珠海太平洋粤新海洋工程有限公司 珠海 519175
摘要：本文概要的介绍了船载直流电网是一种高能效的配电，自动化电力推进系统，能显著降低能源消耗和排放达20%，减少船载电力设备所需要空间达30%，传统的电推船需要使用多个交流支路从主交流电网向推进变频器输送电能，占了超过80%的全部电网能量。而船载直流电网是通过单条直流电路配电，从而优化推进，实现大幅节能，这种船载直流电网系统是未来绿色船舶发展方向。
关键词：船载直流电网；能源消耗低排放；节省空间；节能环保
1 前言
不同于传统的电力推进系统，船载直流电网的直流连接和输配电，大大节省船舶电能消耗并且优化推进性能。在船载直流电网运用中，随着发电机组不再以固定转速运行，原动机转速即可根据工作状况不同而调整到最佳能源消耗点运行，这一点特别有利于近海船舶在动态定位模式中的运行，因为此时对于电力的平均需求较低。同时，相对于传统电力推进系统，船载直流电网的运用可以省去配电变压器和主配电板，从而减少船上设备总重量以及安装空间达30%左右，能够为货轮和大型油轮等船舶提供更多的储货空间，扩大工作区域，更灵活的配置安装船舶系统设备，不仅如此，船载直流电网还能实现直流能源的接入，如太阳能板，燃料电池和电池直接连接船用直流电力系统中，从而实现更大的能源节省。
2 配电和配置
传统的电力推进系统中，变频驱动器通常占到装机功率的80%以上。最基本的船载直流电网概念就是改造的分布式多驱动系统，其中省去了分布式整流器（如图1）。
图1a 配备船载直流电网的平台供应船.png)
图1b 通用电力推进系统的交直流转换平台供应船.png)
新系统将船舶各处不同的直流环节合并，并凭借单个1000V的直流电路配电，从而省去了交流主配电盘、分布式整流器和换流变压器（如图2）。所有产生的电力直接馈入或通过整流器连接到将电能分配给船上用电设备的公共直流汇流排。
图2 通用电力推进系统的交直流转换.png)
每个主要用电设备然后由单独的逆变装置馈电，如果仍需要交流配电网，例如230 V的生活起居负载，如照明、空调、电脑、净水器、无线电等，则使用开发的孤岛变流器为这些较敏感的电路馈送清洁电源，直流电网还可添加以蓄电池形式储能的辅助变流器或平滑电源波动的超级电容。
船载直流电网有几种不同的配置形式。在集中式方案中，变流器模块在原本交流主配电盘占据的相同空间内排成一列或多列（如图3）。
在分散式方案中，变流器的放置则完全取决于船舶运行或设计（图4）。交流发电机既可集成整流器，也可采用安装在机柜内的独立整流器，得益于新型保护方案，明令规定安装在主配电间的组件体积大大减小，这为船舶设计师在围绕船舶功能设计电力系统时提供了更大的自由度，从而提升了船舶的功能和价值。
图3 多驱动方案船载船载直流电网.png)
图4 分散式方案船载直流电网.png)
3 保护和安全
由于新设计省去了交流主配电盘、交流断路器和保护继电器，因此亟需一种新的保护原理以满足有关选择性和设备保护的监管要求，船载直流电网可通过结合熔断器、隔离开关和可关断半导体功率器件来实现适当的保护，由于所有产能组件都带有可控开关装置，与采用传统断路器及相关保护继电器相比，故障电流分断要快得多。
一旦某个模块发生严重故障，熔断器就会起到保护和隔离逆变模块的作用，类似于当前的低压变频器。此外，输入电路将逆变模块与主直流母线隔开，并在故障或正常情况下全面控制反馈电能（如螺旋桨制动模式），这意味着单个用电设备上的故障不会干扰主直流配电系统上的其它用电设备，在分散式直流母线发生严重故障的情况下，发电机可控硅整流器既可以用来保护系统，同时也可用作发电机的保护装置，每个电路支路内都装有隔离开关，以便将故障段和健康系统自动隔离。
4 高效利用燃料
直流电网概念运用的交流发电机和电动机虽然很成熟，但效率却更高，这是因为系统不再锁定于某个特定的频率（船上通常为60 Hz），甚至在使用任何60Hz电源的情况下，每个用电设备的任意独立控制为油耗优化开辟了多种道路。
当船用内燃机恒速运行时油耗在非常小的运行窗口内最低，通常在约85%的额定负载下，引入轮机变速运行后，最佳效率窗口根据轮机情况可向下扩展5%（图5），如果轮机在低于此负载下运行，其效率明显高于传统定速型号，最终结果表明一般近海补给船可省油高达20%（图6）。
图5 变速轮机油耗测试（色谱表示特定燃油油耗8FOC），单位g/KWh）.png)
图6 变速轮机油耗测试（色谱表示特定燃油油耗SFOC），单位g/KWh）.png)
5 系统的主要优点
由于省去了传统交流系统以往所需的笨重换流变压器和主配电盘，船载直流电网还减小了所用电气设备的占地空间，此外，该系统还可有利于将太阳能面板、燃料电池或蓄电池等辅助直流能源简单集成到船舶直流电力系统中，为进一步节省燃油创造可能。
船载直流电网的优势主要表现如下：
-更灵活的电气组件布置实现功能更丰富的船舶布置；
-运行效率更高，减少轮机维护；
-提高动态响应性和机动性；
-电气设备占地更少，布置更灵活，增加有效载荷空间；
-系统平台可实现多种‘即插即用’改造以适应未来能源类型；
-省油多达20%；
-重量下降了25%。
6 运用
船载直流电网可广泛运用于配有低压船载电力系统的船舶，如海洋工程船、拖船、渡轮和游艇。
6.1 动态定位船
抛起锚船和近海支持船功耗可变，非常适合采用船载直流电网系统，该新概念有助于解决动力定位（DP）操作中所面临的传统燃油效率的挑战，出于冗余考虑，动力定位船经常需要数台柴油机并联运行，这意味着所连接的柴油机大多数情况下运行在相对较低的负载下，使得燃油效率明显低于在最佳负载下的情况下，后者通常为额定负载的85%到90%。
动力定位是指使用螺旋桨（侧推或主推或兼而有之）来停留在给定位置（+/-数米）和前进（降低风力、洋流和海浪对船体的影响），它有时用于靠近钻井船的工作指令，或在装置（如钻井船或平台）附近执行如装货/卸货等操作，在恶劣DP操作中，例如极端天气或失去推进动力可能造成船舶、其它设施严重损坏或人员重伤的重要操作，电站被分成至少两个独立的分节，提高电力系统的冗余度，
6.2 游艇
游艇在前一天可能是以最快速度驶向一个新港口准备迎接游客，而第二天却平稳地航行着，因为船上有聚会，无论是怎样的推进需求，船载直流电网都可帮助提供最佳效率和舒适性，并减少对宝贵空间的占用。
6.3 渡轮
一些渡轮运载火车，还有一些运载轿车、卡车或乘客。所有渡轮的共同点是它们运行于两个或多个码头之间的预定航线上，大多数码头位于人口稠密地区，甚至在城市的中间，这些船舶的醒目及其对大众生活质量的直接影响加强了渡轮的船东和经营者对环境排放问题的认知和关注，某些新技术，如液化天然气（LNG）轮机正引入渡轮，船载直流电网特别适用于将LNG电站与推进集成在一起，因为它可使轮机运行在更稳定的负载下以提高效率并减少甲烷逸出，船载直流电网可轻松兼容蓄电池等储能设备，作为内燃机的补充，甚至在码头充足电时可作为唯一电源。
7 结束语
由于船载直流电网系统的机动性好、经济性高，为电气设备布置提供更大的空间，实现功能更丰富的船舶布局，增加有效载荷的空间，运行效率更高，减少轮机维护，更重要的是随着燃油价格不断的上涨和新环境保护法规的出台，如何进一步减少燃油消耗及废气排放将是船舶设计需要考虑的重点，新技术的发展和运用为减少燃油消耗及废气排放提供了条件，在不久的将来，船舶将迎来船载直流电网新时代，此类船舶未来必将得到船东和运营商的青睐。
参考文献：
[1]Hansen，J.F.，Lindtjørn，J.O.，Vanska，K.（2011年10月），《使用船载直流电网增强船舶定位操作》。
论文作者:吴毓云
论文发表刊物:《基层建设》2016年14期
论文发表时间:2016/11/1
标签：电网论文; 船舶论文; 系统论文; 轮机论文; 渡轮论文; 燃油论文; 整流器论文; 《基层建设》2016年14期论文;