潘修穎，蔡睿眸，龔 博，鄒 寧

?

基于變速發(fā)電的直流電站電力推進(jìn)系統(tǒng)

潘修穎1，蔡睿眸2，龔 博3，鄒 寧1

(1．大連測(cè)控技術(shù)研究所，大連 116013；2．廣船國(guó)際有限公司，廣州 511462；3．武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064)

本文研究了一種基于變速發(fā)電的直流電站電力推進(jìn)系統(tǒng)，分析了直流電站電力推進(jìn)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)和集中式的布置，在此基礎(chǔ)上對(duì)直流電站電力推進(jìn)系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了分析和比較，同時(shí)提出了系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和進(jìn)一步的研究?jī)?nèi)容。

變速發(fā)電 直流電站 電力推進(jìn)系統(tǒng)

0 前言

迄今為止，綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)工程應(yīng)用經(jīng)過了三個(gè)發(fā)展階段：直流電力推進(jìn)系統(tǒng)、交流電力推進(jìn)系統(tǒng)[1]及直流電站電力推進(jìn)系統(tǒng)[2,3]。直流電站電力推進(jìn)系統(tǒng)是下一代電力推進(jìn)系統(tǒng)的主要形式[4,5]，目前已在高端船舶廣泛的推廣應(yīng)用。

本文重點(diǎn)分析了直流電站電力推進(jìn)系統(tǒng)的組成以及優(yōu)勢(shì)，并且從系統(tǒng)和設(shè)備角度提出了直流電站電力推進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和進(jìn)一步的研究?jī)?nèi)容。

1 系統(tǒng)組成

如圖1所示，直流電站電力推進(jìn)系統(tǒng)由主發(fā)電機(jī)組整流后給直流母線供電，所有的整流裝置、變頻驅(qū)動(dòng)裝置及逆變電源裝置均集成到一個(gè)直流主配電板中，對(duì)外直接連接發(fā)電機(jī)、推進(jìn)電機(jī)及日用變壓器，系統(tǒng)較為簡(jiǎn)潔。由于全部設(shè)備共用直流母線，因此不需要配置龐大的整流變壓器，也不需要配置較大的制動(dòng)電阻。

雖然直流電站電力推進(jìn)系統(tǒng)主干電網(wǎng)采用直流電制，系統(tǒng)中主發(fā)電機(jī)組仍然為交流發(fā)電機(jī)組，推進(jìn)電機(jī)仍然為交流推進(jìn)電機(jī)，日用負(fù)荷依然為常規(guī)的交流負(fù)載，因此對(duì)系統(tǒng)外部設(shè)備影響較小。

2 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

由于相關(guān)新技術(shù)的應(yīng)用，除具備交流電力推進(jìn)系統(tǒng)的一般優(yōu)點(diǎn)外，直流電站電力推進(jìn)系統(tǒng)還具有其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，具體說明如下。

圖1 直流電站電力推進(jìn)系統(tǒng)單線圖

1）變速發(fā)電，節(jié)能減排

由于系統(tǒng)采用直流電網(wǎng)，發(fā)電機(jī)組可實(shí)現(xiàn)變速運(yùn)行。變速發(fā)電技術(shù)是直流電站電力推進(jìn)系統(tǒng)核心技術(shù)之一。采用直流電網(wǎng)后，發(fā)電機(jī)整流后對(duì)電網(wǎng)供電，發(fā)電機(jī)組可以在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)工作，因此可以采用變速發(fā)電方式，變速發(fā)電技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)發(fā)電機(jī)組負(fù)荷率較低時(shí)，降低發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速可以有效的降低機(jī)組的單位燃油消耗率，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。如圖1-2所示，分別給出了發(fā)電機(jī)組定速運(yùn)行和變速運(yùn)行時(shí)機(jī)組的燃油消耗率，當(dāng)機(jī)組的負(fù)荷率越低，節(jié)能效果越明顯。

圖2 發(fā)電機(jī)組定速運(yùn)行與變速運(yùn)行燃油消耗率

2）節(jié)省艙室空間，減小重量

直流電站電力推進(jìn)系統(tǒng)通過高度集成化設(shè)計(jì)，節(jié)省了原來交流電力推進(jìn)系統(tǒng)中的整流變壓器，同時(shí)將主配電板及變頻器等設(shè)備組合為一個(gè)整體，總體尺寸更為緊湊，有效的節(jié)省了艙容，減輕了重量，減少了設(shè)備數(shù)量，簡(jiǎn)化了艙室布置。

3）電站穩(wěn)定性更好

采用直流電站電力推進(jìn)系統(tǒng)后，動(dòng)力系統(tǒng)的主發(fā)電機(jī)組仍然為交流發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)組整流后給直流主電網(wǎng)供電，多臺(tái)發(fā)電機(jī)組可并聯(lián)運(yùn)行。由于發(fā)電機(jī)組整流后在直流電網(wǎng)側(cè)并聯(lián)，只需要對(duì)電壓進(jìn)行控制，對(duì)機(jī)組頻率的敏感程度下降，因此更容易實(shí)現(xiàn)機(jī)組的并聯(lián)運(yùn)行，機(jī)組并網(wǎng)快速性及運(yùn)行穩(wěn)定性更好，而且發(fā)電機(jī)組不會(huì)出現(xiàn)逆功狀態(tài)。直流電網(wǎng)的母聯(lián)斷路器采用IGBT開關(guān)，關(guān)斷速度更快，在系統(tǒng)保護(hù)上具有更大的優(yōu)勢(shì)，故障情況下電網(wǎng)的持續(xù)供電能力高于交流電力推進(jìn)系統(tǒng)。

4）日用負(fù)荷電源品質(zhì)更好

直流電站電力推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)日用負(fù)荷電制沒有特殊要求，日用負(fù)荷原來由主發(fā)電機(jī)組供電，現(xiàn)在改為由逆變電源供電，逆變電源將直流電網(wǎng)逆變成三相交流后供電，供電電源品質(zhì)更好，且不再受主發(fā)電機(jī)組諧波干擾。

5）有利于儲(chǔ)能系統(tǒng)及新能源應(yīng)用

系統(tǒng)可接入電池組等儲(chǔ)能裝置，構(gòu)成混合動(dòng)力系統(tǒng)，還可以接入光伏等新能源，進(jìn)一步節(jié)能減排，并實(shí)現(xiàn)低功耗情況下的靜音運(yùn)行。

3 關(guān)鍵技術(shù)

直流電站電力推進(jìn)系統(tǒng)主要關(guān)鍵技術(shù)如下：

3.1變速發(fā)電技術(shù)

直流電站電力推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)電機(jī)組采用變速發(fā)電技術(shù)。與定速發(fā)電不同的是，系統(tǒng)采用特殊設(shè)計(jì)的無刷同步發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)具有寬頻率和寬電壓穩(wěn)定工作的能力；采用可調(diào)速高轉(zhuǎn)速柴油機(jī)，變速發(fā)電技術(shù)通過調(diào)速器及調(diào)壓器的配合，根據(jù)機(jī)組的負(fù)荷率改變機(jī)組的轉(zhuǎn)速，使機(jī)組工作在最佳燃油消耗率，從而達(dá)到降低油耗，減少排放的目的。

變速發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下幾點(diǎn)：

1）功率分配

功率分配是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，達(dá)到節(jié)能減排的前提條件，功率分配將根據(jù)負(fù)載的實(shí)際情況來協(xié)調(diào)各機(jī)組的功率。

2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)是根據(jù)機(jī)組的實(shí)際功率，通過查表和差值的方法，來得到該功率下的最佳油耗點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速，通過控制調(diào)速器，使機(jī)組工作在最佳油耗點(diǎn)。

3）系統(tǒng)設(shè)計(jì)

變速發(fā)電中柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速是變化的，在不同轉(zhuǎn)速下機(jī)組的最大功率也是變化的，因此系統(tǒng)的一些參數(shù)和指標(biāo)要求與傳統(tǒng)的交流發(fā)電系統(tǒng)會(huì)有所不同，需要重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.2直流保護(hù)技術(shù)

系統(tǒng)采用同步發(fā)電機(jī)發(fā)電，發(fā)電機(jī)采用二極管整流后接入直流母線。直流保護(hù)系統(tǒng)由隔離開關(guān)、熔斷器及電力電子斷路器配合完成，直流母線之間的母聯(lián)采用電力電子斷路器。

電力電子斷路器是一種新型斷路器，利用全控型功率器件作為開關(guān)元件，結(jié)合高速檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)直流故障的快速隔離。與直流機(jī)械式斷路器相比，電力電子斷路器分?jǐn)嗨俣瓤欤s10～20 μs），其本質(zhì)是一種故障限流器。

這種方案的優(yōu)點(diǎn)是即使存在分布參數(shù)或熔斷器一致性的影響，甚至于后期由于某些設(shè)備損壞改變了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致分布參數(shù)變化較大，由于母聯(lián)電力電子斷路器的保護(hù)動(dòng)作特性是固定的，依然可以在任意單點(diǎn)短路時(shí)很好的保證全系統(tǒng)半舷正常工作，因此該方案的核心思想是無論出現(xiàn)何種單點(diǎn)故障，利用母聯(lián)電力電子斷路器快速分?jǐn)嘀辽俅_保全船半舷正常工作。

3.3日用負(fù)荷供電技術(shù)

由于直流電站電力推進(jìn)系統(tǒng)的主干電網(wǎng)為直流電網(wǎng)，為了給船舶日用負(fù)載供電，必須通過逆變電源將直流電逆變成三相交流電源給日用負(fù)載供電，因此大容量逆變電源是直流電站電力推進(jìn)系統(tǒng)必需的設(shè)備，逆變電源主電路一般采用三相IGBT逆變橋?qū)崿F(xiàn)，由于IGBT器件耐受沖擊電流能力不強(qiáng)，因此逆變電源的過載性能與發(fā)電機(jī)組相比具有差距，如果需要考慮到過載、短路、負(fù)載沖擊等因素，按照負(fù)荷要求確定逆變電源的容量。逆變電源系統(tǒng)用于船舶時(shí)，主要考慮了以下特殊要求：

1）適應(yīng)沖擊性負(fù)載的要求

船舶日用負(fù)荷中具有大量的異步電動(dòng)機(jī)等沖擊性負(fù)載，無論空載重載，這些負(fù)載直接啟動(dòng)電流較大，如果設(shè)計(jì)時(shí)不考慮啟動(dòng)沖擊電流的影響，會(huì)導(dǎo)致逆變電源過流保護(hù)或則電機(jī)無法啟動(dòng)。

2）適應(yīng)不平衡負(fù)載的要求

逆變電源可以適應(yīng)三相不平衡負(fù)載要求，適應(yīng)船舶運(yùn)行過程中電網(wǎng)的不平衡狀態(tài)。

3）適應(yīng)非線性負(fù)載要求

當(dāng)逆變電源負(fù)載中負(fù)載含有大量6脈變頻器裝置時(shí)，會(huì)導(dǎo)致功率單元發(fā)熱較大，輸出波形發(fā)生畸變，因此需要對(duì)6脈變頻器負(fù)載清單進(jìn)行校核。

4）與后端負(fù)載的選擇性保護(hù)協(xié)調(diào)要求

逆變電源相對(duì)于后端日用負(fù)載，其作用就是發(fā)電機(jī)組。當(dāng)后端日用負(fù)載支路短路故障時(shí)，逆變電源切換電壓/頻率控制模式到短路限流控制模式，并能夠提供最大的連續(xù)電流持續(xù)至少1s以上，保證后端日用負(fù)載支路斷路器跳閘隔離故障，一旦故障隔離，逆變電源切回電壓/頻率控制模式，恢復(fù)正常供電。

5）與停泊發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行，轉(zhuǎn)移負(fù)載要求逆變電源采用先進(jìn)的控制算法，可以與停泊發(fā)電機(jī)組長(zhǎng)期并聯(lián)穩(wěn)定運(yùn)行，還可以像普通發(fā)電機(jī)組之間那樣任意轉(zhuǎn)移負(fù)載。

6）逆變電源之間并聯(lián)要求

逆變電源有兩組，分別位于左、右舷，一用一備。逆變電源在控制特性上模擬了發(fā)電機(jī)的下垂特性，兩組逆變電源既可以獨(dú)立運(yùn)行，也可以長(zhǎng)期并聯(lián)運(yùn)行。

4 小結(jié)

直流電站電力推進(jìn)系統(tǒng)作為近幾年發(fā)展起來的綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)形式，與傳統(tǒng)的交流電力推進(jìn)系統(tǒng)相比，在降低全系統(tǒng)尺寸、重量，提高系統(tǒng)綜合能效，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，是未來電力推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)展的一種趨勢(shì)。

[1] 張義農(nóng),湯建華. 美英未來艦船綜合電力系統(tǒng)電制選擇分析[J]. 艦船科學(xué)術(shù), 2012,(04): 136-139.

[2] 王森,劉勇. 直流配電網(wǎng)及其在艦船區(qū)域配電的應(yīng)用[J]. 船電技術(shù), 2014, (11):77-80.

[3] 張鵬,石媛.基于直流電網(wǎng)的船舶電力系統(tǒng)仿真研究[J]. 船電技術(shù), 2016,(09): 53-56.

[4] T. V. Vu, S. Paran, T. E. Mezyani and C. S. Edrington. Real-time distributed power optimization in the DC microgrids of shipboard power systems[C].2015 IEEE Electric Ship Technologies Symposium (ESTS), 2015: 118-122.

[5] Z. Jin, G. Sulligoi, R. Vasquez and J. M. Guerrero. Next-Generation Shipboard DC Power System: Introduction Smart Grid and dc Microgrid Technologies into Maritime Electrical Netowrks[J]. IEEE Electrification Magazine, 2016: 45-57.

Electric Propulsion System at DC Power Station Based on Variable Speed Generation

Pan Xiuying1, Cai Ruimou2, Gong Bo3, Zou Ning1

(1.Dalian Institute of Measurement and Control Technology, Dalian 116013, Liaoning, China; 2. Guangzhou Shipyard International Company Limited, Guangzhou 511462, China; 3. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM611

A

1003-4862（2018）05-0053-03

2018-03-15

潘修穎（1964-），男，工程師。研究方向：船舶駕駛，艙面技術(shù)指揮。