交直流組網(wǎng)技術(shù)電力推進(jìn)系統(tǒng)的對比研究

姜 江

交直流組網(wǎng)技術(shù)電力推進(jìn)系統(tǒng)的對比研究

姜 江

（江蘇科技大學(xué)海洋裝備研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

電力推進(jìn)系統(tǒng)相對傳統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)具有顯著優(yōu)勢，成為現(xiàn)階段船舶動力技術(shù)發(fā)展的主流方向。電力推進(jìn)系統(tǒng)當(dāng)前正從早期的傳統(tǒng)交流組網(wǎng)技術(shù)逐步向最新的直流組網(wǎng)技術(shù)發(fā)展。本文對交流組網(wǎng)及直流組網(wǎng)這兩種電力推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，簡述了這兩種系統(tǒng)各自的組成和技術(shù)特點，隨后通過對這兩種系統(tǒng)在設(shè)備組成成本、重量體積、能耗、兼容性、技術(shù)難點等多方面的分析對比研究，得出了直流組網(wǎng)技術(shù)在能耗、性能、兼容性等多方面具有顯著優(yōu)勢的結(jié)論，進(jìn)而論證了直流組網(wǎng)技術(shù)憑借其先進(jìn)性將成為未來船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)展的方向。

交流組網(wǎng)；直流組網(wǎng)；電力推進(jìn)；對比研究

0 引言

隨著電子信息工程、船舶動力系統(tǒng)、新能源技術(shù)和智能控制技術(shù)的日益發(fā)展，船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)憑借高能效、低噪音、節(jié)能環(huán)保、維護(hù)便利等多方便的優(yōu)勢，逐漸提高了在船舶動力裝置中的占有率。船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用，優(yōu)化了船舶空間利用率和能量效率，完成了發(fā)供電、動力系統(tǒng)用電、日常設(shè)備用電的統(tǒng)一管理和一體化控制，已成為目前船舶動力發(fā)展的主要趨勢和未來發(fā)展的主流方向。

在電力推進(jìn)船舶的發(fā)展進(jìn)程中，交流組網(wǎng)電力推進(jìn)系統(tǒng)以其成熟的技術(shù)、簡單方便的開發(fā)環(huán)境、較為低廉的成本等優(yōu)勢，成為早期電力推進(jìn)船舶的主流方案。隨著對節(jié)能環(huán)保及高性能船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的要求不斷提高，新一代以直流組網(wǎng)為特征的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)已經(jīng)開始嶄露頭角，憑借節(jié)能環(huán)保、空間利用率高、兼容性好等多方面優(yōu)勢，將逐漸成為電力推進(jìn)行業(yè)發(fā)展的新焦點。

1 交流組網(wǎng)電力推進(jìn)系統(tǒng)

交流組網(wǎng)電力推進(jìn)系統(tǒng)由交流發(fā)電機(jī)、交流配電板、變壓器、變頻器以及推進(jìn)電機(jī)組成（見圖1）。系統(tǒng)通過交流發(fā)電機(jī)組，發(fā)出的固定電壓頻率的交流電通過交流配電板進(jìn)行交流組網(wǎng)，日用負(fù)載由交流電網(wǎng)經(jīng)變壓器降壓后直接取電，推進(jìn)負(fù)載則由交流電網(wǎng)經(jīng)過交-直-交的變頻器轉(zhuǎn)變?yōu)榭勺冾l率，并輸出相應(yīng)頻率的交流電驅(qū)動推進(jìn)電動機(jī)，推進(jìn)電機(jī)在匹配的轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)，帶動船舶推進(jìn)器推動船舶航行。

圖1 交流組網(wǎng)電力推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

和由柴油機(jī)、齒輪箱、軸系組成的傳統(tǒng)驅(qū)動方式相比，交流組網(wǎng)電力推進(jìn)系統(tǒng)減少了軸系占用空間，且快速響應(yīng)的特性提升了推進(jìn)系統(tǒng)操作的便利性。然而因為發(fā)電機(jī)組輸出的是固定頻率電壓的交流電，在船用負(fù)載功率改變時，只有利用交流發(fā)電機(jī)組在交流電網(wǎng)上的增減操作來應(yīng)對。這種非線性的功率變化，導(dǎo)致柴油機(jī)無法工作在最佳效率區(qū)間，低能效高能耗的運行經(jīng)濟(jì)性較差。另外，交流組網(wǎng)電力推進(jìn)系統(tǒng)的配電系統(tǒng)中，電源側(cè)和負(fù)載側(cè)的控制單獨運作不統(tǒng)一，存在電源側(cè)發(fā)電機(jī)組控制與負(fù)載側(cè)推進(jìn)電機(jī)控制的相互割裂、系統(tǒng)的集成性低、設(shè)備繁雜占用空間大、系統(tǒng)穩(wěn)定性差等缺點。

2 直流組網(wǎng)電力推進(jìn)系統(tǒng)

圖2為直流組網(wǎng)電力推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，和交流組網(wǎng)電力推進(jìn)系統(tǒng)相比，原推進(jìn)負(fù)載的交-直-交變頻器進(jìn)行拆分，交流發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電經(jīng)過整流單元，直接轉(zhuǎn)換成直流電接入直流電網(wǎng)，直流電網(wǎng)再利用逆變器直接輸送交流電給船舶上推進(jìn)電機(jī)以及日用負(fù)載供電，這種型式可以將交流控制系統(tǒng)中的供電系統(tǒng)、變頻裝置、控制系統(tǒng)整合，從而使各種裝置的組網(wǎng)側(cè)由原來的發(fā)電機(jī)交流端遷移至直流端。

直流組網(wǎng)方式，電網(wǎng)上是直流電，但發(fā)電機(jī)組仍采用常用的交流發(fā)電機(jī)組，發(fā)出的交流電并不會直接連接輸出，而是經(jīng)整流器，將交流電轉(zhuǎn)換為直流電輸出，從而組成直流電網(wǎng)。采用這種方式，直流組網(wǎng)電力推進(jìn)系統(tǒng)將不再受到交流發(fā)電機(jī)組的輸出的電壓和頻率影響，全部經(jīng)過整流器轉(zhuǎn)換成直流電壓，發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速不需要做出調(diào)整，而通過整流器來實現(xiàn)系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)和變換。利用這一特性，任一發(fā)電機(jī)組均可在理論上實現(xiàn)轉(zhuǎn)速不同步情況下的協(xié)同運行，提高了整個系統(tǒng)的機(jī)動性。

圖2 直流組網(wǎng)電力推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

發(fā)電機(jī)組會將直流母線上的直流電通過逆變器轉(zhuǎn)變成交流電，然后輸出給日用負(fù)載，而不直接給船上日用負(fù)載供電。逆變器使用了正弦波濾波器，產(chǎn)生的交流電源質(zhì)量比常規(guī)交流發(fā)電機(jī)直接輸出的更加純凈，諧波污染相對更少，并且因諧波已經(jīng)被直流母線所隔離，沒有發(fā)電機(jī)組諧波的危害。

3 交直流組網(wǎng)技術(shù)電力推進(jìn)系統(tǒng)對比

對比交流組網(wǎng)和直流組網(wǎng)系統(tǒng)圖，直流組網(wǎng)在逆變器數(shù)量上相比交流組網(wǎng)有所增加，但相應(yīng)省去了主配電板和推進(jìn)變壓器，系統(tǒng)設(shè)備的減少更有利于設(shè)備布局，降低施工難度，總體來說直流組網(wǎng)系統(tǒng)方案的初始投入成本與交流組網(wǎng)系統(tǒng)相差不大。

3.1 直流組網(wǎng)相比交流組網(wǎng)電力推進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)勢

在成本相差不大的情況下，直流組網(wǎng)系統(tǒng)對比交流組網(wǎng)系統(tǒng)，在性能上具有顯著的優(yōu)勢：

1）節(jié)能減排、降低油耗

直流組網(wǎng)支持柴油機(jī)組變速運行，交流電源單獨提供，頻率無需和柴油機(jī)組轉(zhuǎn)速同步。這種型式能夠有效降低燃油消耗、減少排放，提升了整個推進(jìn)系統(tǒng)的能效；同時還能夠降低發(fā)電機(jī)組的噪音振動，延長使用壽命，降低維護(hù)成本。和常規(guī)交流組網(wǎng)電力推進(jìn)技術(shù)相比，直流組網(wǎng)技術(shù)預(yù)計可提高15%左右效率。

2）節(jié)約空間、減輕重量

直流組網(wǎng)通過母線連接電力系統(tǒng)，日用電源和變頻器有效分開，可以省去變壓器；發(fā)電機(jī)組的功率分配和并車由變頻器完成，開關(guān)包含在直流組網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)，又可省去主配電板。因此，整個系統(tǒng)的體積和重量都有所減少，集成度得到了很大提升。同時，設(shè)備數(shù)量的精簡也從一定程度減少了設(shè)備之間的連接點，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度，電纜用量及相關(guān)工程量和施工難度也相應(yīng)減少。相對于傳統(tǒng)的交流系統(tǒng)組網(wǎng)方案，預(yù)計體積和重量可減少30%左右，電纜數(shù)量可減少10%左右。

3）兼容性高、拓展性好

直流組網(wǎng)對于新能源技術(shù)具有極好的兼容性。隨著新能源技術(shù)的發(fā)展，電池、超級電容、光伏太陽能、風(fēng)能等新能源越來越多的應(yīng)用到船舶上，接入到船舶電力系統(tǒng)中。這些新能源儲能設(shè)備一般都是以直流型式接入，和交流組網(wǎng)系統(tǒng)相比，新能源設(shè)備接入直流組網(wǎng)系統(tǒng)更簡單更方便，兼容性更好。

新能源儲能設(shè)備中鋰電池儲能的應(yīng)用最為廣泛，以鋰電池儲能為例，接入交流組網(wǎng)系統(tǒng)需要變壓器、濾波器、逆變器等設(shè)備，而對于直流組網(wǎng)系統(tǒng)，利用直流變頻配電系統(tǒng)中集成的直流斬波器即可直接接入直流電網(wǎng)，接口簡單易于控制，有利于多種新能源的復(fù)合利用，進(jìn)一步提高船舶運行經(jīng)濟(jì)性。

3.2 直流組網(wǎng)相比交流組網(wǎng)電力推進(jìn)系統(tǒng)的難點

采用直流組網(wǎng)的電力推進(jìn)方案相比交流組網(wǎng)方案發(fā)展時間短，同樣也存在一定技術(shù)難點有待解決，主要體現(xiàn)在系統(tǒng)選擇性保護(hù)困難，技術(shù)成熟度有待提高。

和交流組網(wǎng)技術(shù)相比，直流組網(wǎng)技術(shù)設(shè)備選型困難，成本高昂，特別是直流斷路器的選擇是目前直流組網(wǎng)技術(shù)的難點。傳統(tǒng)的機(jī)械式交流斷路器的設(shè)計相對比較簡單，通過交流電流自然過零時熄滅電弧而分?jǐn)?，分?jǐn)鄷r間一般會達(dá)到幾十毫秒，難以實現(xiàn)選擇性保護(hù)，而新型電子式直流斷路器選擇范圍小、價格相對常規(guī)斷路器較高，因此直流開關(guān)方案的合理選擇是目前直流組網(wǎng)技術(shù)的一大難點。

發(fā)電機(jī)組能夠工作在不同的轉(zhuǎn)速是直流組網(wǎng)電推系統(tǒng)的最大特點，但這種變轉(zhuǎn)速運行方式控制難度很大，對控制系統(tǒng)的要求很高，柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)要能夠協(xié)調(diào)一致保持同步控制。因控制系統(tǒng)各不相同，其系統(tǒng)特性和反饋時間也無法統(tǒng)一，控制系統(tǒng)的設(shè)計如果不合理，極易引起系統(tǒng)運行不穩(wěn)定甚至有崩潰的風(fēng)險。而且因機(jī)組工作時轉(zhuǎn)速變化范圍較大 (額定轉(zhuǎn)速60%～100%區(qū)間)，出現(xiàn)共振點的可能性相比交流組網(wǎng)定轉(zhuǎn)速機(jī)組更大，對機(jī)組減震降噪系統(tǒng)的設(shè)計以及安裝精度都有更高的要求。

4 結(jié)語

通過對交流組網(wǎng)和直流組網(wǎng)電力推進(jìn)系統(tǒng)方案的對比分析，直流組網(wǎng)電力推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)憑借節(jié)能環(huán)保、系統(tǒng)集成性高、兼容性好等諸多方面的優(yōu)勢，勢必將成為船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢。尤其在新能源船舶領(lǐng)域，未來隨著科技的發(fā)展和不斷進(jìn)步，電池、太陽能、風(fēng)能等新能源將逐步代替部分傳統(tǒng)石化能源，更多的應(yīng)用于船舶動力系統(tǒng)上，實現(xiàn)船舶的綠色化、智能化，屆時直流組網(wǎng)技術(shù)將會得到更廣泛應(yīng)用，擁有更廣闊的市場前景。

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Comparative study on ac/dc power grid technology electric propulsion system

Jiang Jiang

( Jiangsu University of Science and Technology Marine Equipment and Technology Institute, Zhenjiang 212000, jiangsu, China)

U665.1

A

1003-4862（2024）03-0074-03

2023-10-12

姜江（1983-），男，碩士，工程師，研究方向：船舶電氣設(shè)計及研究。E-mail：jiangjiang1218@163.com