冷藏集装箱船低压分区供电方案

2022-03-30王荣刘崇

船舶设计通讯 2022年2期

王荣，刘崇

（上海船舶研究设计院，上海 201203）

0 前言

船舶电站设计首先要确定电站配置，即发电机容量、数量以及电站的电制（低压AC 440V、AC 690V或者中压AC 6.6 kV）。对冷藏集装箱船而言，影响电站配置较大的因素主要包括冷箱数量、冷箱插座功率选取和货舱风机功率等。一般认为当电站总容量超过8 MW 时，常规的AC 440 V 低压两段式母线设计会使配电板母线处最大预期短路电流超过130 kA。因配电板母线短路容量、保护开关容量以及分断能力的限制，在AC 440 V 电制下低压电气保护设备分断能力无法满足对超过130 kA短路电流有效保护的要求［1］，所以通常首选考虑采用中压供电方式。文献［2］论述了冷藏集装箱船采用中压供电方式与采用两套独立低压供电方式的区别及低压供电方式的一些优点，并采用船级社使用的估算方法［3］粗略估算了低压供电时系统可能达到的短路电流值。但该估算方法采用的参数少，且模型简单，计算结果准确度较低，仅适用于早期的设计阶段。虽然文献［4］论述了低压供电的优势，但由于其计算结果准确度低，采用的两套独立低压电站设备同样繁琐，因此与中压供电方式相比较的优点并不完全具有说服力。在大容量电站的配电设计中，需要研究更为简单灵活的低压供电方案，并通过仿真计算方法，验证方案的可行性。

当电站容量超过8 MW 时，通常可以考虑采用以下几种供电方案：

1）方案1：采用两段式低压AC 440 V 供电，同时采用并联联络开关和母线，解决短路电流保护问题，但配电板的深度和宽度为非标准产品，在取得船检证书时也会有困难，且成本较高，一般配电厂家不推荐。

2）方案2：采用低压AC 440 V 分区供电系统。在母线间增加联络开关，采用三段母线分别对冷箱和其他负载分区域供电，同时母线联络开关之间和发电机开关之间采用联锁逻辑设置，保证了电力系统供电的连续性，提高了供电方式的灵活性，实现AC 440 V 低压电制覆盖10 MW 电站的可能。

3）方案3：选用AC 690 V 低压系统，同时需要增加AC 690 V/AC 440 V 的冷箱变压器和常规设备的变压器，还需要考虑变压器的布置空间、通风和电缆敷设等。但当电站容量超过10 MW 时，母线处最大预期短路电流有效值已超过低压电气保护装置的极限。

4）方案4：直接采用AC 6.6 kV 中压系统，电站容量超过10 MW 短路容量满足要求。但从船东管理、船厂成本以及设计方考虑设备的布置、电缆敷设等角度来看，该方案与低压电站配电比较，问题更复杂。

综合比较上述4 种方案，方案1、3、4 的成本高，需要的设备布置空间大，此外方案4 还要考虑中压电缆的敷设空间问题。方案2 与其他3 个方案比较，无论从成本还是设计灵活性都更具有竞争力。

采用低压AC 440 V 分区供电方案，需要实现以下功能：

1）在发电机无故障情况下，冷箱由固定的发电机组通过第三段母线供电，其他设备通过常规的两段母线由另外的发电机供电，并备用1 台发电机。

2）当其中1 台为冷箱供电的发电机故障后，常规供电母线的联络开关与发电机开关的分断连锁，将故障发电机退出后起动备用发电机，剩余发电机容量须满足继续向全部冷箱和全船设备供电。

3）当其中1 台为其他设备供电的发电机出现故障后，剩余发电机容量须满足继续向全部冷箱和全船设备供电。

论证方案2 应用的可行性，为大容量电站冷藏集装箱船的配电系统设计提供更为灵活的选择。

1 冷箱船低压分区供电方案

1.1 分区供电方案单线图搭建

以5 000 TEU 集装箱船为依托船型，该船可装800 个冷箱（舱内和甲板上各400 个），没有冷箱入级符号的要求。冷箱功率和冷箱深冻/生鲜比率参考DNV 规范Pt.6 Ch.4 Section 8 6.1.4 Figure 1 冷箱功率曲线表中单个冷箱功率5.5 kW 来估算电站容量［5］。

根据冷藏集装箱船的特点，为计算方便把负载分成4 部分：冷箱、货舱风机、侧推和主辅机负载、日常设备（以下简称为HOTEL）。冷箱总功率5.5×800=4 400 kW，货舱风机总功率约300 kW，侧推功率2 000 kW （30 min 连续工作制），常规航行工况HOTEL 设备总功率约1 000 kW。共配置4 台额定功率2 450 kW 发电机，电站总容量9.8 MW。若采用常规低压AC 440 V，两段母线4 台发电机供电，根据LR 短路电流估算法得到配电板母线对称短路电流约160 kA，已远超过配电设备的安全值。采用低压分区供电方案单线图如图1 所示，低压AC 440 V分区供电方案通过BL1、BL2 两个联络开关将母线分为3 段，分别对应1、2、3 MSB 3 个供电区。采用常规AC 440 V 两段母线供电方案单线图如图2 所示，通过1 个BL 联络开关将母线分为两段。

图1 低压AC 440 V 分区供电方案单线图

图2 常规AC 440 V 两段母线供电方案单线图

1.2 各工况发电机使用说明

因航行及进出港工况下所使用的发电机和负载数量最多，发生故障时会产生最大短路电流和潮流分布，供电方案依据这两种工况下的电站负荷进行设计，保证低压分区供电方案可以实现系统保护。负荷率估算如表1 所示。

表1 发电机负荷率估算表

1）航行工况（带冷箱负载）：母线1 号联络开关（以下简称BL1）接通，2 号联络开关（以下简称BL2）断开，由3 号和4 号发电机同时向冷箱负载供电，1号或2 号发电机向HOTEL 负载和货舱风机供电，剩余1 台发电机作为备用机，发电机均能正常工作。当3 号或4 号发电机中1 台故障时，BL1 和BL2同时接通，全船3 台发电机向冷箱、货舱风机和HOTEL 负载供电。因此在航行工况下，可以满足任1发电机故障时，冷箱及规范要求的重要设备供电有效。

2）进出港工况（带冷箱负载）：BL1 接通，BL2 断开，由3 号和4 号发电机同时向冷箱供电，1 号和2号发电机同时向其他必要负载供电，此时发电机均能正常工作。当任一发电机故障时，BL1 和BL2 同时接通，3 台发电机向部分冷箱（约600 个）和其他必要负载供电，满足规范要求的重要设备、侧推及部分冷箱有效供电。通过在2 个冷箱负载屏之间增加控制来交替供电，弥补因发电机出现故障时冷箱供电不足的问题。

2 短路电流计算与潮流计算分析

分区供电方案利用联络开关间的分断控制可以大幅减小母线短路电流，通过短路电流计算并配合开关的选型进一步量化该方案对短路电流的影响。计算采用ETAP 软件，依据IEC 61363 短路电流计算方法［6］分别对三段母线分区供电和常规两段母线供电的全船最大短路电流仿真计算。同时通过牛顿迭代法进行系统潮流计算，计算各工况下通过各段母线BL1、BL2 的额定运行电流，用以校核母线BL 的接通能力。 ETAP 模型对发电机等设备的所需计算参数采用软件推荐的计算估值如表2 所示。

表2 短路电流与潮流计算需求参数表

2.1 航行工况（带冷箱负载）

1）航行工况1（带冷箱负载，发电机正常工作，无故障，侧推不工作）的计算模型如图3 所示，母线处短路电流计算结果（0.5T 时刻）如表3 所示，其中1、2、3 MSB 为三段母线分区。

表3 航行工况1 系统各分段母线短路电流单位：kA

图3 航行工况1 系统短路电流与潮流计算模型

潮流计算得到流经母线处联络开关BL1、BL2的电流如表4 所示：BL1 为第一段母线和第二段母线间分段点，BL2 为第二段和第三段母线间分段点，P 为分段点处功率，i 为分段点处流经电流。

表4 航行工况1 系统BL 处潮流

2）航行工况2（带冷箱负载，3 号或4 号发电机故障，全船剩余3 台发电机向所有负载供电）的计算模型（3 号发电机故障为例）如图4 所示，母线处短路电流计算结果（0.5T 时刻）如表5 所示，此时分区供电的两个母线联络开关（BL1，BL2）均接通，因此与常规两段母线供电结果相同。母线分区联络开关潮流计算结果如表6 所示。

图4 航行工况2 短路电流与潮流计算模型

表5 航行工况2 系统各分段母线短路电流单位：kA

表6 航行工况2 系统BL 处潮流

2.2 进出港工况（带冷箱负载）

1）进出港工况1（发电机正常工作，无故障，侧推负载正常工作）的计算模型如图5 所示，母线处短路电流计算结果（0.5T 时刻）如表7 所示，母线分区联络开关潮流计算结果如表8 所示。

表8 进出港工况1 系统BL 处潮流

图5 进出港工况1 系统短路电流与潮流计算模型

表7 进出港工况1 各分段母线短路电流单位：kA

2）进出港工况2（3 号或4 号发电机故障，全部剩余发电机向600 个冷箱、侧推和所有重要负载供电）的计算模型（3 号发电机故障为例）如图6 所示。母线处短路电流计算结果（0.5T 时刻）如表9 所示，此时分区供电的两个母线联络开关（BL1，BL2）均接通，因此与常规两段母线供电结果相同。母线分区联络开关潮流计算结果如表10 所示。

表9 进出港工况2 系统各分段母线短路电流单位：kA

表10 进出港工况2 系统BL 处潮流

图6 进出港工况2 系统短路电流与潮流计算模型

3）进出港工况3（1 号或2 号发电机故障，剩余3 台发电机向冷箱（约600 个）和其他负载供电）的短路电流与潮流计算模型（2 号发电机故障为例）如图7 所示。母线处短路电流计算结果（0.5T 时刻）如表11 所示。母线分区联络开关潮流计算结果如表12 所示。

表12 进出港工况3 系统BL 处潮流

图7 进出港工况3 系统短路电流与潮流计算模型

表11 进出港工况3 系统各分段母线短路电流单位：kA

2.3 方案拓展

三段母线分区供电，短路电流最大工况为：进出港工况任意1 台发电机故障，剩余3 台发电机向部分冷箱（600 个）和其他负载供电。潮流计算最大工况为：航行工况1 台发电机故障，剩余3 台发电机供全部冷箱（800 个）和其他负载。根据配电厂家的资料，短路电流小于设备保护的最大分断能力。母线联络开关处的计算通过电流也小于设备的额定通过能力。

常规两段母线供电，4 台发电机正常运行，进出港工况的短路电流达到了135 kA（见表7），超过了设备保护的最大分断能力，难以选择开关。且正常航行工况时，常规两段母线供电短路电流也较三段分区供电方式大（见表3）。分析其主要原因是采用三段母线分区供电方式，减少了同时并网工作的电源数量，当发生短路故障时，向电网馈送短路电流的电源短路容量较常规两段母线供电时小。

依据上述结果分析，当电站容量大于9.8 MW时，在母线短路电流允许的范围内低压分区供电方案的应用还有拓展空间。以航行工况为基础，保持正常发电机功率不变，将单台冷箱负载用发电机扩容至3 200 kW，电站总容量约11.3 MW，冷箱数量增加至1 000 个，采用低压分区供电方案。

系统短路电流与潮流计算模型如图8 所示。母线处短路电流计算结果（0.5T 时刻）如表13 所示，母线最大短路电流出现在航行工况，当1 台发电机故障，由剩余3 台发电机向全船和1 000 个冷箱供电。