船舶电力推进交流与直流系统对比研究

陈嘉伟，曹晓明，陈旭清，郭 昂



船舶电力推进交流与直流系统对比研究

陈嘉伟1，曹晓明1，陈旭清2，郭 昂1

(1. 中国船舶科学研究中心，无锡 214082；2. 无锡市水利局，无锡 214031)

对交流与直流船舶综合电力推进系统的设计进行了对比分析，将船舶电力推进系统的设计分为系统设计和关键设备选型设计两部分进行了研究。在系统设计方面，主要对比了交流与直流系统的短路电流、选择性保护、谐波抑制的异同。在关键设备选型设计方面，对ABB、SIMENSE和EMS三个技术方案对直流母排故障的保护方面进行了分析。随后对直流船舶电力推进系统的优势与不足进行了分析，最后对船舶电力推进交流与直流系统对比进行了总结。

电力推进 对比研究 系统设计 设备选型设计

0 引言

船舶电力推进是指将船舶的动力系统和电力系统进行综合的一体化设计，将其它的能量形式统一转化成电能后，提供给全船所有设备使用[1]。经过近三十年的发展和应用，常规低压交流电力推进技术已逐步发展成熟，中高压交流电力推进技术也得到了广泛的应用，目前是大型海洋工程船中电力推进系统的主流。此外，随着对节能环保及高性能船舶电力系统的要求不断提高，以直流电力系统为特征的新一代船舶综合电力推进系统已经开始出现，并在节能减排、多能源接入、设备重量体积等方面表现出了明显的优势，成为行业发展的重点方向[2]。

船舶综合电力推进系统的设计主要包含两方面的内容，一是系统设计，二是关键设备选型。系统设计主要解决系统层面的问题，包括确定系统电制、网络结构、运行工况，完成负荷计算、系统短路电流计算、系统选择性保护分析、谐波计算与抑制等。关键设备选型是在系统设计的基础上，完成对系统总体性能及可实现性有决定性影响的关键设备的选型，同时在选型的基础上对系统设计的各项内容进行一定程度的优化[3]，如通过设备参数的调整是系统的综合性能指标达到最优等。

本文从船舶综合电力推进系统的系统设计和关键设备选型设计这两项为切入点，对直流系统和交流系统的设计进行了对比研究。

1 直流、交流电力推进的系统设计对比

无论交流系统还是直流系统，其设计内容都是一致的，都需要考虑系统短路电流、选择性保护、谐波抑制等[4]，但由于两者工作机理不同，导致两者的关注点是不同的。

1.1 短路电流

对交流系统来说，系统的短路电流更多与发电机电磁参数及系统运行工况相关，在系统设计的过程中对短路电流和谐波问题需要统筹兼顾考虑，既保证将短路电流控制在适当的范围内，方便断路器选型，也要保证系统的谐波含量满足规范的要求。

对直流系统来说，系统的短路电流除了与发电机的电磁参数及运行工况有关外，还有一个极为重要的因素是变频器母线电容的放电电流。该电流持续时间短（一般在100 µs以内），对系统的破坏极大，是目前行业内需要解决的一大技术难题，目前国际上也没有针对船舶直流系统短路电流计算的标准规范。

1.2 选择性保护

对交流系统来说，系统的选择性保护设计方案相对成熟，无论是中压系统还是低压系统，都可以通过各级断路器之间在动作时间和动作电流上的合理设置实现系统保护的选择性，并具有后备保护。

对直流系统而言，系统的选择性保护是目前行业内公认的难点。这体现在三个方面，一是系统各级设备的选择性保护极为困难，特别在多机并联的情况下；二是各级保护几乎没有后备保护；三是直流系统与交流系统的匹配问题。

1.3 谐波抑制

对交流系统来说，谐波抑制关注的重点是公共母线的谐波畸变量，包括公共母排和日用电网，必须保证各级电网的谐波指标不超过规范要求的限值。在科考船上，对科考设备供电的电源可能有更高的要求，需要独立的清洁电源供电。对直流系统来说，对谐波问题关注的重点在交流发电机和日用负载电网这两个方面，在交流发电机方面来说由于100%非线性负载引起的谐波问题是发电机设计中必须考虑的因素。在日用负载方面，由于采用静态电源供电，电源的滤波方案是重点考虑的因素。

2 直流、交流电力推进的设备选型对比

关键设备的选型与功能设计是与系统设计的多项计算结合起来完成的，主要包括4项：在系统短路电流计算的基础上完成配电板主断路器的选型；在系统选择性保护分析的基础上完成系统选择性保护方案的制定；在谐波计算的基础上完成推进系统整流方式（对交流系统）并结合短路电流计算确定发电机电磁参数；在负荷计算的基础上完成PMS的功能设计和控制策略的优化。

传统交流综合电力推进系统目前已经基本发展成熟[5]，其总体性能及系统可靠性已经得到了充分验证，在合适的系统容量范围内，技术方案的可行性十分可靠。对交流综合电力推进系统的设计更多的注意力放在设备的选型方面，即是否有合适的产品可供选型。系统容量8 MW以下采用低压交流系统在技术上十分成熟，关键设备的选择范围比较多。系统容量8 MW~50 MW采用中压交流系统在技术上也较为成熟，国内外均有相关关键设备供选型[6]。

对直流综合电力推进系统来说，国内还没有成熟应用案例，国外仅有以ABB、SIMENSE、EMS三家公司为代表的少数应用案例，且全部为低压系统，目前为止国内外均没有中压直流系统的应用案例[7]。以ABB、SIMENSE、EMS为代表三家公司分别采用了不同的直流综合电力系统技术路线，无论哪种技术方案，核心的差异都体现在对直流母排故障的保护方面，这也是直流综合电力系统的设计难点与关键点，以图1所示的典型直流综合电力系统进行说明。

ABB方案供电侧采用同步发电机+不控整流的方式，母联开关采用机械式断路器，在每个负载的逆变侧装有电子开关，用于阻断在母线故障情况下逆变单元电容放电，从而限制故障发生时的故障电流，使系统具有较强的故障穿越能力。该方案在母排发生故障的情况下可以保证母联断路器先分断，保证非故障母线的正常运行，具有一定的选择性，但在发电机整流单元故障的情况下也会失去一段母线的供电，不能实现完全选择性。由于需要在每个逆变单元上设置一个电子开关，该方案造价昂贵，同时对控制系统有极高的要求，在检测到母线故障的情况下，要快速对逆变输出进行限制，以维持电容电压，保证其故障穿越能力。由于各电子开关都装在每个逆变单元上，单个开关容量目前还可以实现标准产品选型，同时母联开关采用机械式断路器。

图1 典型直流综合电力系统图

SIMENSE方案供电侧也采用同步发电机+不控整流的方式，但与ABB不同的是，其将母联开关设置为电子开关，各逆变侧由熔断器提供保护。该方案的优势是在母排发生故障的情况下可以在极短的时间内（20 us）分断母联断路器，保证非故障母线的正常运行，具有一定的选择性，但在发电机整流单元或负载逆变单元故障的情况下也会失去一段母线的供电，同样不能实现完全选择性。

与ABB和SIMENSE方案不同，EMS方案在供电侧采用的是异步电机+可控整流的方式，采用这种方案的优势在于对发电侧的控制较简单，相对成本也较低。在系统保护方面，该方案主要依赖熔断器完成对整流及逆变单元的保护，对直流母排的保护依靠机械式断路器实现。理论上来说，该技术方案存在全船失电的风险，这是由于无论熔断器还是机械式断路器，其动作时间都大于直流母线电容的放电时间，在熔断器或机械式断路器动作前系统可能已经因为电容放电导致母线电压过低而停机。

3 技术方案对比

3.1 直流方案的优势

采用直流推进方案，可使设备体积重量大幅度降低，从国外统计数据来看[3]，电力推进系统设备的总重量可降低20%以上，舱室空间节省30%以上，总体效率提升5%~10%。

由于直流系统允许发电机组运行在不同的转速下，可以根据原动机的万有特性曲线和实际运行工况调整原动机的运行转速，达到节能减排的效果。国外典型船舶运行统计数据表明，相对交流系统，直流系统在最恶劣工况下（DP作业）也能节省14%的燃油，且方便多能源接入，使得纯LNG动力发电机在电推船上的大规模应用成为可能，进一步提升节能减排效果。

3.2 直流方案的不足

采用直流推进方案也存在一定的不足，主要体现在系统选择性保护困难，技术成熟度有待提升。

设备选型困难，成本高昂，特别是直流断路器，传统机械式断路器无法实现选择性，新型电子式短路器选择范围有限，目前最大额定电流为4 kA，单个断路器价格达到100万人民币以上。

机组变转速运行控制困难，同时会给系统减振设计带来挑战。直流系统最大的亮点之一就是机组的变转速运行，但这一功能对系统运行控制的要求极高，需要对机组调速系统和发电机AVR进行协调控制。由于不同控制系统工作特性和响应时间不一致，不恰当的控制方式容易导致系统失稳。此外，由于机组在宽转速范围内运行（一般在60%~100%额定转速），可能带来新的共振点，对减振系统的设计及机组成套设计提出了新的挑战，这一点对科考船尤为重要。另外，在采用定转速发电的一些科考船设计中，当机组运行的经济性和机组的减振降噪效果这两个方面不能兼顾时，减振降噪效果往往更受关注。

4 总结

交流电力系统方案和直流电力系统方案，在发电机端和推进电机端采用的都是交流电，在中间电力传输的方式上有所不同。从技术成熟度及可行性、设备可选择范围、建造成本等多方面综合考虑，采用中压交流系统可能更优。采用直流系统最大的意义在于可以有效降低电力推进设备的尺寸重量，增加有效舱容，但需重点关注机组变转速运行对减振方案带来的负面影响，同时，系统保护方案的设计和电子式断路器的选型会遇到无成熟产品可供选择的情况。

[1] 董航飞, 贾君瑞. 基于DSP的船舶电力推进系统滤 波装置控制器设计[J]. 舰船科学技术, 2016, 38(3): 97-101.

[2] 曾尚德. 船舶电力推进系统负载特性研究[J]. 舰船科学技术, 2016(8): 13-15.

[3] 陈嘉伟, 封海宝, 张辉. 船舶直流电站电力推进系统的研究[J]. 青岛远洋船员职业学院学报, 2017, 38(2): 1-4.

[4] 李云鹏, 赵宏革, 李世霖等. 船舶电力推进永磁同步电机SVM-DTC控制系统优化[J]. 船电技术, 2017(2): 28-32.

[5] 钱海月, 王海洋. AFE变频器在船舶电力推进电机控制中应用的研究[J]. 舰船科学技术, 2017(8): 40-42.

[6] 文光澄. 内河船舶电力推进系统的设计要点[J]. 船电技术, 2017, 37(5): 27-29.

[7] 万丛, 李成阳. 西门子S120变频器在船舶电力推进系统中的应用[J]. 船电技术, 2017, 37(6): 69-72.

Comparative Study on AC and DC Electric Propulsion Systems of Ship

Chen Jiawei1, Cao Xiaoming1, Chen Xuqing2, Guo Ang1

（1.China Ship Scientific Research Center, Wuxi 214082, JiangSu, China; 2. Wuxi Water Conservancy Bureau, Wuxi 214031, JiangSu, China）

U664.14

A

1003-4862（2019）01-0011-03

2018-08-28

陈嘉伟(1990-)，男，博士。研究方向：船舶轮机与动力设计。E-mail: chenjiawei44@126.com