李鴻瑞，熊良勝，邵詩逸

(1. 中國船舶科學研究中心上海分部，上海 200011；2. 泰和海洋科技集團有限公司，上海 200000；3. 北京賽思億電氣科技有限公司，北京 100097)

直流電力推進系統(tǒng)在小水線面雙體科考船上的應用

李鴻瑞1，熊良勝2，邵詩逸3

(1. 中國船舶科學研究中心上海分部，上海 200011；2. 泰和海洋科技集團有限公司，上海 200000；3. 北京賽思億電氣科技有限公司，北京 100097)

直流電力推進系統(tǒng)作為一項新興的電力推進技術，是目前的研究熱點之一。新興的直流電力推進系統(tǒng)具有哪些優(yōu)點，在新船設計中如何根據(jù)船舶的具體用途、成本、經(jīng)濟性、空間等因素選擇合適的電力推進系統(tǒng)都是目前值得研究的問題。為此，對直流與交流電力推進系統(tǒng)進行比較，并從實際應用的角度出發(fā)，以正在設計的小水線面雙體型科考船為例，對該船直流電力推進系統(tǒng)方案進行介紹，對實際設計應用中發(fā)現(xiàn)的優(yōu)點及需要注意的問題進行分析。結(jié)果表明，對于低壓特種船舶，直流電推系統(tǒng)相比交流電推系統(tǒng)在空間、油耗等方面具有明顯優(yōu)勢。隨著該技術的發(fā)展，直流電力推進系統(tǒng)將在低壓特種船舶領域得到廣泛應用。

直流電網(wǎng)；電力推進系統(tǒng)；小水線面雙體船；科考船

0 引 言

由于科考船實際工作的需要，科考船對低振動、低噪聲、靈活的操縱性等特性要求較高。另外，由于其艙室空間也較為有限，尤其是小水線面雙體船設備布置受艙室空間影響很大，因此對設備布置的靈活性也有較高的要求[1–2]?，F(xiàn)今科考船的動力系統(tǒng)以電力推進系統(tǒng)為主，電力推進系統(tǒng)以其低噪聲、設備布置靈活、自動化程度高、經(jīng)濟性好、操縱性好、可靠性高等特點成為國內(nèi)外新造科考船的首選形式[3–6]。傳統(tǒng)的民船電力推進系統(tǒng)主要為交流電網(wǎng)與電壓源型交-直-交變頻器配合為推進系統(tǒng)供電并實現(xiàn)相應控制，變頻器一般包括12脈沖、虛擬24脈沖、24脈沖和AFE等[7–9]。但交流系統(tǒng)也存在著設備多、所需空間大、控制復雜、電纜要求多等問題，隨著電子技術的發(fā)展，可控整流及斬波逆變技術的進步，節(jié)能減排等要求的提高，直流電力推進系統(tǒng)又重新引起關注[10]，成為一種可供選擇的電力系統(tǒng)型式。作為一項新興的電力推進技術及可供選擇的船舶動力系統(tǒng)配置方案，掌握該系統(tǒng)的優(yōu)勢、熟悉該系統(tǒng)在制定配置方案時應當注意的問題成為合理選擇船舶動力系統(tǒng)的必要條件。

1 直流與交流電力推進系統(tǒng)對比

傳統(tǒng)的交流電力推進系統(tǒng)由電站及其管理系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、變頻單元、控制管理系統(tǒng)、推進電機及推進器組成[5]。交流發(fā)電機組作為電站供電至交流主推進配電板，主配電板輸出交流電至變壓器及變頻器，交流電在變頻器內(nèi)經(jīng)過交-直-交的轉(zhuǎn)變實現(xiàn)變頻，并通過控制管理系統(tǒng)對變頻器的控制輸出相應頻率的交流電至交流電動機以使電動機運行在合適的轉(zhuǎn)速，交流電動機帶動推進器（如螺旋槳）轉(zhuǎn)動實現(xiàn)船舶推進功能，為船舶航行提供動力。

本文所述的直流電力推進系統(tǒng)方案與20世紀早期的直流發(fā)電機直接為全船供電方案不同，發(fā)電設備和負載設備仍采用交流模式。與交流電力推進系統(tǒng)的傳統(tǒng)方案相比，該方案采用直流電力推進系統(tǒng)方式，將交流變頻器中的交-直-交變化拆分，由交流發(fā)電機供電，直接通過整流單元將交流電整流為直流電后供至直流母排進行配電，直流母排通過逆變器輸出交流電至船舶各用電負載，通過此種方式將交流系統(tǒng)中配電系統(tǒng)、變頻單元、控制管理系統(tǒng)合并，將所有設備的組網(wǎng)側(cè)從原有的發(fā)電機交流側(cè)轉(zhuǎn)移到直流側(cè)，其方案演變示意圖如圖1所示[11]。

直流電力推進系統(tǒng)在設備成本上與配置AFE變頻器的交流變頻系統(tǒng)基本相同。所以，在成本相同的前提下，直流電力推進系統(tǒng)方案相比起傳統(tǒng)交流電力推進系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：

1）油耗明細降低

由于采用變速柴油機方案，油耗在工況多變，需長時間在較低負荷工作的船舶相比傳統(tǒng)交流電力推進系統(tǒng)方案有明顯降低[12]，此油耗方面的優(yōu)勢已在EMS，ABB和Siemens公司大量實船應用中充分證明。對于E-MS的首艘應用直流電力推進系統(tǒng)的船舶MV Viking Legend（內(nèi)河游輪、135 m長、189名乘客+50名船員、推進功率2×1 000 kW），其船東Viking公司在接受采訪得出以下結(jié)論：相比起同等路線的可比船舶，節(jié)油率達到20%。ABB宣稱其直流電力推進系統(tǒng)最高能夠節(jié)油27%，動力定位條件下節(jié)油14%。

此外，針對傳統(tǒng)機械傳動普通電力推進及直流電力推進3種推進系統(tǒng)的效率進行對比，如表1所示。

表 1 動力系統(tǒng)相關設備的效率（額定工況下）Tab. 1 Efficiency of related equipment of marine power system (rated condition)

根據(jù)表1可得出以下結(jié)論：

① 直流電力推進從效率上優(yōu)于普通電力推進，主要原因在于省去了變壓器及配電盤，其額定工況下的損耗約為3%左右；

② 機械傳動的額定效率要略優(yōu)于電力推進傳動，主要是由于省去了發(fā)電機、電動機、變頻器等一系列設備，柴油機的效率是整個動力系統(tǒng)效率的決定性因素，當工況較多時，機械傳動由于其自身配置限制，柴油機可能出現(xiàn)長時間偏離設計工況，反而實際油耗會更高。

2）大幅節(jié)約了設備的占地面積、體積和重量

直流與交流電推系統(tǒng)具體設備集成程度的對比如圖2所示，由于直流電力推進系統(tǒng)相比交流系統(tǒng)降低了設備數(shù)量，并且提高了設備的集成度，設備占地面積及設備重量均有顯著降低。這方面的優(yōu)勢在科考船、海工船以及其他特種船舶中變得尤為重要。

小水線面科考船在設計之初對交直流電力推進系統(tǒng)進行了對比分析，表2為交直流2種電力推進系統(tǒng)設備占地面積及重量的對比數(shù)據(jù)，經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)設備占地面積降低約47%，設備重量降低約50%。

3）電纜用量及相關工程量降低

由于降低了設備的數(shù)量，因此明顯降低了系統(tǒng)的復雜度，減少了設備間的接口、連接電纜的數(shù)量（相比交流電力推進系統(tǒng)下降15%左右），同時降低了相關的施工成本及施工難度。

4）天然消除了整船范圍的諧波及諧振風險

表 2 小水線面科考船交直流2種電力推進系統(tǒng)設備重量及占地面積的對比Tab. 2 Equipment weight and floor space comparison between AC and DC electric propulsion system

由于方案組網(wǎng)采用直流連接，因此在設備的諧波特性不會互相影響，也不會影響整船電網(wǎng)，因此系統(tǒng)在諧波、諧振方面的技術風險和施工風險都比傳統(tǒng)方案明顯降低。

5）和蓄電池等儲能設備具備更好的兼容性

由于科考任務的復雜性，越來越多的科考船舶會在設計時探索靜音工況下關閉柴油發(fā)電機組，采用儲能設備短期保持船舶運行的可能。儲能設備一般是以直流的型式完成對于能量的存儲，因此直流電推系統(tǒng)相比于交流電推系統(tǒng)，需要更少的額外設備進行連接，具備更好的兼容性。以應用較為廣泛的蓄電池儲能為例，交流和直流的連接設備的原理如圖3所示。交流系統(tǒng)需要變壓器、正弦波濾波器和三相逆變器等設備，而直流電力推進系統(tǒng)僅需要一個直流斬波器即可實現(xiàn)和蓄電池的連接。

2 本船直流電力推進系統(tǒng)方案

本船是一艘鋼質(zhì)全焊接結(jié)構(gòu)、變頻調(diào)速電力推進、雙推進電機、雙軸系、雙槳綜合科學調(diào)查作業(yè)船。采用小水線面雙體船型，具有雙層連續(xù)甲板，左潛體首部設置側(cè)推裝置。本船航區(qū)為無限航區(qū)。本船主尺度如表3所示。

目前基于小水線面雙體科考船的直流電力推進系統(tǒng)已經(jīng)獲得了中國船級社（CCS）的原則性認可，并且將成為國內(nèi)首條采用直流電力推進系統(tǒng)的船舶。下面將結(jié)合本船的實際情況以及直流電力推進系統(tǒng)的設計進行分析和討論。

表 3 小水線面雙體型科考船主尺度Tab. 3 The principal dimensions of SWATH scientific research vessel

2.1 電力系統(tǒng)基本配置

考慮到停泊、全速運行、經(jīng)濟運行和科考定位調(diào)查等不同的工況，主柴油發(fā)電機組采用“兩大兩小”4臺的配置結(jié)合不同的工況，由PMS決定發(fā)電機組的起動組合和轉(zhuǎn)速控制。在并車控制上，傳統(tǒng)的交流電力推進系統(tǒng)中發(fā)電機需同時滿足電壓相位相同、頻率相同和幅值相同等條件后方可進行并車操作，并車后交流電力推進系統(tǒng)主要依靠發(fā)電機組柴油機之間調(diào)速器特性的匹配實現(xiàn)合理的負荷分配，在選擇發(fā)電機組時需盡量選擇功率相同的發(fā)電機組，若選擇的2臺發(fā)電機組功率不同，需注意大發(fā)電機組功率不得大于小發(fā)電機組功率的2.5～3倍，否則在負荷突變時需注意交流電力推進系統(tǒng)小機是否會出現(xiàn)因超載而跳閘的現(xiàn)象。由于直流電力推進系統(tǒng)系統(tǒng)取消了發(fā)電機之間直接并網(wǎng)的要求，而是通過變頻器的控制實現(xiàn)并網(wǎng)，因此即便2組功率相差較大的發(fā)電機組，也可以實并網(wǎng)運行和負載分配。本船最終結(jié)合實際情況，選擇了2臺1 100 kW的發(fā)電機組和2臺400 kW的發(fā)電機組。

本船的2個軸系分別采用1 000 kW的永磁電動機進行驅(qū)動。永磁電動機采用直驅(qū)的結(jié)構(gòu)，運行轉(zhuǎn)速為120 r/min，這樣的配置取消了對齒輪箱的要求，可以極大地降低運行的噪聲。本船還在船首配置了1臺300 kW的側(cè)推電機，在進出港以及動態(tài)定位的工況下運行。

根據(jù)本船船用電站的實際情況，選擇了630 kVA的電站，和交流電力推進系統(tǒng)不同的是，直流電力推進系統(tǒng)從直流母線通過逆變器逆變成恒定的50 Hz輸出。為了不超過5%的THD（諧波總失真）要求，逆變器的輸出需要配置一個正弦波濾波器。相比于交流發(fā)電機組的直接輸出電壓，本船的電站輸出波形沒有低次諧波的困擾，波形質(zhì)量更好。

整個直流母線被分為兩部分，這兩部分的直流母線在故障發(fā)生時，可以保持分開運行并且具備重新并聯(lián)運行的能力。正常運行模式下，兩部分的直流電網(wǎng)可以長期單獨運行也可以長期并聯(lián)運行。本船的單線圖如圖4所示。

2.2 直流電力推進系統(tǒng)系統(tǒng)的具體布置

小水線面雙體科考船要求盡量節(jié)省船舶設備的空間和重量，以容納更多的科考設備。因此在本船的具體布置上，充分考慮到了直流電力推進系統(tǒng)在節(jié)省設備體積方面的優(yōu)勢。另外，由于直流變頻器集成了變頻器和配電板的功能，因此一般布置在集控室內(nèi)，可以方便相關人員的觀察和操作。

本船在設計之初給出了2種集控室內(nèi)直流變頻器的布置方案，如圖5所示。方案1集控室布置在主甲板FR53～FR68肋位之間的中間位置，在FR64肋位通過一道鋼質(zhì)艙壁將集控室分隔為前后兩部分。集控臺布置在集控室前部，直流變頻器及日用配電板布置在集控室后部，直流變頻器豎向布置。該方案的優(yōu)點在于當值班輪機員進入集控室后部可直接同時觀察直流變頻器及日用配電板，便于集中監(jiān)控管理，但此方案缺點是增大了集控室所需面積，集控室前部所占面積太小，且由于集控室后部長度過長，室內(nèi)需增加2根支柱支撐以滿足結(jié)構(gòu)強度的需求，給直流變頻器的擺放及維修也造成一定不便。方案2集控室布置在主甲板FR54～FR68肋位之間的中間位置，在FR61肋位通過一道鋼質(zhì)艙壁將集控室分隔為前后兩部分。集控臺及日用配電板布置在集控室前部，直流變頻器布置在集控室后部，直流變頻器橫向布置。該方案的優(yōu)點在于集控室所需面積較小，集控臺與日用配電板集中監(jiān)控管理，將噪聲較大的直流變頻器單獨隔離管理，且由于直流變頻器橫向布置使前后部長度平均，無需在室內(nèi)增加支柱，結(jié)構(gòu)便利，此方案的缺點是直流變頻器的橫向布置會給直流變頻器的監(jiān)控管理及電纜的連接帶來一定的麻煩。經(jīng)多次與船東討論后本船決定采用方案1作為本船集控室的布置方案，但方案2這種布置方式也可作為一種直流電力推進系統(tǒng)變頻器的布置方案。

經(jīng)過合理的設計，將最終得到的直流電力推進系統(tǒng)的重量和占地面積與傳統(tǒng)的交流電力推進系統(tǒng)方案進行了比較，可以得到如表2所示的結(jié)果。從表中可看出，無論是體積還是重量，直流電力推進系統(tǒng)相對于交流電力推進系統(tǒng)而言，都得到了明顯的提升。

2.3 盡量考慮遵循傳統(tǒng)的使用習慣

由于直流電力推進變頻器集成了配電板和變頻器，因此不僅在布置上和傳統(tǒng)方法有所不同，在實際設計的操作過程中也可能和傳統(tǒng)的習慣有所出入。

首先，由于變頻器不是安置在電動機旁邊，因此需要一個額外的小機旁控制箱，以滿足遙控系統(tǒng)發(fā)生故障時的操作以及部分就地測試工作。該機旁控制箱相對于變頻器體積更為緊湊。

在遙控系統(tǒng)的設計上，也充分考慮了傳統(tǒng)的操作習慣，從集控室完成整個系統(tǒng)的備車，從駕控臺完成對船舶的駕駛操控。操控的位置可以在集控臺、駕控臺、動態(tài)定位系統(tǒng)和左右翼中間視優(yōu)先級不同進行切換。由于直流電力推進系統(tǒng)系統(tǒng)集成了所有的發(fā)電設備、推進負載和船舶日用電負載，因此在控制上集成了功率管理系統(tǒng)（PMS）和推進管理系統(tǒng)（PCS），所以相對于傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，取消了重載問詢的要求，控制上的動態(tài)響應更好。

3 直流電力推進系統(tǒng)在實際應用中的注意事項

由于本文所述的直流電力推進系統(tǒng)還是一項比較新的技術，根據(jù)本船的設計經(jīng)驗，直流電力推進系統(tǒng)在選用及明確具體配置時還應注意一些事項。

3.1 發(fā)電機組柴油機的變速運行

雖然直流電力推進系統(tǒng)有別于傳統(tǒng)交流電力系統(tǒng)的一大核心特點在于發(fā)電機組柴油機可以變速運行，在不同運行工況和不同負載條件下，選用變化的柴油機運行轉(zhuǎn)速即可達到更好的節(jié)能效果。但通過本船的實際設計發(fā)現(xiàn)，是否選擇變速及如何變速應根據(jù)所設計船舶的需要而定。

1）柴油機是否一定需要變速。直流電力推進系統(tǒng)所述關于發(fā)電機組柴油機變速節(jié)能的優(yōu)勢僅存在于柴油機偏離額定工況，在低負荷及機動工況下長期運行時，通過采用此種方式可在相應的低負荷下通過改變柴油機轉(zhuǎn)速找到一個低油耗的運行工況點運行以提高柴油機經(jīng)濟性，當發(fā)電機組柴油機運行在額定工況附近時與定速發(fā)電機組油耗基本無差別。而電力推進系統(tǒng)本身即具有節(jié)省燃油，提高經(jīng)濟性的優(yōu)勢，可根據(jù)船舶電量負荷的需求靈活決定并入船舶電網(wǎng)的發(fā)電機組臺數(shù)，使發(fā)電機組柴油機一直運行在額定工況附近，提高柴油機經(jīng)濟性[13]。以本船為例，作為一艘科考船，絕大部分工況固定，在設計之初即已根據(jù)各工況需要配置發(fā)電機組使其在各工況皆運行于額定工況附近達到節(jié)能的目的，即使存在其他機動工況或低負荷工況，運行時間有限，是否采用變速柴油機對油耗影響不大。所以是否采用變速柴油機需根據(jù)船舶實際使用需求來決定，對于工況較多較復雜，需要在低負荷下長期運行的海工船及其他特種船舶，采用直流電力推進系統(tǒng)配置變速柴油機發(fā)電相比交流系統(tǒng)在油耗上具有明顯優(yōu)勢，但在工況較為固定的船舶上，是否變速油耗差別并不明顯。

2）柴油機如何變速。目前船舶柴油機僅存在2種型式，一種是以螺旋槳推進特性為基礎設計的柴油機，一種是以負荷特性為基礎設計的柴油機，前者一般作為主推進柴油機驅(qū)動螺旋槳使用，柴油機可變速，設計時盡量使其在轉(zhuǎn)速與功率成三次方的各點上有較好的運行工況，后者一般作為發(fā)電機組柴油機使用，柴油機定速，設計時僅追求柴油機在該設定轉(zhuǎn)速下效率最高。若直流電力推進系統(tǒng)采用變速柴油機，則柴油機不能選用以負荷特性為基礎設計的發(fā)電機組用定速柴油機，本船雖根據(jù)變速需要選擇可變速運行推進用柴油機，但其設計工況與直流電力推進系統(tǒng)變速柴油機所需要的運行工況還有很大的出入，因此，研制開發(fā)與直流電力推進系統(tǒng)相匹配的，可以在各工況下有較低油耗的變速柴油機是該系統(tǒng)需要改進的方向。

3.2 變頻器布置的注意事項

直流電力推進系統(tǒng)將交流系統(tǒng)中的配電系統(tǒng)、變頻系統(tǒng)及控制系統(tǒng)進行了集成，并通過直流變頻器實現(xiàn)這些功能。當直流變頻器取代交流系統(tǒng)中的主推進配電板布置在集控室中時應注意該以下變化對傳統(tǒng)集控室布置帶來的影響：

1）對于布置空間，雖然從總體來看直流電力推進系統(tǒng)節(jié)省了各套系統(tǒng)分別布置所需的空間，但需注意的是功能的集成必然導致直流變頻器比交流系統(tǒng)中主推進配電板的外形尺寸要大，需注意應根據(jù)需要適當增加集控室的面積；

2）對于維修空間來說，交流系統(tǒng)中主配電板前后一般各留出600 mm的距離即可滿足維修需要，但直流變頻器系統(tǒng)的前方及左右兩側(cè)需留出約1 000 mm的維修空間以滿足內(nèi)部元件維修、拆卸、更換的需求；

3）對于噪聲，一般相應標準和規(guī)范規(guī)定集控室內(nèi)空氣噪聲不得高于75 dB（A），但直流變頻器的空氣噪聲約為85 dB（A），在集控室內(nèi)需對直流變頻器進行隔離以滿足空氣噪聲的相關要求。

4 結(jié) 語

綜上所述，直流電力推進系統(tǒng)因其具有在低負荷、變工況下油耗明顯降低、系統(tǒng)集成度高，大大降低裝船設備重量及所需占地面積、電纜用量及相關工程量降低、諧波諧振低等顯著優(yōu)勢，必然成為船舶綜合電力系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢之一，尤其在低壓特種船舶領域?qū)玫綇V泛應用。在直流電力推進系統(tǒng)的配置及設計中，應考慮柴油機起動、并車、制動電阻配置及可變速運行等方面所具備的特點，為主推進系統(tǒng)各設備的配置提供更多可能性；同時應注意發(fā)電機組是否配置變速柴油機、設備布置與交流系統(tǒng)的區(qū)別等問題。此外，直流電力推進系統(tǒng)仍存在很大的提升空間，現(xiàn)階段研制開發(fā)與直流電力推進系統(tǒng)相匹配的變速柴油機、制定相關的規(guī)范標準都是該系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。

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Application and research of DC electric propulsion to the SWATH scientific research vessel

LI Hong-rui1, XIONG Liang-sheng2, SHAO Shi-yi3
(1. Shanghai Branch, China Ship Scientific Research Center, Shanghai 200011, China; 2. Tehe Ocean Technology Group Limited, Shanghai 200000, China; 3. Beijing CSE Electrical Technology Group Limited, Beijing 100097, China)

The DC electric propulsion system, as a new electric propulsion technology, is one of the hot topics in current research. At present, the advantages of the DC electric propulsion system have been gradually understood, and how to choose the appropriate electric propulsion system according to the specific use, cost, economy, space and other factors in the new ship design should be under investigation. This paper compares the DC and AC electric propulsion system. From the perspective of practical application, taking the design of “SWATH type scientific research vessel” as an example, the DC propulsion system solution of this ship is introduced. Furthermore, the merits and problems that need attention are analyzed. The results show that the DC electric propulsion system has obvious advantages in space, fuel consumption and other aspects. With the development of this technology, the DC electric propulsion system will be widely used in the field of low voltage and special purpose ship.

direct current grid；electric propulsion system；SWATH；scientific research vessel

U664.14

A

1672 – 7649(2017)08 – 0085 – 06

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.08.018

2016 – 11 – 30

李鴻瑞(1990 – )，男，碩士，助理工程師，研究方向為船舶輪機設計。