王平 王金苓

摘 要：本文概要介紹了一種以可變速發(fā)電機組作為主電站，主電網(wǎng)采用直流系統(tǒng)、交流電機推進、大容量電池組或電容器作為輔助能量存儲單元、系統(tǒng)擴展性強的節(jié)能環(huán)保的電力推進系統(tǒng)，這種電力推進系統(tǒng)是未來綠色船舶發(fā)展的方向。

關(guān)鍵詞：變速發(fā)電機組；直流電網(wǎng)； 能量存儲單元；綠色船舶

中圖分類號：U664.14 文獻標(biāo)識碼：A

1 引言

船舶交流柴電推進系統(tǒng)以其機組配置和空間布置的靈活性、良好的操作性、低排放、低振動噪音、良好的經(jīng)濟性等優(yōu)點，在海洋平臺工作船上得到越來越多的應(yīng)用。傳統(tǒng)船舶交流柴電推進系統(tǒng)中發(fā)電機組以額定轉(zhuǎn)速運行，以保持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定（50 Hz或60Hz）。根據(jù)柴油機的燃油消耗曲線，機組低速運行時燃油消耗少，高速運行時燃油消耗高。根據(jù)柴油機的負(fù)荷特性曲線，機組運行于75%～85%的負(fù)荷區(qū)間時，具有最低的燃油消耗，低于或高于這一區(qū)域則燃油消耗增加。對于具有DP能力的海洋工作船來說，DP及低速standby時間占了其操作時間的40%以上，DP及低速standby是典型的低負(fù)荷工況，此時發(fā)電機組高速運行，且負(fù)荷非常低，燃油消耗高，經(jīng)濟性差。

本文介紹一種新型電力推進系統(tǒng)，其發(fā)電機組可根據(jù)負(fù)荷需求降低轉(zhuǎn)速并發(fā)出相應(yīng)功率，使發(fā)電機組保持運行于最佳負(fù)荷率，最大限度的降低燃油消耗。同時該系統(tǒng)可以方便的接入其它清潔能源發(fā)電系統(tǒng)，如光伏、風(fēng)能等，是綠色環(huán)保的電力推進系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)基本組成及優(yōu)點

傳統(tǒng)船舶電網(wǎng)中，發(fā)電機組均以額定轉(zhuǎn)速運行，以保持電網(wǎng)頻率恒定。改變發(fā)電機組轉(zhuǎn)速，必然會改變系統(tǒng)的頻率，從而影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性。隨著電力電子等新技術(shù)的迅速發(fā)展，為發(fā)電機組的變速運行提供了條件。

2.1 系統(tǒng)基本原理

系統(tǒng)的基本原理如圖1所示。發(fā)電機的容量按最大負(fù)荷設(shè)計，根據(jù)母線實際負(fù)荷調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速并輸出相應(yīng)功率，低負(fù)荷時降低轉(zhuǎn)速即可減少燃油消耗量。變速發(fā)電機可輸出恒定電壓，恒壓是為了避免在PWM整流模塊前再進行穩(wěn)壓，恒壓變頻發(fā)電機可以采用特殊的勵磁設(shè)計來實現(xiàn)，IGBT PWM模塊可以將諧波的影響消除到最低。

圖1 變速發(fā)電機供電網(wǎng)絡(luò)基本原理

2.2 系統(tǒng)的組成

圖2是經(jīng)過擴展后的電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。變速發(fā)電機的數(shù)量及容量根據(jù)船舶系統(tǒng)的實際負(fù)荷和相關(guān)規(guī)范確定。增加蓄電池組的目的是為了改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，當(dāng)發(fā)電機組以低速或高速運行時，如遇負(fù)荷突增或突降，柴油機調(diào)速特性不能滿足負(fù)荷的突變時，由雙向DC/DC斬波器控制蓄電池組向直流網(wǎng)絡(luò)補充能量或吸收網(wǎng)絡(luò)的富裕能量，以穩(wěn)定系統(tǒng)。蓄電池組同時也起到了降低燃油消耗的輔助作用。系統(tǒng)中以電力電子功率單元取代了交流網(wǎng)絡(luò)中的交流斷路器，系統(tǒng)的選擇性保護采用熔斷器、隔離開關(guān)和功率單元的開關(guān)控制進行組合來實現(xiàn)。

圖2 變速發(fā)電機組船舶電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.3 系統(tǒng)的主要優(yōu)點

（1）采用變速發(fā)電機組，根據(jù)負(fù)荷需要降低轉(zhuǎn)速并提供相應(yīng)功率，發(fā)電機組工作于最佳負(fù)荷率，極大的降低了油耗；

（2）采用直流網(wǎng)絡(luò)，不存在交流系統(tǒng)并網(wǎng)對相位、頻率的限制，各發(fā)電機組獨立運行，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。電網(wǎng)具有更強的可擴展性，如增加光伏、風(fēng)能等；

（3）靈活的配電設(shè)備布置形式，可采用將所有整流和逆變模塊集成到一體的集中式布置，還可采用將整流和逆變模塊分別布置在離電源和負(fù)荷最近的分散式布置，使總體布置更加靈活；

（4）與交流系統(tǒng)相比，配電設(shè)備的重量和體積均有下降，增加了船舶的載重量和節(jié)省了船舶空間；

（5）方便的岸電連接方式，不受岸電頻率影響；

（6）對輔助風(fēng)機、油水泵等也采用變頻驅(qū)動的船舶，可以共用直流母排，節(jié)省整流模塊投入；

（7）降低了維護成本，減小了振動噪音，減少了電纜的用銅量等。

3 變速發(fā)電機組

本系統(tǒng)進行燃油節(jié)省的關(guān)鍵是采用了變速發(fā)電機組，在低負(fù)荷時降低發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速，以達到節(jié)省燃油的目的。

3.1 原動機

如圖3所示是一臺柴油機的轉(zhuǎn)速—功率/燃油消耗曲線，可以看出柴油機的功率和燃油消耗隨轉(zhuǎn)速的升降有明顯的關(guān)系。在船舶系統(tǒng)負(fù)荷降低時，降低柴油機的轉(zhuǎn)速，就可達到節(jié)省燃油的目的。特別是在DP工況時，占電站總?cè)萘?0%以上的主推進和側(cè)向推進系統(tǒng)負(fù)荷處于50%左右的負(fù)荷率，如降低柴油機轉(zhuǎn)速，會有明顯的節(jié)油效果。

圖3 柴油機轉(zhuǎn)速-功率曲線

在交流船舶電力系統(tǒng)中，發(fā)電機組原動機調(diào)速器按程序設(shè)定將原動機的轉(zhuǎn)速控制在額定值，該設(shè)定值一經(jīng)設(shè)定就不能更改。為了滿足發(fā)電機組的變速運行，可采用能與船舶控制系統(tǒng)進行通信的調(diào)速器，以使柴油機轉(zhuǎn)速按控制系統(tǒng)的要求穩(wěn)定運行于某一轉(zhuǎn)速，發(fā)電機組原動機的轉(zhuǎn)速范圍和相應(yīng)的功率輸出應(yīng)與發(fā)電機相匹配，并取決于船舶電力負(fù)荷計算結(jié)果。

3.2 發(fā)電機

在交流船舶電力系統(tǒng)中，發(fā)電機均是以恒轉(zhuǎn)速（頻率）設(shè)計，如直接以變速運行，會導(dǎo)致輸出電壓和頻率同時發(fā)生變化，而AC/DC整流功率單元的特性，要求輸入的交流電壓是恒定的，才能保證輸出直流電壓恒定，因此本系統(tǒng)需要采用特殊設(shè)計的可變速運行發(fā)電機，圖4是一臺900 r/min至1 800 r/min可變速、AC690V恒壓、額定頻率90 Hz向下可調(diào)變頻恒壓發(fā)電機組轉(zhuǎn)速—功率關(guān)系。實際應(yīng)用中發(fā)電機的容量和轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍取決于電力負(fù)荷計算。

圖4 變速發(fā)電機轉(zhuǎn)速-功率關(guān)系

3.3 變速系統(tǒng)效果對比

某型電力推進二級動力定位海洋平臺供應(yīng)船（PSV）主要功能是向海洋平臺輸出鉆井、修井材料及生活用品等物資，采用了變速發(fā)電機—交直交電力推進系統(tǒng)，其主要機電設(shè)備配置為：4臺CAT 3516C（HD）、2 350 kW、3p、690 V、1 200～1 800 r/min發(fā)電機組；2臺2 200 kW全回轉(zhuǎn)主推；2臺925 kW隧道式首側(cè)推；1臺880 kW首伸縮推；2臺1 250 kVA ROV預(yù)留接口；1臺4x550 kW海工吊。船用負(fù)荷約600 kW，其它有貨油泵、貨水泵、泥漿泵、散料壓縮泵等貨物負(fù)荷。 DP最小負(fù)荷率時單位時間燃油消耗量以發(fā)電機組降速后負(fù)荷率85%估算，如表1所示：

4 結(jié)語

隨著燃油價格不斷的上漲和新環(huán)境保護法規(guī)的出臺，如何進一步減少燃油消耗及廢氣排放將是船舶設(shè)計需要考慮的重點，新技術(shù)的發(fā)展為減少燃油消耗及廢氣排放提供了條件。世界上第一艘采用變速發(fā)電機組—交直交電力推進的海洋平臺供應(yīng)船2013年4月已經(jīng)在挪威交付船東，目前運營狀況良好，此類船舶未來必將得到船東的青睞。

參考文獻

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