劉興亮，孫玉寧

（蕪湖造船廠(chǎng)有限公司,蕪湖 241000）

1 前言

某6 600 DWT 化學(xué)品船是蕪湖造船廠(chǎng)傾心打造的一型化學(xué)品船。本船不僅滿(mǎn)足最新節(jié)能環(huán)保要求，同時(shí)具有CCS 的i-Ship(N, M, E, C, I)入級(jí)符號(hào)，滿(mǎn)足國(guó)際海事組織第2、3 類(lèi)化學(xué)品及油品的運(yùn)輸服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)，其建造工藝、性能配置達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。

本船采用了直流網(wǎng)絡(luò)型電力推進(jìn)系統(tǒng)，配以可變速柴油發(fā)電機(jī)組、直流配電系統(tǒng)、低速永磁電機(jī)推進(jìn)方式；采用三臺(tái)發(fā)電機(jī)，配置一臺(tái)永磁低速電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳；以直流配電方式，最大程度發(fā)揮發(fā)電機(jī)組功率、轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)和推進(jìn)功率的最優(yōu)參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)一鍵式選擇低速、中速和設(shè)計(jì)航速的經(jīng)濟(jì)巡航模式；在船舶可靠性和節(jié)能方面優(yōu)勢(shì)明顯，可以智能能效控制，實(shí)現(xiàn)低碳航行；通過(guò)入級(jí)CCS 的i-Ship(N, M, E, C, I)，大幅減少人員配置，全面提升船舶運(yùn)營(yíng)管理綜合效率。

目前大多數(shù)電力推進(jìn)船舶都是采用交流組網(wǎng)技術(shù)，本船則采用了直流組網(wǎng)電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)。直流組網(wǎng)電力系統(tǒng)在高效節(jié)能、節(jié)省空間和重量以及系統(tǒng)的靈活性和簡(jiǎn)便性方面都具有明顯的優(yōu)勢(shì)；同時(shí)，由于采用了可變速發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速可以根據(jù)電網(wǎng)上的實(shí)際負(fù)荷情況進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，使發(fā)電機(jī)組工作在最優(yōu)的轉(zhuǎn)速-功率曲線(xiàn)上，降低了油耗和減少了排放，使整體系統(tǒng)效率提高約20%。

2 系統(tǒng)組成

本船的直流網(wǎng)絡(luò)型電力系統(tǒng)單線(xiàn)圖，見(jiàn)圖1。

圖1 6 600 DWT 化學(xué)品船直流網(wǎng)絡(luò)型電力系統(tǒng)單線(xiàn)圖

（1）電站系統(tǒng)

設(shè)置了2 套AC690 V、50 Hz、750 kW 主發(fā)電機(jī)、1 套AC690 V、50 Hz、1 020 kW 主發(fā)電機(jī)，1 套AC400 V、50 Hz、250 kW 停泊兼應(yīng)急發(fā)電機(jī)。

3 臺(tái)主發(fā)電機(jī)組為可變速，提供690 V、 50 Hz 交流電源，經(jīng)3 臺(tái)主發(fā)整流器V1、V2 和V3 后并網(wǎng)連接到直流配電板；直流配電板額定電壓為DC950 V，主要是考慮到如額定電壓超過(guò)1 000 V，則相應(yīng)的開(kāi)關(guān)及保護(hù)器件、整流裝置和逆變裝置需選用更高的電壓等級(jí)。而本船推進(jìn)電機(jī)等負(fù)載并不是特別大，直流母排按額定工作直流電壓950 V 設(shè)計(jì)可使整個(gè)系統(tǒng)配置的開(kāi)關(guān)等在成本方面更具有經(jīng)濟(jì)性；直流配電板通過(guò)兩臺(tái)主推進(jìn)逆變器給主推進(jìn)器及首側(cè)推、日用電逆變器和貨油泵逆變器分別供電。日用逆變器設(shè)置了V4和V11兩路，互為備用，滿(mǎn)足規(guī)范相應(yīng)冗余要求；日用逆變裝置輸出690 V 50 Hz 交流電，經(jīng)690 V/400 V 日用變壓器T1、T2 和400 V/230 V 日用變壓器T3 或T4 后，通過(guò)AC400 V 分配電板和AC230 V 分配電板分別給全船日用用電設(shè)備供電；在船舶港泊模式下，日用逆變器也可做整流使用，此時(shí)應(yīng)急發(fā)電機(jī)工作在停泊模式下提供AC400 交流電，通過(guò)應(yīng)急配電板經(jīng)日用逆變裝置向直流配電板供電；日用逆變器正常做逆變電源使用時(shí)為240 kW，在停泊工況下做整流使用時(shí)功率輸出為250 kW。

（2）電力主推進(jìn)系統(tǒng)

采用一臺(tái)雙繞組結(jié)構(gòu)的主推進(jìn)電機(jī)，雙繞組為PM1 和PM2：雙繞組電機(jī)額定推進(jìn)功率為2x1 000 kW，電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳；雙繞組各配置一臺(tái)逆變器用作電機(jī)驅(qū)動(dòng)，正常航行工況下，兩臺(tái)逆變器V7 和V8 并聯(lián)驅(qū)動(dòng)主推進(jìn)電機(jī)。為節(jié)省系統(tǒng)成本，本船首側(cè)推并沒(méi)像一般船舶那樣設(shè)置獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，而是利用主推進(jìn)電機(jī)的其中一臺(tái)逆變器驅(qū)動(dòng)；在船舶進(jìn)出港工況時(shí)，主推進(jìn)電機(jī)只使用一臺(tái)逆變器驅(qū)動(dòng)一組繞組來(lái)帶動(dòng)螺旋槳，而另一臺(tái)逆變器V8 驅(qū)動(dòng)首側(cè)推。此時(shí)，斷路器K2 斷開(kāi)，K1 和K3 閉合；本船貨油系統(tǒng)共配置12 臺(tái)貨油泵，電力系統(tǒng)共設(shè)置了4 臺(tái)貨油泵逆變器作為驅(qū)動(dòng)，由于采用了矩陣式控制來(lái)驅(qū)動(dòng)貨油泵，駁油工況下最多4 臺(tái)貨油泵可同時(shí)運(yùn)行。

（3）自動(dòng)化控制系統(tǒng)

主要提供整個(gè)直流電力系統(tǒng)的控制和狀態(tài)監(jiān)測(cè)，包括電站管理系統(tǒng)、主推進(jìn)遙控系統(tǒng)、首側(cè)推遙控系統(tǒng)以及貨油泵的變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)特性

本船的變頻直流配電系統(tǒng),主要由主發(fā)電機(jī)整流器、推進(jìn)電機(jī)逆變器、貨油泵逆變器、逆變電源等電力電子設(shè)備和直流母排、熔斷器等設(shè)備組成。

發(fā)電機(jī)整流器采用IGBT 全橋式結(jié)構(gòu)，通過(guò)先進(jìn)的電機(jī)控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)變速發(fā)電裝置的精確控制；由于采用了全控型的IGBT 整流器，所以發(fā)電機(jī)的可調(diào)速范圍很大，可變轉(zhuǎn)速范圍為300～755 r/min，整流器可以根據(jù)實(shí)際電力負(fù)荷情況，實(shí)時(shí)控制調(diào)整發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速和功率等實(shí)時(shí)參數(shù)，但并不會(huì)影響供電的可靠性和連續(xù)性。由于發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷實(shí)時(shí)匹配，相較于傳統(tǒng)的定速發(fā)電機(jī)組，可以保障變速發(fā)電機(jī)組始終以最佳的轉(zhuǎn)速-功率曲線(xiàn)運(yùn)行，極大地降低了發(fā)電機(jī)組的燃油消耗，不但實(shí)現(xiàn)了環(huán)保節(jié)能要求，提高了經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)也改善了發(fā)電機(jī)的運(yùn)行工況，有效提高了設(shè)備的使用壽命和使用性能。

本船的推進(jìn)系統(tǒng)采用一臺(tái)具有雙繞組結(jié)構(gòu)的主推進(jìn)電機(jī)，推進(jìn)功率為2x1 000 kW，由兩逆變器輸出交流電能進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，逆變器采用船舶推進(jìn)專(zhuān)用控制程序，集成了完善的轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速保護(hù)、功率限制、螺旋槳出水保護(hù)、溫度保護(hù)及過(guò)壓、過(guò)流等保護(hù)功能；推進(jìn)逆變器通過(guò)接收推進(jìn)控制系統(tǒng)的指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩的精準(zhǔn)控制，調(diào)節(jié)過(guò)程更加平滑且調(diào)節(jié)速度更快，通過(guò)與PMS 系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，避免了推進(jìn)負(fù)載波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的不良影響。

對(duì)于船上的泵、風(fēng)機(jī)、空調(diào)、照明等交流日用負(fù)載，由兩臺(tái)逆變電源裝置輸出到低壓交流配電板進(jìn)行供電。該逆變電源采用微網(wǎng)電源專(zhuān)用控制軟件，配合正弦濾波器的使用，保證輸出符合技術(shù)要求的正弦波，電網(wǎng)諧波被嚴(yán)格控制在5%以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足規(guī)范和船上日用負(fù)載的供電需求；逆變電源裝置除了具有精準(zhǔn)的電壓穩(wěn)定性、頻率穩(wěn)定性的控制功能，還具有過(guò)流過(guò)載、短路等保護(hù)功能，保障系統(tǒng)供電的可靠性和連續(xù)性。

在變頻直流配電系統(tǒng)中，還包含有電站功率管理系統(tǒng)（PMS），用以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)供電網(wǎng)絡(luò)的電能管理和機(jī)組的節(jié)能控制。PMS 系統(tǒng)通過(guò)控制整流器完成發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)、脫網(wǎng)動(dòng)作，在并網(wǎng)、脫網(wǎng)動(dòng)作過(guò)程中斷路器并不動(dòng)作，而是通過(guò)整流器的并網(wǎng)控制算法實(shí)現(xiàn)，整個(gè)并網(wǎng)、脫網(wǎng)過(guò)程可以在500 ms 內(nèi)完成，大大優(yōu)于傳統(tǒng)交流電網(wǎng)的控制特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)電站能更加快速、精確的管理；此外，通過(guò)此種控制方式，使得頻繁并網(wǎng)、脫網(wǎng)的操作由于不需要斷路器閉合和脫扣來(lái)完成，所以對(duì)斷路器沒(méi)有任何影響，使得直流配電系統(tǒng)比交流配電系統(tǒng)具有更高的可靠性和使用時(shí)限。

為了滿(mǎn)足本船智能入級(jí)符號(hào)要求，變頻直流配電系統(tǒng)還將采用紅外熱成像技術(shù)對(duì)配電系統(tǒng)的匯流排、斷路器、整流器、逆變器等關(guān)鍵部件進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)；同時(shí)采用電氣信號(hào)分析技術(shù)，用于探測(cè)系統(tǒng)絕緣、定子電流不平衡、發(fā)電機(jī)定子繞組及轉(zhuǎn)子故障檢測(cè)、諧波監(jiān)測(cè)等其它監(jiān)測(cè)技術(shù)難以探測(cè)到的故障和數(shù)據(jù)采集。

4 系統(tǒng)主要控制功能

（1）主推進(jìn)轉(zhuǎn)速和功率可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)：在船舶進(jìn)出港工況時(shí)，船舶推進(jìn)動(dòng)力依靠一臺(tái)主推進(jìn)逆變器驅(qū)動(dòng)主推進(jìn)電機(jī)的一個(gè)繞組，另一臺(tái)逆變器用來(lái)驅(qū)動(dòng)首側(cè)推的啟動(dòng)和速度控制；在主推進(jìn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)巡航模式下，一臺(tái)大功率發(fā)電機(jī)和2 臺(tái)小功率發(fā)電機(jī)自動(dòng)在網(wǎng)組合，使發(fā)電機(jī)組運(yùn)行在經(jīng)濟(jì)最佳區(qū)域；

（2）變速發(fā)電機(jī)組功率控制：變速發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速隨電網(wǎng)負(fù)載變化而改變，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組的輸出功率控制和輸出功率分配；

（3）推進(jìn)功率限制保護(hù)：通過(guò)對(duì)電站負(fù)荷的檢測(cè)，PMS 會(huì)根據(jù)發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷率自動(dòng)進(jìn)行功率限制：當(dāng)發(fā)電機(jī)的負(fù)荷率高于整定值電站容量無(wú)法滿(mǎn)足推進(jìn)功率要求時(shí)，會(huì)自動(dòng)限制推進(jìn)功率，在保證船舶降低功率推進(jìn)的情況下電站繼續(xù)運(yùn)行，既可以保障供電的連續(xù)性也可提高船舶操作的安全性；

（4）直流母排電壓控制：直流母排由左、右兩段鍍錫銅排組成，兩段母排之間通過(guò)直流斷路器和直流快速熔斷器進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)快速的推進(jìn)負(fù)荷控制和轉(zhuǎn)移，提高推進(jìn)系統(tǒng)冗余性；

（5）日用逆變電源變頻器的恒頻恒壓的輸出控制：滿(mǎn)足日用交流配電的工頻電壓和恒定頻率輸出。

5 功率管理系統(tǒng)

功率管理系統(tǒng)（PMS）是直流網(wǎng)絡(luò)配電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的核心部分，它可根據(jù)電力系統(tǒng)的功率需求，自動(dòng)管理發(fā)電機(jī)的運(yùn)行及實(shí)現(xiàn)電能的分配。本船具有中國(guó)船級(jí)社智能入級(jí)符號(hào)，從而對(duì)功率管理系統(tǒng)的發(fā)電管理、負(fù)荷管理、配電管理以及狀態(tài)監(jiān)測(cè)都提出了更高的要求。

PMS 安裝在直流配電板中，其模塊化的設(shè)計(jì)使系統(tǒng)簡(jiǎn)潔并便于升級(jí)；PMS 系統(tǒng)可以根據(jù)電力負(fù)載的實(shí)時(shí)功率需求對(duì)每臺(tái)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行運(yùn)行監(jiān)控能協(xié)調(diào)各發(fā)電機(jī)組的工作，實(shí)現(xiàn)各發(fā)電機(jī)都能根據(jù)實(shí)時(shí)負(fù)荷要求運(yùn)行在最佳轉(zhuǎn)速-功率曲線(xiàn)模式上；同時(shí)可以對(duì)電站系統(tǒng)進(jìn)行故障報(bào)警和處理，確保為推進(jìn)系統(tǒng)以及輔助設(shè)備等日用負(fù)載提供可靠、穩(wěn)定及優(yōu)化配置的電力能源。

PMS 與變速發(fā)電機(jī)整流器控制信號(hào)及柴油機(jī)ECU控制信號(hào)采用硬線(xiàn)連接；與人機(jī)界面之間采用通訊連接，可以直接觀(guān)察到發(fā)電機(jī)組以及整個(gè)配電系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，還可以通過(guò)觸摸屏手動(dòng)控制發(fā)電機(jī)組的起停、并網(wǎng)、負(fù)荷轉(zhuǎn)移、解列以及更改控制參數(shù)等；

PMS 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用星型結(jié)構(gòu)，星型結(jié)構(gòu)的中心為控制主站，采用高性能的西門(mén)子PLC，工作性能穩(wěn)定可靠；當(dāng)星型結(jié)構(gòu)下各子節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，不會(huì)影響控制主站對(duì)其它子節(jié)點(diǎn)的控制。

PMS 因故障無(wú)法使用時(shí)，電站可以手動(dòng)切換到手動(dòng)模式，在直流主配電板上即可手動(dòng)對(duì)機(jī)組進(jìn)行起停、并網(wǎng)解列和負(fù)荷分配等操作，最大程度地保證電站系統(tǒng)的可用性和供電連續(xù)性。

6 結(jié)論

通過(guò)上述對(duì)某6 600 DWT 化學(xué)品船直流網(wǎng)絡(luò)型電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的介紹，充分說(shuō)明了直流組網(wǎng)技術(shù)同交流組網(wǎng)技術(shù)相比較所體現(xiàn)出來(lái)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，包括高效率、電站操作的靈活性和快速性、低燃油消耗、空間位置及重量的節(jié)省等。而隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，也促進(jìn)了變頻調(diào)速控制技術(shù)的突飛猛進(jìn)，直流網(wǎng)絡(luò)型電力組網(wǎng)技術(shù)將在化學(xué)品船、瀝青船以及多用途船等船型上得到更加廣泛的推廣應(yīng)用。