冒如權(quán)王 鋒吉雨冠

（1.海軍駐上海地區(qū)艦艇設(shè)計(jì)研究軍事代表室 上海 200011；2.榮信電力電子股份有限公司 鞍山 114051；3.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011）

新型發(fā)電機(jī)組負(fù)載測(cè)試兼碼頭供電雙向變頻電源

冒如權(quán)1王 鋒2吉雨冠3

（1.海軍駐上海地區(qū)艦艇設(shè)計(jì)研究軍事代表室 上海 200011；2.榮信電力電子股份有限公司 鞍山 114051；3.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011）

隨著艦船朝大型化、自動(dòng)化方向發(fā)展，艦船的發(fā)電機(jī)組數(shù)量和容量也急劇增大。為保證船舶的安全運(yùn)營(yíng)，船級(jí)社規(guī)范要求對(duì)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行負(fù)載試驗(yàn)和并聯(lián)運(yùn)行試驗(yàn)。新型發(fā)電機(jī)組負(fù)載測(cè)試兼碼頭供電雙向變頻電源不僅可用于船舶的發(fā)電機(jī)組負(fù)載測(cè)試試驗(yàn)，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)電能的回收利用，作為變頻電源向系泊試驗(yàn)船舶提供電能，減少對(duì)船廠(chǎng)周?chē)h(huán)境造成的污染，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

發(fā)電機(jī)負(fù)載測(cè)試；變頻電源；電能回收

引 言

艦船朝大型化、自動(dòng)化方向發(fā)展后，船舶的發(fā)電機(jī)組數(shù)量和容量也急劇增大。以現(xiàn)在最為火爆的18 000～21 000標(biāo)準(zhǔn)箱超大型集裝箱船為例，普遍配備4臺(tái)6.6 kV 約4 320 kW的發(fā)電機(jī)組，2015年 7月27日外高橋造船有限公司命名交付的“達(dá)飛·瓦斯科·達(dá)伽馬”號(hào)18 000標(biāo)準(zhǔn)箱集裝箱船配備了4 臺(tái)6.6 kV 4 320 kW發(fā)電機(jī)組。為了保證船舶的安全運(yùn)營(yíng)，船級(jí)社規(guī)范要求對(duì)船舶的每臺(tái)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行試驗(yàn)，其中中國(guó)船級(jí)社“產(chǎn)品檢驗(yàn)指南GD 03-2008第11篇電氣設(shè)備第5章發(fā)電機(jī)組”中就對(duì)發(fā)電機(jī)組的試驗(yàn)進(jìn)行了詳細(xì)描述，試驗(yàn)包括對(duì)每臺(tái)發(fā)電機(jī)組的負(fù)載、過(guò)載試驗(yàn)，以及2臺(tái)或多臺(tái)機(jī)組的并聯(lián)運(yùn)行試驗(yàn)等。以18 000標(biāo)準(zhǔn)箱集裝箱船為例，進(jìn)行負(fù)載試驗(yàn)產(chǎn)生的電能約131 000 kW·h，相當(dāng)于單臺(tái)發(fā)電機(jī)組以額定功率運(yùn)行約30 h。

1 概 述

經(jīng)過(guò)最近10多年的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)建造的船型已經(jīng)覆蓋散貨船、油輪、集裝箱船、海工輔助船、起重鋪管船、半潛船、挖泥船、自升式鉆井平臺(tái)、鉆井船、半潛式鉆井平臺(tái)、航母、兩棲攻擊艦、綜合登陸艦等，不同的船型所配備的發(fā)電機(jī)組的電壓、數(shù)量、容量也各不相同，表1統(tǒng)計(jì)了部分船型的發(fā)電機(jī)組配置情況。從表1可以看出，船舶發(fā)電機(jī)組的電壓類(lèi)型主要有400 V、450 V、690 V、6 600 V和11 000 V，單臺(tái)發(fā)電機(jī)組功率從560～8 000 kW不等。

表1 部分船型的發(fā)電機(jī)組配置

現(xiàn)在常用的發(fā)電機(jī)組負(fù)載測(cè)試裝置是干式負(fù)載柜，干式負(fù)載柜是將合金電阻、電感按檔分級(jí)投入，從而實(shí)現(xiàn)不同功率的組合。干式負(fù)載柜的額定電壓選定后不可隨意調(diào)整，只能通過(guò)Y型或△型接線(xiàn)方法實(shí)現(xiàn)改變，如Y型或△型接法的額定電壓分別為690 V和400 V。當(dāng)測(cè)試不同電壓的發(fā)電機(jī)組時(shí)，需要額外配備不同變比且容量比待測(cè)發(fā)電機(jī)組還要大的變壓器才能實(shí)現(xiàn)。如18 000標(biāo)準(zhǔn)箱超大型集裝箱船進(jìn)行負(fù)載測(cè)試時(shí)，選用了4臺(tái)450 V 6 000 kVA干式負(fù)載柜和8臺(tái)6.6/0.45 kV 3 150 kVA降壓變壓器才能完成對(duì)4臺(tái)4 320 kW發(fā)電機(jī)組的測(cè)試，如果測(cè)試11 kV時(shí)，還需要再次選擇其他變比的變壓器。

從船級(jí)社規(guī)范對(duì)發(fā)電機(jī)組的測(cè)試要求可知，船舶的發(fā)電機(jī)組數(shù)量越多、容量越大進(jìn)行負(fù)載測(cè)試的總時(shí)間越長(zhǎng)，產(chǎn)生的電能也就越多。無(wú)論是水負(fù)載還是干式負(fù)載柜都僅僅是把電能轉(zhuǎn)換成熱能而消耗掉，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)電能資源的有效回收和利用。

另外，中國(guó)船級(jí)社《產(chǎn)品檢驗(yàn)指南GD 03-2008》中，第11篇 電氣設(shè)備 第5.6.2.1.4負(fù)載設(shè)備一節(jié)指出：“d.在進(jìn)行機(jī)組負(fù)載試驗(yàn)時(shí)，允許采用電能反饋電網(wǎng)的形式”。鑒于以上原因，新型發(fā)電機(jī)組負(fù)載測(cè)試兼碼頭供電雙向變頻電源的研發(fā)是切實(shí)可行的。

2 技術(shù)方案

新型發(fā)電機(jī)組負(fù)載測(cè)試兼碼頭供電雙向變頻電源是利用大功率電力電子元器件IGBT可控的特點(diǎn)，其整流模塊和逆變模塊均采用IGBT，從而實(shí)現(xiàn)電流的雙向流動(dòng)。

本裝置配有2套變頻電源裝置，每套變頻裝置設(shè)計(jì)容量為10 MVA，可單獨(dú)工作也可以并聯(lián)運(yùn)行，變頻電源裝置具有四象限能量回饋功能，能夠?qū)l(fā)電機(jī)組發(fā)出的電能100%回饋至電網(wǎng)，也可以作為變頻電源使用。裝置主要由網(wǎng)側(cè)開(kāi)關(guān)柜、變頻裝置（移相變壓器和功率單元）、電抗器（用于船用發(fā)電機(jī)組負(fù)載試驗(yàn)）、濾波器（用于變頻電源時(shí)）和斷路器組成，當(dāng)進(jìn)行發(fā)電機(jī)組負(fù)載測(cè)試時(shí)，雙向變頻電源的一段與待測(cè)船舶的發(fā)電機(jī)組相連，另一端與船廠(chǎng)10kV電網(wǎng)相連，如下頁(yè)圖1所示。

當(dāng)作為變頻電源向船舶供電時(shí)，雙向變頻電源的一段與船廠(chǎng)10 kV電網(wǎng)相連，另一端與船舶6.6 kV中壓配電板母排相連，如下頁(yè)圖2所示。

圖1 用作發(fā)電機(jī)組負(fù)載測(cè)試裝置時(shí)連接方案

圖2 用作變頻電源向船舶供電時(shí)連接方案

2.1 網(wǎng)側(cè)開(kāi)關(guān)柜

網(wǎng)側(cè)開(kāi)關(guān)柜配置斷路器、隔離刀閘和接地刀閘，保證系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)正常分合閘操作及維護(hù)與檢修的安全；配置三相電壓和電流傳感器用于檢測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)電壓、電流參數(shù)、有功功率和無(wú)功功率等參數(shù)；配置綜合保護(hù)裝置，保證系統(tǒng)在出現(xiàn)故障時(shí)能夠迅速可靠地切斷進(jìn)線(xiàn)電源，保障設(shè)備和人身的安全。

2.2 變頻裝置

變頻裝置是本裝置的核心部分，我們選擇多電平H橋串聯(lián)的高-高電壓源型直接變頻方案。三相高壓輸入經(jīng)干式移相變壓器變換為多組三相低壓輸出為功率單元供電，每個(gè)功率單元都是一個(gè)三相輸入單相輸出的低壓變頻器，UVW三相功率單元的輸出分別串聯(lián)，構(gòu)成系統(tǒng)的三相高壓輸出。雙向變頻電源由變壓器、功率單元、控制部分組成，采用若干個(gè)低壓功率單元串聯(lián)疊加方式實(shí)現(xiàn)高壓輸出。

電網(wǎng)電壓經(jīng)過(guò)二次側(cè)多重化的隔離變壓器移相降壓后向功率單元供電，功率單元為三相輸入、單相輸出的交-直-交PWM 電源型逆變器結(jié)構(gòu)。將相鄰功率單元的輸出端串接起來(lái)，形成Y 聯(lián)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)變壓變頻的高壓直接輸出。各功率單元分別由輸入變壓器的一組二次繞組供電，功率單元之間及變壓器二次繞組間相互絕緣，主電路如圖3所示。

圖3 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

本裝置采用的6.6 kV變頻系統(tǒng)采用每相6個(gè)單元串聯(lián)方案，通過(guò)主電路圖，我們可以更加直觀(guān)地了解變壓器的副邊繞組與功率單元以及各功率單元之間的電路連接方式。具有相同標(biāo)號(hào)的6組副邊繞組，分別向同一功率柜（同一級(jí)）內(nèi)的三個(gè)功率單元供電，第一級(jí)內(nèi)每個(gè)功率單元的一個(gè)輸出端連接在一起形成星型連接點(diǎn)；另一個(gè)輸出端則與下一級(jí)功率單元的輸出端相連。依此方式，將同一相的所有功率單元串聯(lián)在一起，便形成一個(gè)星型連接的三相高壓電源。

功率器件采用IGBT模塊，系統(tǒng)采用目前應(yīng)用最成熟的PWM調(diào)節(jié)方式，系統(tǒng)具有極高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力和最低的IGBT開(kāi)關(guān)損耗。四象限功率單元為交直交變換結(jié)構(gòu)，三相可控整流、單相逆變，能量實(shí)現(xiàn)雙向流通，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

輸入端R、S、T接變壓器二次側(cè)繞組低壓輸出端，經(jīng)過(guò)三相全波整流橋后，形成直流電壓經(jīng)電容濾波后，供給由IGBT功率模塊組成的H橋逆變電路，通過(guò)接收光纖觸發(fā)信號(hào)，經(jīng)過(guò)PWM控制技術(shù)，控制A+、A-、B+、B-的導(dǎo)通和關(guān)斷，使其輸出單相脈寬調(diào)制波形。

整流變壓器是采用NOMEX絕緣材料制作，絕緣等級(jí)為H級(jí)的干式變壓器，采用多重化設(shè)計(jì)以達(dá)到降低輸入諧波的目的。對(duì)于高壓系統(tǒng)，變壓器原邊繞組直接連接電網(wǎng)的10 kV高壓輸入端，副邊有個(gè)二次繞組，采用延邊三角形聯(lián)結(jié)，共6個(gè)不同的相位組，互差一定的電角度，與6個(gè)變頻單元的橋式整流一起形成36脈波的整流電路結(jié)構(gòu)，消除35次以下的諧波，功率因數(shù)接近1。

2.3 濾波器

當(dāng)作為變頻電源使用時(shí)，為保證系統(tǒng)輸出高質(zhì)量的電能，在變頻裝置網(wǎng)側(cè)配置LC濾波器，通過(guò)該濾波器濾除輸出電壓中的諧波成分，輸出電壓THD達(dá)到小于4%。

2.4 開(kāi)關(guān)柜

本裝置共安裝5套高壓開(kāi)關(guān)柜（如圖2的QF1～5），開(kāi)關(guān)柜配置高壓斷路器、隔離刀閘和接地刀閘，保證正常輸出分合閘操作和設(shè)備維護(hù)檢修的安全。高壓開(kāi)關(guān)柜配置綜合繼電保護(hù)裝置，保證系統(tǒng)在輸出過(guò)、欠壓，輸出過(guò)流和輸出接地等故障時(shí)能夠迅速跳閘，保證設(shè)備和人身的安全。

圖4 四象限功率單元結(jié)構(gòu)

2.5 主要技術(shù)性能指標(biāo)

新型發(fā)電機(jī)組負(fù)載測(cè)試兼碼頭供電雙向變頻電源的主要性能參數(shù)如表2所示。單臺(tái)變頻裝置容量最大可達(dá)20 000 kVA甚至更高，待測(cè)發(fā)電機(jī)的最高電壓可以選擇6.6 kV或11 kV，作為變頻電源使用時(shí)的輸出電壓為4.16～6.6 kV或6.6～11 kV可選，頻率兼容50 Hz和60 Hz，可采用移動(dòng)集裝箱式，也可以固定式安裝。

表2 主要性能參數(shù)

2.6 電能質(zhì)量

因?yàn)樵撗b置既可向船廠(chǎng)電網(wǎng)反饋電能，也可作為變頻電源向船舶供電，所以需要分別分析兩種情況下的電能質(zhì)量。

根據(jù)已往使用經(jīng)驗(yàn)，只要船廠(chǎng)其他設(shè)備消耗的功率大于測(cè)試發(fā)電機(jī)時(shí)反饋的功率，此時(shí)電能并沒(méi)有反饋到國(guó)家電網(wǎng)中去，而是直接被其他負(fù)載使用掉了，這時(shí)船廠(chǎng)實(shí)際從電網(wǎng)使用的電能減少了，當(dāng)然，為了安全起見(jiàn)我們還是對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行分析。

2013年3月國(guó)家電網(wǎng)公司發(fā)布實(shí)施了《關(guān)于做好分布式電源并網(wǎng)服務(wù)工作的意見(jiàn)》，進(jìn)一步將示范擴(kuò)大到天然氣、生物質(zhì)能、風(fēng)能等新能源形式。這意味著，普遍用戶(hù)今后不但能用太陽(yáng)能、天然氣等新能源發(fā)電裝置為自家供電，還可以將用不完的電賣(mài)給電網(wǎng)，然而國(guó)家電網(wǎng)對(duì)柴油或燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組反饋電網(wǎng)的電能質(zhì)量沒(méi)有提出明確要求，為了穩(wěn)妥起見(jiàn)可以參考其對(duì)分布式光伏發(fā)電的電能質(zhì)量要求（如表3所示），可以看出雙向變頻電源向電網(wǎng)反饋供電時(shí)的電能質(zhì)量完全滿(mǎn)足國(guó)家電網(wǎng)的要求。

表3 國(guó)家電網(wǎng)對(duì)分布式光伏發(fā)電的電能質(zhì)量要求

當(dāng)雙向變頻電源向船舶供電時(shí)，電能質(zhì)量要求可以參考船級(jí)社規(guī)范，從表4可以看出雙向變頻電源的電能質(zhì)量完全滿(mǎn)足船級(jí)社規(guī)范要求。

表4 船級(jí)社要求和雙向變頻電源供電質(zhì)量對(duì)比

2.7 方案特點(diǎn)

（1）充分滿(mǎn)足大容量船舶電站的負(fù)載測(cè)試要求；

（2）可覆蓋多種電壓等級(jí)；

（3）可兼做變頻電源，為系泊試驗(yàn)船舶供電；

（4）操作智能化。

3 經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益分析

3.1 經(jīng)濟(jì)效益

造船行業(yè)是能耗大戶(hù)，每年的夏天用電高峰時(shí)，上海的各大船廠(chǎng)會(huì)放高溫假，達(dá)到平衡用電的目的。按照船級(jí)社規(guī)范進(jìn)行發(fā)電機(jī)組負(fù)載測(cè)試試驗(yàn)而產(chǎn)生的電能非?？捎^(guān)，下面以船級(jí)社規(guī)范為基礎(chǔ)，針對(duì)各種船型進(jìn)行分析。

從下頁(yè)表5可以看出，發(fā)電機(jī)組負(fù)載測(cè)試所產(chǎn)生的電能與發(fā)電機(jī)組的數(shù)量、功率成正比。發(fā)電機(jī)組的數(shù)量越多，由于需要把可能并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電組合全部進(jìn)行測(cè)試，發(fā)出的功率也會(huì)更多。20.8萬(wàn)t散貨船產(chǎn)生的電能約7 920 kW·h，18 000標(biāo)準(zhǔn)箱集裝箱船產(chǎn)生的電能約13.13萬(wàn) kW·h，3 000 m半潛式鉆井平臺(tái)達(dá)到驚人的146.65萬(wàn)kW·h。

表5 不同船型電站配置及測(cè)試時(shí)產(chǎn)生的電能

3.2 社會(huì)效益

2013年中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司發(fā)布的社會(huì)責(zé)任報(bào)告《強(qiáng)化節(jié)能減排，踐行綠色發(fā)展》指出：我們不斷加大節(jié)能減排投入力度，加強(qiáng)節(jié)能減排先進(jìn)技術(shù)和管理經(jīng)驗(yàn)的推廣應(yīng)用，持續(xù)強(qiáng)化計(jì)量、統(tǒng)計(jì)及監(jiān)測(cè)管理基礎(chǔ)，打理開(kāi)展修舊利廢和資源回收利用，節(jié)能減排管理水平穩(wěn)定提高。2013年，中船集團(tuán)公司累計(jì)消耗能源同比下降10.6%，工業(yè)企業(yè)萬(wàn)元產(chǎn)值和萬(wàn)元增加值能耗分別降低10.1%和25.3%，二氧化硫、氮氧化物累計(jì)排放分別降低8.9% 和6.5%。我們緊跟節(jié)能環(huán)保趨勢(shì)、積極開(kāi)發(fā)各類(lèi)型綠色環(huán)保船型，為客戶(hù)提供可靠的節(jié)能減排解決方案。同時(shí)我們還大力發(fā)展環(huán)保產(chǎn)業(yè)，陸用環(huán)保機(jī)械取得成效，采用先進(jìn)水封爐焚燒方式的焚燒處理系統(tǒng)獲得用戶(hù)認(rèn)可。

以18 000標(biāo)準(zhǔn)箱集裝箱船為例，如果采用雙向變頻電源方式進(jìn)行發(fā)電機(jī)組負(fù)載測(cè)試，能夠有效回收利用發(fā)電機(jī)測(cè)試產(chǎn)生的電能約13.13萬(wàn)kW·h，相當(dāng)于節(jié)約52.52 t標(biāo)準(zhǔn)煤，少排放了35.7 t粉塵、3.94 t二氧化硫、1.97 t氮氧化物。

以現(xiàn)在外高橋造船有限公司年交付30艘船為例，假設(shè)包括18艘20.8 t散貨船、4艘32 t VLCC、5艘20 000標(biāo)準(zhǔn)箱集裝箱船和3座自升式鉆井平臺(tái)，每年可以回收利用電能約145.7萬(wàn)kW·h，相當(dāng)于節(jié)約583 t標(biāo)準(zhǔn)煤，少排放396.3 t粉塵、43.7 t二氧化硫、21.8 t氮氧化物，對(duì)于3 000 m“海洋石油981”號(hào)半潛式鉆井平臺(tái)而言，一艘船就可以回收利用電能約146.6萬(wàn)kW·h。通過(guò)計(jì)算可以看出，此設(shè)備能達(dá)到較好的能源回收利用效果，具有較高的社會(huì)效益。

目前，我國(guó)的軍用艦船也正在朝大型化、自動(dòng)化方向發(fā)展，某些艦船也開(kāi)始采用電力推進(jìn)和動(dòng)力定位的技術(shù)，其發(fā)電機(jī)組也同樣可采用上述方案。

4 結(jié) 論

新型發(fā)電機(jī)組負(fù)載測(cè)試兼碼頭供電雙向變頻電源是利用已經(jīng)在風(fēng)電并網(wǎng)以及高壓岸電系統(tǒng)領(lǐng)域成熟的技術(shù)應(yīng)用和成功的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上研制的新裝置，該裝置既可用于船舶的發(fā)電機(jī)組負(fù)載測(cè)試，這已是船級(jí)社認(rèn)可的測(cè)試方式，又可以作為變頻電源向系泊試驗(yàn)的船舶提供岸電電源。

該裝置改變了目前普遍使用的干電阻消耗電能的方式，可以有效回收利用發(fā)電機(jī)組負(fù)載測(cè)試時(shí)產(chǎn)生的電能，從而達(dá)到節(jié)能減排的效果，還可以和國(guó)家正在大力推廣應(yīng)用的港口高壓岸電系統(tǒng)那樣作為變頻電源向系泊試驗(yàn)船舶提供電能，從而減少使用柴油發(fā)電機(jī)組對(duì)船廠(chǎng)周?chē)h(huán)境造成的污染，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

［1］ 王爽，蔣念平，沈龍才.負(fù)載器在鉆井船發(fā)電機(jī)調(diào)試中的應(yīng)用研究［J］.船舶與海洋工程，2015（2）：52-56.

［2］ 吳宏.岸電供電系統(tǒng)［J］.船舶，2011（3）：44-47.

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［5］ 徐筱云，劉維里.船舶高壓岸電系統(tǒng)及其使用［J］.航海技術(shù)，2012（2）：59-62.

Bidirectional variable frequency power supply of new type generator set for loading test and power supply on dock

MAO Ru-quan1WANG Feng2JI Yu-guan3
(1. Representative Offi ce of Naval Warship Design & Research, Shanghai 200011, China; 2. Rongxin Power Electric Co. Ltd., Anshan 114051, China; 3. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

The quality and capacity of generator sets on ships increase drastically when the ships are becoming larger and automatic. Loading test and parallel operation test are carried out to guarantee safe operation according to the requirements of the classifi cation society. The bidirectional variable frequency power supply of a new type generator set for loading test and power supply on dock can not only be applied for the loading test， but also for the electrical power recycling. It can provide power for the ships in the mooring trial with less pollution to the environment around the shipyard， resulting in the better economic and social benefi ts.

loading test of generator sets； variable frequency power supply； electrical power recycling

U665.1

A

1001-9855（2015）06-0080-06

2015-08-20；

2015-11-18

冒如權(quán)（1979-），工程師，研究方向：艦船電氣設(shè)計(jì)質(zhì)量監(jiān)督。王 鋒（1980-），博士，高級(jí)工程師，研究方向：電力變頻技術(shù)。吉雨冠（1959-），研究員，研究方向：艦船觀(guān)通。