（中船澄西船舶修造有限公司 江苏江阴 214400）
摘要：为了提升船舶电力系统的稳定性、可靠性、经济性以及灵活性，在我司建造的18600DWT化学品船上，引入了以变频技术为基础的交直流混合电力系统的设计方案，并对电力系统的配置、谐波抑制及直流短路电流进行了研究，总结了交直流混合电力系统应用过程中存在的问题，同时为其他类似系统的应用提供参考。
关键词：变频；短路电流；交直流；谐波
0引言
船舶技术不断发展，船舶电力电子系统也变得复杂多变，越来越多的电力电子器件被应用于船舶中，同时也为保证船舶电力系统的稳定性提出了更高的要求[1]。特别是引入公共直流母线技术，将多传动货油泵、大功率侧推等变频设备采用直流电源输入，简化了变频整流模块数量，形成了交流和直流混合配电的电力系统。但随之而来的是变频技术同样会带来谐波污染的问题。同时，采用直流配电系统其直流短路电流计算比交流系统更复杂，由于应用少，很多都处于理论计算范畴。本文将通过我司建造的18600DWT化学品船项目，来介绍交直流混合电力系统的配置与运行设计、谐波估算与抑制以及短路电流计算分析等系统设计。
1系统配置与运行设计
本船的主电站由4台相同功率的柴油发电机组和1台轴带发电机组成，柴发为MAN公司6L16/24型柴油机，其额定功率为660kW（发电功率625kW），额定转速为1200r/min。轴带发电机为芬兰Wetech公司PMM1000M永磁同步发电机，其系统额定功率为1360kW.电网端功率为1300kW。
整个交直流电力系统以模块化、功能化的单元形式集成，主机主要辅助设备如变频海水泵、变频淡水泵等主要设备由主配电板直接供电。
轴带发电机、大功率侧推，可变频率的岸电系统、多传动货油泵、压载泵等设备接入直流配电板系统，该配电系统主要依托于轴带发电机变频系统。这里轴带发电机不仅可以作为发电机向全船设备供电，也可以在PTH模式下作为电动机，向全船提供推进动力。详见图1-交直流混合电力系统单线图。
1.1直流配电系统
本船直流配电系统是采用共直流母线技术，该技术是将变频器的整流单元和逆变单元分开，多台设备共用一套整流装置，单台设备配套逆变器进行调控的一种技术，实质是一种变频调控技术。这种技术经常应用于同一系统的多台设备同时存在发电和电动运行状态的情况，当同一生产系统中一个或多个电动机处于反发电状态时，由于共用直流母线，其再生能量可以被同一系统中的其它电动机以电动的方式消耗掉，从而达到节能降耗的作用[2]。
根据全船主要设备运行工况，我们发现货油泵、岸电和轴发是不会同时运行的。这样我们可以根据共直流母线系统的优点，利用轴发变频系统整流模块来代替几台货油泵的小整流器，也可以代替侧推的整流模块，实现直流配电。同时，岸电通过3号变频器实现与主发并车及不断电要求。
同时，考虑变频器故障，保证用电设备供电连续性，我们采用全方面冗余设计，根据AFE变频器的特点，我们可以将原先轴发一个大的整流模块改成2个相对较小的整流模块（1号和2号），并且分别从主配电板汇流排两侧进行供电，即便其中一个模块损坏，另外一个也能继续供电。即便两个都损坏，我们也可以通过3号变频器供电给直流母排。
图1 交直流混合电力系统单线图
1.2系统运行分析
从图1中，我们可以看出船舶交直流混合系统的结构特点，船舶电力系统输电网络和配电网络集中配置，表现为由若干个树型配电区间按照一定的联络方式通过主汇流排、跨接线、跨接开关联结起来构成的一个统一的电力网络或多个相互独立的电气子网。
下面我们来分析整个交直流混合电力系统的运行模式。整个直流配电系统是依托于轴发变频系统运行的。从图1中，我们可以看出1、2、3号主变频器都是可以双向馈电的，所以分清馈电至直流母排的电流方向是关键，这里需要注意的是这些馈电方向是一致的，都是流向同一个方向。
通过图1单线图和主要运行设备工况的研究分析，我们确定了如下8种运行工况。
轴发海上模式（1台轴发）
轴带发电机通过3号变频器向直流配电板洗舱设备供电。此时，货油泵和侧推是不工作的。在保证直流母排用户功率的情况下，同时通过1号和2号变频器向主配电板交流设备供电。
柴发海上模式（1台或多台柴发）
柴油发电机只供电给主配电板上的主机辅助设备供电，直流配电板停用。
机动模式（1轴发和1台柴发）
轴带发电机通过3号变频器向直流配电板艏侧推设备供电。此时，货油泵不工作的。在保证直流母排用户功率的情况下，同时通过1号和2号变频器与柴油发电机进行并车，向主配电板交流设备供电。
装货模式（1台柴发）
柴油发电机通过1号和2号变频器向直流配电板压载泵供电，同时供电给主配电板。
卸货模式（3台柴发）
柴油发电机通过1号和2号变频器向直流配电板货油泵供电。根据工况要求，只能运行6台货油泵。当然，也会向主配电板交流设备供电。
PTH（4台柴发）
此时，主机动力已失效，轴带发电机处于电动模式，用做全船的推进动力。柴油发电机通过1号、2号和3号变频器向轴带发电机供电，此时直流配电板虽然处于开启状态，但不允许有其它设备投入使用
岸电模式
由港口岸电系统通过1号、2号和3号变频器提供电力给全船。
机动模式/分离模式（1轴发和1台柴发分区供电）
轴带发电机通过3号变频器向直流配电板艏侧推设备供电。柴油发电机向主配电板交流设备供电。1、2号变频器停用，两组发电机处于分区供电，互不联系互不干扰。
2直流短路电流分析
船舶交直流混合电力系统中直流侧发生短路故障时，可能提供短路电流的电流源有4种，分别为发电机、储能元件、滤波电容、直流电机。推进电机通过逆变器连接到直流母线上，当直流部分短路时，母线电压的降低将会导致逆变器换相失败[3]，停止工作，电力电子器件将电动机与系统隔离，可有效阻隔推进电机提供的短路电流流入系统，故在计算中可不考虑推进电机这一短路电流源。
2.1短路电流计算模型
为计算直流故障电流，建立了简化的电路图模型，见图1单线图中的直流配电系统，并将其限制在直流母排的相关部分。
模型包含：
变频器电容器（主要能源）
变频器保护保险丝（直流保险丝）
变频器内部电阻
变频器内部电感
直流母线电阻
直流母线电感
直流电缆电阻
直流电缆电感
我们研究两种操作模式，其中一种是将所有可能的用户连接到直流母排与货油泵设备和艏侧推设备直流馈电断开的情况。
每一种模式下的所有连接用户在任一时间都馈送短路电流至故障点位置。变频器直流侧电容支配的故障电流的短路电流受半导体熔断器的限制。故障电流总是由所有正常的变频器按每个变频器的回路阻抗的比例提供至变频器。这种拓扑结构保证了保险丝的短路电流的完全保护，并且只在最接近故障变频器的地方熔断清除故障，其他回路完好无损。
2.2短路点选择
每个驱动单元由一个变频器单元组成。每个变频器单元有两个保护保险丝，一个在直流正极和一个在直流负极。针对主配电板馈电的1号和2号变频器短路点，因它们所有的参数及运行范围都是一样的，所以两个故障点的短路电流都是一样的，只需选取其中一个点就够了。同时，当计算短路点总电流时，当短路点位于母线出口处，各个变频器提供的短路电流不流经公共直流线路时，直接将各个变频器的短路电流叠加即可求出短路故障点的总短路电流值。当短路电流流经公共直流线路到达短路点时，需要对各个变频器提供的短路电流进行修正。
根据上述原则，我们短路点选择A、B、C、D、E位置，如图1所示，为零欧姆短路。下面以短路点为A情况进行举例说明。在“时间电流特性”中，每个短路点对应的图都标有（故障）。相同的颜色表示每个图中的熔断器/逆变器关系。见图2，为短路点为A的时间电流特性图。
当轴带发电机侧变频器NXP2300发生故障时，可读取4400A熔断器的预弧时间和变频器的故障电流，如图2所示，为0.27ms。0.27ms处的故障电流为158kA，此时变频器电流如下：
-1号主变频器（NXP1640）：31kA，（不交叉熔丝曲线）
-2号主变频器（NXP1640）：31kA，（不交叉熔丝曲线）
-艏侧推变频器（NXI1700）：50kA，（不交叉熔丝曲线）
-左货油泵变频器（NXI0205）：23kA，（不交叉熔丝曲线）
-右货油泵变频器（NXI0205）：23kA，（不交叉熔丝曲线）
根据燃烧次数和各变频器在设置中的最大电流，得出的结论是熔断器是能够有效保护的。
图2 短路A的时间电流特性图
2.3校核结果
由于总能量存储在电容器中，如果所有用户都连接到直流配电板，直流配电板上保险丝是不能保证能够接通1、2号变频器测和3号变频器，不能够顺利排除故障点。只有当艏侧推或者一组货油泵连接到直流母排上时，短路保护才起作用，这跟前面的运行模式保持一致，满足正常使用要求。
3谐波估算及抑制
大部分电力系统都可以容忍一定程度的谐波产生，谐波对容量大的电力系统影响不是十分明显，但是对容量小的系统，影响不可忽视。因此需要采取一定的办法将谐波减小至标准及相关规范的允许范围内，以保证船舶电网及用电设备的安全经济运行。谐波抑制方法可分为主动型和被动型[4]。主动型是对从谐波源本身提出的，要求谐波源本身不产生或少产生谐波。主要方法有：①增加变流装置的相数或脉波数；②合理配置谐波源；③采用脉宽调制技术；④采用多重化技术。被动型是指在谐波产生后，从用电设备的角度考虑，解决已经存在的谐波方法。主要方法是采用电力滤波器，包括无源电力滤波器、有源电力滤波器和混合型电力滤波器，由于有源电力滤波器对电网阻抗和谐波变化具有较好的适应能力，已成为目前滤波装置研究的重点[5]。
根据设备运行工况，预估本船谐波含量如图3电压谐波估算表，根据该估算结果，在航行工况、卸货压载工况以及PTH工况时，系统电网总的电压谐波（THD）≤8%，满足DNV船级社规范系统电压THD不超过8%的要求，但是在卸货压载工况下电网单次谐波电压值大于5%，不满足DNV船级社的规范要求。
图3 电压谐波估算表
根据计算过程分析，导致谐波超标的原因是N2压缩机的变频器没有设计要求提供AFE型的，因为根据我们前期订货时预估，谐波如要满足规范要求，N2压缩机必须采用有源前端变频器（AFE）。由于发电机及变频设备均已经到货，不可能再通过调整发电机的参数Xd”来减小谐波，只能根据实际情况来解决此问题，针对卸货压载工况下单次谐波超标问题，我们考虑了几个方案：
考虑在N2压缩机负载端配置有源滤波器，但面对设备已经到厂家的实际情况，需考虑如下问题：
（1）N2变频器箱内，要预留电流互感器的安装位置。
（2）N2变频器箱内，要预留滤波器的电源电缆接线空间。
（3）需提供滤波器的安装位置或房间，且安装环境需要有良好的通风及散热条件
考虑在电网端配置有源滤波器，但也要面对滤波器的安装问题。
经过多次方案论证及实船考察，我们采用了第二个方案，在电网端增加滤波器并经过计算，滤波器总容量需要200A，母排两端各100A。
首先，对主配电板进行改造，将滤波器的电流互感器安装在配电板发电机开关和滤波器供电开关的下端，用于采集相应的参数。同时，考虑空间问题，我们采用了4个50A小型滤波器，来代替2个大的100A滤波器。由于这个4个滤波器没有采用成柜设计，省去了很多空间。见图4.
图4 谐波治理方案
最后，经重新计算，卸货压载工况下单次谐波电压估算结果最大为2.55%，最终试验结果为2.40%，完全满足了规范对电网谐波含量的要求。
4总结
该船已顺利交付，实际运行效果超出我们的预期。因此，船舶交直流混合电力系统通过引入具有高度可控性和灵活性的变频技术，从结构上改变了目前船舶配电网的联络和供电方式，在避免谐波超标及提高直流短路电流计算能力的前提下，能够较好地解决大功率设备对电网的冲击，减轻对电网的容量要求，延长电力系统运行周期，节约大量的燃料消耗，是未来船舶电力系统发展方向和战略选择。
参考文献
[1]牛彩雯，张冉，船舶复杂多端电力电子系统的模拟与仿真[J].舰船科学技术，2016.10，第38卷第10A期：64-66.
[2]赵瑞林.共用直流母线变频器方案的设计[J].自动化技术与应用，2013，32（11）：75-78.
[3]徐滨海，船舶电力系统仿真建模及拓扑分析[D]哈尔滨：哈尔滨工程大学自动化学院，2010
[4]何娜，黄丽娜，武健等，一种新型快速自适应谐波检测算法[J].中国电机工程学报，2008（22）：124-129.
[5]邰能灵，王鹏，倪明杰.大型船舶电力系统关键技术与应用[M].科学出版社，2012：275-281.
作者简介：
沈恺（1982），性别：男，本科，职称：工程师，从事船舶电气系统研发设计
论文作者:沈恺
论文发表刊物:《电力设备》2019年第4期
论文发表时间:2019/7/8
标签：变频器论文; 谐波论文; 电流论文; 发电机论文; 滤波器论文; 电力系统论文; 系统论文; 《电力设备》2019年第4期论文;