22 000 t化学品船混合电力系统方案设计

2022-10-10刘兴亮聂加俊

江苏船舶 2022年4期

刘兴亮，聂加俊

(芜湖造船厂有限公司,安徽芜湖 241000)

0 引言

目前，对于配置轴带发电机的船舶大都是采用传统的交流供电方式,轴发电源经由变频器提供恒压恒频接至交流主配电板给辅助设备和日用负载供电，而对于变频负载则是直接经由变频器接至交流配电板。在变频负载较多情况下，则增加了系统复杂性，变频谐波、短路容量等问题难以得到解决。

随着国际海事组织(IMO)对于船舶能效设计指数(EEDI)和船舶能效指数(EEXI)等的要求越来越高，轴发混合动力技术是目前能源系统优化技术的一个较为主流的技术应用。轴带发电机同时具有PTO/PTI功能，既可实现轴带发电模式功能，也可实现混合推进模式功能。但需要变频调速的负载一直沿用传统交流组网模式，由交流配电板供电。

在主要负载大多为变频调速负载的情况下，基于轴发混合动力技术，采用直流组网模式通过直流配电板连接到变频调速负载，可以省去传统交流组网模式下变频负载的AC-DC整流器模块并可以有效解决谐波问题，使整个系统结构更为简单，同时对于动力电池、废热回收发电机等新能源技术的系统接入具有更好的兼容性。

22 000 t化学品船货油系统配置14台货油泵及1台泄放泵，采用电动变频调速。

为提高燃油效率和减少排放，本文基于货油泵采用变频调速的驱动方案，通过电力系统从初步方案到最终方案的优化，提出了对于采用直流母排配电板的轴带混合动力技术的电力系统设计的要点和难点的解决思路，为后期同类型技术应用的船舶建造积累宝贵经验。

1 混合电力系统概况

1.1 电站配置

本船主电站包括2台AC 450 V 1 100 kW主发电机和1台AC 450 V 1 500 kW轴带发电机。轴带发电机具有PTO/PTI/PTH功能，直流配电板可接入508 kWh最大功率输出1 000 kW的动力蓄电池组，货油泵的变频器及艏侧推等负载的变频器直接连接到直流配电板上，采用直-交逆变器实现变频调速。

本船电力系统初步方案单线图见图1。

图1 电力系统初步方案单线图

1.2 轴带混合动力方案

本船电力系统采用了轴带混合动力的运行模式，以及采用直流配电板供电对货油泵和艏侧推等变频调速负载通过直-交逆变器实现变频调速控制。

轴带混合动力有以下3个运行模式：

(1)PTO模式，即轴带发电模式，利用主机冗余功率带动轴带电机发电。通过交-直整流器，轴带发电机供电给直流配电板，并经由直流配电板给货油泵及艏推供电，同时可通过两路直-交变频器供电到AC 450 V交流主配电板，以便给日用负载供电。在轴发供电模式下，轴带发电机可在70%～80%主机额定转速下输出1 500 kW功率，用以向直流配电板及交流主配电板供电。本船配有14台货油泵，采用了变频矩阵的方式可实现6台货油泵能同时满负荷运行。

(2)PTI模式，即混合推进模式，利用主发电机组拖动轴带电机，与主机共同驱动推进器。在此模式下，主发电机通过主配电板经由交-直整流器向直流配电板供电，然后通过直-交逆变器拖动轴带电机，此时轴带电机和主机共同作用驱动推进器。轴带电机最大输出功率为1 600 kW，加上主机最大输出功率5 400 kW，推进功率可达到7 000 kW，足以满足本船入级冰区所需推进功率要求。通过此模式，可以有效降低船上主机装机功率要求。

(3)PTH模式，即单独推进模式，在主机故障情况下，齿轮箱离合器脱开主机，利用主发电机提供的电力拖动轴带电机，从而单独驱动推进器。此模式下，交流主配电板和直流配电板都是由主发电机供电，主机和推进系统完全脱离开，轴带电机作为船舶推进的唯一动力，可以满足船级社冗余推进符号RP(1, 22%)的要求。

1.3 配电板

按图1所示，本船采用了馈线式供电方式，主配电板包括交流主配电板、直流母排配电板和应急配电板。交流主配电板电压为AC 450 V,主要负责给燃油泵、滑油泵、空压机、风机、艇吊等日用负载和辅助设备供电，同时还可以同直流配电板实现双向互为供电。直流母排配电板电压为DC 750 V，主要负责给货油泵及艏侧推等负载供电以及同交流主配电板双向互为供电，即交流主配电板和直流配电板之间可通过AC-DC模块实现双向相互供电。应急配电板电压为AC 450 V,主要为规范对应急电源有要求的负载如可逆机舱风机、应急消防泵、舵机、应急照明等应急供电。

交流主配电板除了给主要辅助设备供电外还可实现以下主要功能：

(1)2台主发电机的空气断路器的自动合闸、分闸及同步并车、自动负荷转移和自动负荷卸载。

(2)测量发电机的电压、电流、频率、功率因数以及测量汇流排电压、频率。

(3)发电机长延时、短延时、瞬时、逆功、欠压、差动保护。

(4)汇流排供电绝缘监测及报警。

(5)主发电机AVR自动电压调整。

(6)主发电机与轴带发电动机的并车、自动同步、自动负载转移及自动卸载。

(7)主配电板向应急配电板的正常供电。

直流母排配电板除了给货油泵和艏侧推等变频调速负载供电外还可实现如下功能：

(1)轴带发电机的合闸、分闸、自动同步、自动负载转移及自动卸载。

(2)对轴带发电机变频器、主网变频器、动力蓄电池及DC-DC变换器的控制和监测。

(3)测量轴带发电机电压、电流、频率、功率因数及自动电压调整。

(4)测量直流母排电压、电流。

(5)轴带发电机长延时、短延时、瞬时、逆功、欠压、差动保护。

(6)直流汇流排过压、欠压、过流、配电板绝缘监测报警等。

(7)电池充放电、电量、温度、续航状态等的控制监测(建立与电池管理系统的接口通讯)。

(8)AC400、～450 V、50 Hz或60 Hz岸电通过轴带发电机变频器接入直流母排配电板。

1.4 变频设备

本船主要变频调速负载为1台艏侧推和14台货油泵，以及机舱风机、冷却水泵、除气风机等变频调速负载。采用直流母排配电板经由直-交逆变器连接到变频调速负载实现对泵和风机的变频调速，其根本优点是可以减少各负载的交-直整流器，通过直流母排连接到交流电力系统和变频调速负载，日用电源和变频器有效分开，可以有效解决谐波问题。

所配置的主要变频器设备如下：

(1)轴发变频器；通过2组交-直整流器实现轴带发电机供电给直流母排配电板，然后通过2组直-交逆变器实现直流母排配电板与交流配电板的相互供电。采用双变频器(2组整流模块和2组逆变模块)可以有效提高系统冗余度和可靠性。

(2)货油泵变频器。本船共有14台货油泵，要求6台货油泵可同时运行。由于采用变频器矩阵来满足此功能要求，所以只需配置6台变频器直接连接到直流配电板。

(3)艏侧推变频器。艏侧推采用独立的直-交逆变器直接连接到直流配电板。

2 电力系统方案设计时的要点和难点

2.1 电压等级的选择

本船的最大负载货油泵和艏侧推采用了连接到直流配电板的电力变频驱动，同时考虑系数、需要系数、间歇性负载、短时负载、电网损失等诸多因素，经过初步电力负荷计算，在货油卸载工况下电力负荷为1 678 kW。

如采用690 V电压等级，则主配电板汇流排电流将达到约1 760 A；如采用440 V电压等级，则主配电板汇流排电流将达到约2 752 A。两者从设计角度考虑的因素主要有：铜汇流排的规格和数量的选用影响、短路电流及负荷电流对断路器的选用影响、不同电流对电机绝缘和耐热等级的制造和成本影响、电缆载流量对电缆规格和数量选用的影响。如采用690 V电压等级，尽管如上影响有一定优势，但是由于辅助设备一般都为AC440 V等级，这样需要配置690 V/440 V变压器及系统架构会增设690 V主配电板，而本船货油泵和艏侧推已采用了由直流配电板供电，故经过反复权衡最终选用了AC440 V的电压等级。

本船连接到直流配电板的变频负载容量并不是特别大，综合考虑电器部件及电缆的经济性，直流母排额定电压采用了DC750 V。

2.2 交流配电板和直流配电板之间的联系

电力系统设计时，在确定采用AC 450 V交流主配电板和DC 750 V直流母排配电板后，就需要考虑两者之间的电气连接方案。考虑到本船轴带电机具有PTO发电功能，此模式下轴发电机功率应为1 500 kW；PTH单独推进功能，此模式下轴发电机功率也应为1 500 kW；PTI混合推进功能，此模式下轴发电机功率应为1 600 kW。由此可以确定，交流主配电板和直流配电板之间的交-直整流器应该满足1 600 kW的功率要求。考虑到规范对电力系统冗余及供电的可靠性要求，选用2个900 kW的交-直整流模块。

2.3 变频系统的选用

本船变频器主要包括轴发变频器、主网变频器以及用于货油泵和艏侧推等负载的变频调速控制用的变频器。本船因采用了直流母排连接电力系统，日用电源由交流主配电板供电，而所有变频负载由直流母排配电板供电，即所有变频器都连接到直流母排上，从而实现日用电源和变频器有效分开，不需要过多考虑谐波问题。但是，传统的交流组网变频调速带来的谐波干扰却不容忽视。谐波会对整个船舶电网电流产生影响造成波形畸变，从而会影响船上各种动力、控制、监测、通讯等电气设备的正常运行；其谐波变形会使电缆过热、绝缘老化，加大电机电磁损耗、振动增大、绝缘老化，使继电器保护及控制和报警系统等误动作，因此在确定变频系统的时候对谐波干扰的考虑也就显得尤为重要。而本船所有变频调速设备都是采用变频器直接连接到直流母排，将日用电源和变频器有效分开，从而有效解决了谐波问题，保证变频调速系统的环境适应性和电磁兼容性问题得到根本性的解决。

2.4 动力蓄电池的配置

本船另一技术亮点就是配置了508 kWh的蓄电池，通过直流-直流变换器连接到直流汇流母排上。一方面可以作为主发电机的备用电源，提高系统供电安全性，减少油耗；另一方面可以实现电站的削峰填谷功能，当电站短时负荷不足时可以采用蓄电池供电而不用启动备用发电机，可以极大减少发电机运行时间及降低油耗。

2.5 电站功率管理系统

本船功率管理系统集成于SMARTChiefII的自动化系统中，功率管理系统监测和控制电站通过对主发电机、轴带发电机、动力蓄电池的控制来实现负荷的转移及分配以满足航行模式、进出港操纵模式、卸货油模式这3种船舶主要运行模式。

功率管理系统可以实现对发电机的自动启停，发电机之间实现自动同步并车、自动负荷转移等电站管理功能以确保电站稳定可靠运行，防止出现过载断电。同时，功率管理系统和蓄电池能量管理系统有接口，功率管理系统同样可以对蓄电池的充放电状态、电量状态、续航状态、温度状态等进行监控。

2.6 变频电缆的选用和敷设

变频系统运行时产生的变频电流含有许多高次谐波，经电缆传输会多次反射，其电压幅值叠加可达到工作电压数倍，所以变频电缆要具有较强的耐电压冲击性，能经受变频时产生的脉冲电压。同时变频电缆导体会对外发射电磁波，变频功率越大，电缆越长，在变频电流流过时电缆向外发射的电磁波就越大，对船上其他设备所产生的电磁干扰也就越大。因此，选择合适的变频电缆，可以有效抑制电磁干扰，降低高次谐波影响，从而提高整个电气设备运行环境的电磁兼容性。

由于艏侧推和货油泵等变频电机的变频器是通过直流配电板连接的，本身电磁谐波问题就已经得到，从成本角度考虑，本船电缆只需采用3芯专用变频电缆。另外要注意的是，变频电缆的敷设要求也比较高。因电缆越长，谐波电压幅值就越高，电磁干扰也就越大，所以生产设计时应尽量优化设备布置和电缆路径，减小变频电缆敷设长度；变频电缆应与控制电缆和信号电缆分别敷设在不同的电缆支撑件上；当变频电缆与控制及信号电缆必须交叉敷设时，要尽量敷设成90°。