海洋工程船舶綜合電力推進系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究

鄭福光

摘 要：近年來，隨著社會經(jīng)濟以及現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，以綜合電力推進技術(shù)為技術(shù)指導(dǎo)的海洋工程船舶成為了現(xiàn)代社會船舶的主流趨勢，實現(xiàn)了船舶動力綜合發(fā)展系統(tǒng)的“革命性”變革，由此推進了中高壓電力系統(tǒng)和區(qū)域直流配電系統(tǒng)在海洋工程船舶上的廣泛應(yīng)用。本文基于我國現(xiàn)有的IEC相關(guān)標準以及船舶發(fā)展規(guī)范，闡述了船舶綜合電力推進特點與優(yōu)勢，分析了國內(nèi)外發(fā)展狀況，并對海洋工程船舶綜合電力推進系統(tǒng)中的區(qū)域直流配電技術(shù)、中性點接地技術(shù)、諧波抑制、系統(tǒng)保護技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)進行詳細探究，為后續(xù)綜合電力推進系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：海洋工程；綜合電力推進系統(tǒng)；技術(shù)研究

中圖分類號：U664.14 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）29-0012-02

當前，隨著我國綜合電力推進技術(shù)的發(fā)展和進步，促進了大容量電力電子元件的快速發(fā)展，革新了傳統(tǒng)船舶動力系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，通過深入研究船舶綜合電力推進技術(shù)發(fā)展思路，結(jié)合當前船舶工業(yè)的現(xiàn)狀和市場發(fā)展需求，提出了船舶綜合電力推進技術(shù)發(fā)展的新思路。綜合電力推進技術(shù)是將船舶動力系統(tǒng)與輔機電站系統(tǒng)進行有機結(jié)合，實現(xiàn)能源的最大化利用，提高船舶操作的靈活性，體現(xiàn)了海洋工程船舶推進裝置的動力定位功能。

1 船舶綜合電力推進特點與優(yōu)勢

海洋工程的船舶動力系統(tǒng)由原動機與推進系統(tǒng)進行有機結(jié)構(gòu)構(gòu)造而成的，其中，原動機是動力系統(tǒng)的動力來源，推進系統(tǒng)是實現(xiàn)船舶高效運作的的高效機動。

當前，我國海洋工程的推進系統(tǒng)主要有機械式直接推進和電力推進兩類，其中，電力推進又分為傳統(tǒng)電力推進和綜合電力推進兩種推進技術(shù)。

綜合電力推進系統(tǒng)普遍采用中高壓交流電制，提升了系統(tǒng)的功率大幅度上升與響應(yīng)速度，提高了電機轉(zhuǎn)矩密度和發(fā)電機功率密度，廣泛應(yīng)用于高技術(shù)船舶運作。

1.1 綜合電力推進的基本特點

綜合電力推進系統(tǒng)的主要特點如下：

第一，綜合電力推進系統(tǒng)的復(fù)雜程度較高，具有較強的集成性；

第二，綜合電力推進系統(tǒng)是典型的高新技術(shù)產(chǎn)品；電壓等級與功率密度較高、容量較大；

第三，綜合電力推進系統(tǒng)具有優(yōu)良的可操控性和隱身性，是水面艦艇動力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

1.2 綜合電力推進的優(yōu)勢

與傳統(tǒng)電力推進系統(tǒng)相比，綜合電力推進具有如下優(yōu)勢：

其一，具有更好的綜合性、經(jīng)濟性、科學(xué)性，降低了綜合運行費用的同時，減少了污染排放量；

其二，具有更高的可靠性；

其三，具有更舒適的艙室環(huán)境，大幅度提高航行舒適度；

其四，具有更大的有效艙容以及更強的操縱性能。

2 國內(nèi)外船舶綜合電力推進技術(shù)發(fā)展狀況

2.1 國外船舶綜合電力推進技術(shù)發(fā)展狀況

俄國科學(xué)家雅柯賓通過直流電機和蓄電池的相關(guān)試驗，首次 提出了“電力推進 ”的概念，至今已有一百多年的歷史，其發(fā)展歷程可分為以下三個階段：

第一階段為1908—1945年的傳統(tǒng)電力推進早期應(yīng)用階段，第一艘以直流電力推進作為主動力的消防船，開創(chuàng)了船舶電力推進技術(shù)應(yīng)用的先河；

第二階段為1945年—1980年的傳統(tǒng)電力推進特殊應(yīng)用階段，受電工技術(shù)發(fā)展條件的制約，傳統(tǒng)的低壓直流電力力推進系統(tǒng)存在一定的不足，但在潛艇和特種工程船等仍然發(fā)揮重要作用；

第三階段為1980年至今的綜合電力推進快速發(fā)展階段，隨著我國電子技術(shù)的不斷發(fā)展，船舶綜合電力推進技術(shù)取得突破性進展。

2.2 我國船舶綜合電力推進技術(shù)發(fā)展狀況

二十世紀的數(shù)十年來，我國的船舶配套技術(shù)發(fā)展緩慢，幾乎處于停滯狀態(tài)。進入二十一世紀后，在市場需求的牽引下，我國逐漸關(guān)注于船舶行業(yè)對綜合電力推進技術(shù)的發(fā)展，但尚不具備自主研發(fā)能力，推進系統(tǒng)大多是從國外引進，換言之，我國當下的電力推進系統(tǒng)還不完善。

3 海洋工程船舶推進電動機基本要求

推進電動機作為當下海洋工程船舶的重要推進動力，與傳統(tǒng)電機相比，它不僅要考慮船舶的使用環(huán)境，同時還要考慮艙室內(nèi)的布置等要求，換言之，船舶推進電動機的基本要求是高轉(zhuǎn)矩密度、低振動噪聲、高可靠性。

4 綜合電力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)探析

4.1 中性點接地技術(shù)

當前，我國海洋工程船舶中對高壓供電網(wǎng)絡(luò)中性點接地處理方式的選擇是一個較為綜合的問題，通過系統(tǒng)分析可知，與傳統(tǒng)低壓電力系統(tǒng)相比，中高壓電力系統(tǒng)首要需要考慮的就是絕緣問題。目前，在我國海洋工程船舶中，中高壓電力系統(tǒng)電壓等級較高，當發(fā)生單相接地故障時，電弧不僅不能自我熄滅，同時還進一步擴大了故障的影響力，產(chǎn)生重大的安全事故。因此，在進行船舶中高壓電力系統(tǒng)設(shè)計時，設(shè)計人員要重點考慮電容電流問題。

當前，我國海洋工程船舶綜合電力系統(tǒng)推進中，對中性點接地的處理方式主要包括：中性點不接地、經(jīng)消弧線圈接地等，同時還應(yīng)該考慮電流、成本、安裝技術(shù)等方面的影響。

近年來，隨著我國科技的不斷發(fā)展，海洋工程船舶大多使用經(jīng)高阻接地的接地方式，這種方式可以保障在發(fā)生接地故障時，所產(chǎn)生的電壓和電流都是零序的，起到了保護裝置和限制故障電流為目的。

總而言之，高電阻接地在設(shè)計上滿足通過高阻接地裝置的電流等于或稍大于系統(tǒng)的電容電流的設(shè)計原則，所以可以得知，在進行中性點接地技術(shù)，如何確定系統(tǒng)的電容電流是確定接地電阻的關(guān)鍵。

除此之外，同步發(fā)電機是海洋工程船舶電力系統(tǒng)最重要的設(shè)備之一，因此設(shè)計人員應(yīng)該從發(fā)電機的安全性角度出發(fā)，確定高阻接地阻值。

4.2 系統(tǒng)保護技術(shù)

相對于傳統(tǒng)的低壓電力系統(tǒng)，海洋工程中的船舶中高壓電力系統(tǒng)在系統(tǒng)保護方面做了較大的調(diào)整，除了常規(guī)的保護外，中高壓電力系統(tǒng)還要考慮中性點接地方式、接地保障的監(jiān)測與保護以及差動保護等保護技術(shù)。海洋工程船舶綜合電力推進系統(tǒng)大多采用多電站并聯(lián)的運行方式，與低壓電力系統(tǒng)通過空氣斷路器本身保護不同，中高壓電力系統(tǒng)是通過采用數(shù)字式綜合繼電保護裝置和真空斷路器來完成保護工作的，而我國海洋工程船舶電氣綜合推進系統(tǒng)保護技術(shù)又分為如下兩類：

①縱聯(lián)差動保護。

根據(jù)我國有關(guān)IEC標準和船級社規(guī)范，當發(fā)電機的容量超過一定數(shù)值后，在其內(nèi)部應(yīng)用大量的大容量發(fā)電機組和變壓器，設(shè)置短路故障保護。

②零序保護。

對于海洋工程船舶中高壓電力系統(tǒng)來說，除了某些特定的船舶外，大多的綜合電力推進系統(tǒng)采用中性點接地處理方式，這樣就可以確保在發(fā)生故障時，系統(tǒng)中會產(chǎn)生較大的零序電流和零序電壓，從而保障相關(guān)設(shè)備。

4.3 諧波抑制技術(shù)

當前，我國的電力綜合推進系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用于海洋工程船舶上，但也由此帶來大量的諧波問題，對電力系統(tǒng)的運行造成一定的危害，污染電網(wǎng)波，影響各種用電設(shè)備的正常工作。

因此，企業(yè)應(yīng)該必須針對當下電力推進系統(tǒng)中的諧波問題通過采取有效的措施，進行及時的治理，避免電網(wǎng)因諧波問題而造成不無可挽回的嚴重后果。目前，針對諧波問題，國內(nèi)外普遍采用THD指標來對電網(wǎng)中的電能質(zhì)量進行客觀系統(tǒng)地分析與評價，并對其進行了規(guī)范標準。

近年來，隨著我國科技的不斷進步，變頻器抑制諧波的方法主要有補償性和預(yù)防型兩種。前者主要指的是在諧波處加濾波器，而濾波器又分為無源濾波和有源濾波器。后者主要指的是從電力系統(tǒng)的本身出發(fā)，經(jīng)過相關(guān)數(shù)據(jù)試驗，設(shè)計出不會產(chǎn)生諧波的交流器。

4.4 區(qū)域直流配電技術(shù)

在海洋工程船舶運作過程中，除了考慮推進器等變頻驅(qū)動外，還應(yīng)該考慮多方位的變頻驅(qū)動設(shè)備，即通常包括變壓器、逆變器、直流母線、逆變器、斬波電路和負載設(shè)備等。中壓配電板的工作原理為：通過聯(lián)絡(luò)電纜向區(qū)域直流配電中心輸送電能，則該區(qū)域中心不僅主要負責(zé)電能變換和分配，同時還反映了如海洋工程船舶起重和錨絞車等多臺大功率集中設(shè)備的變頻電機分布的情況，從而實現(xiàn)實現(xiàn)多臺電機的饋電共享和循環(huán)利用，緩解當下我國資源短缺的現(xiàn)狀以及傳統(tǒng)變頻控制裝置的弊端，優(yōu)化系統(tǒng)構(gòu)架的同時，減少了點擊作業(yè)時穿插電纜和變頻設(shè)備的數(shù)量，降低了系統(tǒng)的濾波復(fù)雜程度，提高了系統(tǒng)的生命力等特點。

在船舶的起重、鋪管等過程中，電動機狀態(tài)的轉(zhuǎn)變會產(chǎn)生大量的再生電能，三相交流電動勢被三相全控橋整流，從而反饋到直流配電板上，促使區(qū)域直流配電板電壓持續(xù)升高。在一定程度上雖然會促進直流交配技術(shù)的發(fā)展，但從長遠來看，倘若直流配電板電壓超過荷載范圍，則會對區(qū)域直流配電系統(tǒng)和變頻器產(chǎn)生危害。帶來嚴重的安全隱患。

除此之外，當區(qū)域直流配電的放電電流約為電動機額定電流的一半時，為了確保變頻器不受損壞，流過制動電阻的電流應(yīng)該為額定電流，其電阻值應(yīng)為制動電阻的最小值。

5 結(jié) 語

綜上所述，本文主要基于我國現(xiàn)有的IEC相關(guān)標準以及船舶發(fā)展規(guī)范，闡述了船舶綜合電力推進特點與優(yōu)勢，分析了國內(nèi)外發(fā)展狀況，并對海洋工程船舶綜合電力推進系統(tǒng)中的區(qū)域直流配電技術(shù)、中性點接地技術(shù)、諧波抑制、系統(tǒng)保護技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)進行詳細探究，為后續(xù)綜合電力推進系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。

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