使船舶推进系统能够满足规范需求。而在国内的设计上创造性的使用了超级电容储能单元作为直流网络的一部分，用来平抑负载的动态波动，进一步提升了整船的节能效果，不仅使用户获得很好的经济效应，也极大地提升了国内电力推进系统技术的整体能力。

2.3解决多机组并网时功率交互振荡的问题

多机组并网运行时，我们期望的理想运行情况是电网电压、电流稳定，各发电机输出功率与其容量成正比且稳定运行。然而，不管是直流并网还是交流并网，发电机的功率和负载分配经常会随着负载的突变产生周期性振荡的现象，总的负载功率不变的情况下，一台主机承担的负载功率减小，另一台势必会增大，这种交互振荡严重的情况下会引起发电机的过载保护或解列。要解决这一问题，需要多台发电机运行在相近的负载特性曲线上，同时，各发电机励磁调节装置需要按照功率分配指令调节其励磁电流，并实时监测发电机输出电流反馈，形成闭环控制以实现多台发电机组按比例平均分配负载的目的。

2.4电站管理控制策略

船舶电站是以计算机控制为基础的电能控制和管理系统。它主要功能为：原动机转速调节，发电机的励磁调控，多机组多负载的功率分配，发电机组的启停、并网、解列、保护等，监测电站的工作状态和故障报警等。这都是船舶电站控制系统要研究的问题。以上控制功能可采用船舶电站多功能控制器（PPU）结合工业可编程控制器（PLC）为硬件基础实现其控制策略。结语（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。

参考文献：

[1] 田明.中国船舶燃油供应低硫化之路[J].国际石油经济.2018（12）：51-57.

[2] 罗仕超.基于直流区域配电的船舶综合电力系统分析及智能保护方式研究[J].中国水运（下半月），2015，15（11）：181-182.

（作者单位：广州文冲船舶修造有限公司）