船舶电网结构设计模式论文

1船舶传统电网结构智能化

船舶电网的传统结构，通常是由2台及以上由专用柴油机驱动的主发电机与1台及以上由螺旋桨轴驱动的轴带发电机作为电源，向主配电板供电，主配电板采用放射式向各用电负载配电，同时还有应急配电板与主配电板相联接。电网正常运行时，应急配电板由主配电板供电，主配电板发生断电时，应急发电机自动启动，供电即切换至应急发电机。在船舶正常航行工况下，通常由1台轴带发电机(SG)向主配电板供电;在进、出港或港口作业工况下，由1台及以上主发电机(DG)向主配电板供电;在停港工况下，如果用电负载不大，可以由应急发电机(EG)作为停泊发电机向主配电板供电。通过对PMS和FCS编制一定的程序，即可实现船舶传统电网智能化，把主发电机组的起动或停止，轴带发电机的励磁或灭磁，发电机的投网或撤出、并联或解列，发电机的调频、调载、有功功率与无功功率的分配，重载询问以及将轴带同步发电机转换成“助推电动机”等，全部根椐负载对功率的需求与设备的状况，进行自动控制，具备通讯功能的PMS与FCS相结合，可以将各台发电机运行中的主要参数、开关位置、故障类型等完整信息，在中央监控系统的模拟图上动态显示并进行记录、打印与储存，同时还具有对发电机进行继电保护与远程控制等功能。设计程序时应做到一旦PMS或FCS出现故障，应确保不降低电网向负载供电的可靠性。

2公用电网结构

当前，电力推进(主推、Z推或侧推)和大型起重机等专用设备，不仅功率很大，而且还要求预留较大的储备功率以应对特殊工况，其所需电力，一种是由专用发电机提供，另一种是由公用电网供给，即电力推进等专用设备与船舶辅机等其他设备所需电力，全部由发电装置组成的公共电网提供电源。船舶电力负载的共同特点为电力推进等专用设备与船舶辅机等其他用电设备的最大负载，不可能在同一时间出现。实践说明采用公用电网结构，无论原动机是柴油机、燃气机，还是汽轮机，或者是不同能源的原动机进行组合，都通过发电机将能源电力化，对电力进行综合利用和分配调度，有利于提高发供电设备的利用率，能够减少全船所需原动机和发电机的装机功率。

(1)公用电网的控制系统，应保证在电力推进和船舶其他用电负载之间，安全、合理地分配功率，在必要时应当能自动卸载非重要设备。

(2)公用电网中，发电机组的台数和额定功率应能在1台机组停止工作时，余下的机组能提供所有重要和维持船舶正常负载所需功率，同时保持推进功率在有效的程度。

(3)如果公用电网中所需电力正常由并联工作的2台或更多台发电机组提供，当1台机组突然停止供电时，余下机组的功率应足够保证重要负载和有效程度的推进功率不间断地工作。

(4)提高公用电网的功率因数，确保电网动态功率因数在0．95左右，同时也应防止发生过补偿。

3高压环形电网结构

有关标准把相电压在1kV以上的定为高压。船舶三相交流高压电力系统常见的标称电压等级为线电压3．3(3．0)、6．6(6．0)、11(10)、16．5(15)kV，通常把上述电压等级称为中压，其标称频率为60Hz，括号中的电压等级的标称频率为50Hz。面对功率日益增大的船舶电网，若采用低压电网供电，有数万安培电流，传输电力所需要的电缆截面太大，其负面影响是多方面的。对于功率相同的负载，当采用0．44kV供电，与采用11kV供电相比较，后者的负载电流约为前者的4%。若电缆电流密度不变，则后者所需电缆截面可比前者减少25倍，虽然后者内阻会比前者增大约25倍，但短路电流释放的热功率却比前者降低约90%，电压损失可从前者的29．7%降为后者的1．2%，线损可从前者的17%降为后者的0．7%。由此可见，采用高压供电，能够节能降损，提高电压质量，减少有色金属用量，便于电缆敷设，有利于减轻船舶自重和减小短路电流造成的危害，降低船舶建造成本与营运费用。尽管高压供电有许多优越性，但要在全船都采用高压电气设备是不现实的。比较合理的方法是按不同的用途采用不同的电压等级，对功率很大的电推等专用设备，由高电压直接供电，采用高压电动机驱动，也可通过专用变压器将电压降至驱动装置所需电压等级，特别是需要进行变频控制时，可利用该专用变压器可起到抑制谐波的作用;在船舶用电设备集中的区域，装设配电变压器，其初级电源(1级配电)采用高压环形电网结构，次级(2级配电)采用低电压向用电设备放射式供电。通过在各区域性配电变压器初级电源控制开关进线侧形成的高压环形电网，能为高压配电板各段主汇流排提供互为备用的回路，可以选用多种配电方案，从而提高了供电的可靠性与灵活性。

(1)高压配电板与环网柜应为封闭式金属铠装型，通常为抽屉式或抽出式。高压开关优先选用真空断路器或采用六氟化硫(SF6)断路器，对其应按最大可能通过的短路电流进行动、热稳定校验。

(2)各屏高压配电板之间应完全隔开，其汇流排至少要分成独立的2段，每段汇流排上至少有1台高压发电机供电，也可提供至少2个及以上安装在不同处所相互独立的电源装置进行环网。

(3)应当通过高压母排分段与母联开关(如图3中的H6与H7)来实现分段母排的并列运行，设计时需要根据负载情况选择一组环网柜的2台环网开关与图3中的高压开关H1、H12实行“四合三”互锁，例如选择环网开关H23、H24与H1、H12这4只开关中同时只能有3台合闸，以防止通过环网形成高压分段母排并列的旁路，从而影响母联开关的保护功能。若考虑当高压母排分段与母联开关无法合闸时，需要用环网作为高压分段母排并列的备用回路，在设计时应按其可能通过的电流选配环网电缆与环网开关容量。

(4)高压配电板与环网柜都应具备“五防”功能，应装设带电显示闭锁装置与防淋露自动加热器。

(5)高压配电变压器可选用三相双绕组干式变压器。除规范限制外，高压侧宜采用中性点接地系统，在非限制类船舶中的“地”即“船体”，高压侧中性点接地，有利于防止初、次级绕组之间可能发生的绝缘降低而产生的过电压。但中性点对地连接应通过阻抗器等限流装置，使接地故障电流既不小于接地故障监测保护装置所需最小动作电流的3倍，又要不高于连接至配电板的最大发电机的额定满载电流(此处所指电流均为电流互感器的二次电流)，以满足保护装置的选择性与灵敏度。

(6)应当保证中性点接地的连续性。当一屏高压配电板分为独立运行的分段或有几屏单独的高压配电板时，应为每个分段或每一屏高压配电板设置单独的中性点接地，并有措施以保证当发电机被隔离时，接地连接线不会被开路。

(7)高压电缆的电压等级与载流能力应符合要求。在中性点对地绝缘的系统中，电缆相与地额定电压应不低于系统的标称电压;在中性点接地系统中，电缆的相与相额定电压应不低于系统的标称电压;环网电缆有可能会取代高压配电板的某段主汇流排进行放射式配电。例如图3中当高压配电板的11kVⅡ段失电，由高压环网电缆向11kVⅡ段供电时，H1出线电缆与各高压环网电缆应具备相应的载流能力。

(8)应当有效地进行无功补偿。对大功率电感性设备，宜进行无功就地补偿;对各区域配电变压器，可以分区进行无功自动补偿，以提高发、配电设备的利用率，减少线路损耗，提高电压质量。

(9)高压配电系统的继电保护宜采用带通讯接口的数字式综合保护装置进行主保护与后备保护。

4变频电网结构

在多台柴油发电机组并联运行时，总负载功率中有功功率分配的理想状况是各台柴油发动机的负载与其额定功率的比值均等，主要通过各台柴油发动机的调速器根据有功负载的变化来调节进油量实现的，维持转速始终趋向于额定转速，通常稳态特性参数选择为4%范围内;总负载功率中无功功率分配的理想状况是各台发电机的电流与其额定电流的比值均等，可通过各台发电机的电压调节器(AVR)根据负载电流的变化自动调节励磁电流实现，通常稳态特性参数选择2%范围内。对于功率经常处于非常大范围变化的负载，船舶电网有可能发生持续波动，比较难以在规定的时间内将电源频率、相位、电压都调节到允许范围之内，一旦引起电网失步，可能导致设备损毁。变频电网结构采用AC-DC-AC变换模式，即各台发电机输出的交流电经整流后送到配电板上进行直流并网，再通过变频器或逆变器将直流电变换成交流电，向用电设备进行放射式供电。由于整流器的输出电压值与输入电压值成一定比例，与输入电源频率变化无关，因而可将原动机的转速设计成与负载闭环控制。当负载增大时，原动机转速相应增加;当负载减少时，原动机转速相应降低。变频电网结构对中频发电机应用于船舶，对不同参数、不同能源的发电装置容易并网运行及采用直流输电，都成为现实;在避免发生同步故障，提高电网调控能力，降损增效等方面，都具有实质性的意义。最近，为美国某公司建造的PSV船有4台柴油发电机组，发电机额定电压AC690V，转速900～1800r/min时频率为45～90Hz。1号与2号发电机输出的交流电经整流后向主配电板Ⅰ段直流汇流排供电，3号与4号发电机输出的交流电经整流后向主配电板Ⅱ段直流汇流排供电，2段直流汇流排额定电压均为DC930V。在2段直流母排上各接有多台变频器，其中共有4台变频器用AC690V分别向主电推、侧电推与Z电推供电;此外在2段直流母排上各接有1台逆变器将DC930V直流电变换成60Hz、690V交流电，分别向1号和2号主变压器供电，2台主变压器的次级分别用60Hz、440V供电给2段交流汇流排，再放射式向辅机及全船其他负载供电，其电网结构如图4所示。通过在该船调试过程中所遇到的问题，有几点值得在进行变频电网结构设计与调试时作为参考:

(1)整流器的AC-DC变换电路，应根据负载特性而定，可采用三相半控桥式整流电路，也可采用带有平衡电抗器的双反星形可控整流电路或晶闸管三相全控桥式整流电路，但都应当备有与负载电流闭环控制的电压负反馈自动稳压环节，其响应速度远远超过AVR。在设计或调试中，应考虑管压降、漏抗压降和线路压降等因素。对AVR的整定，宜将发电机空载时的输出电压调节得高于额定电压，但不应高于发电机额定电压的6%;通过对整流器稳压环节的整定，宜将整流器的输出电压调节得高于直流额定电压，但不应高于直流额定电压的10%，而且此时三相半控桥初始控制角应大于0°。这种设置，可以保证在负载剧烈变化时，发电机与整流器的电压都有足够的调节范围。当多台整流器并列运行时，其稳压环节应保持响应速度同步;整流器输出端应并联续流二极管，以防止迅速将可控硅控制角调到0°或紧急切断控制电路时，可能发生的可控硅关不断现象。在大多数情况下，整流器的交流电源输入需要通过1台兼作抑制谐波用的整流变压器，把电压变换到需要的数值。该变压器的变压比，应当在设计时经过比较精确的计算。图4中，整流器输入端电压是AC690V，如果不通过整流变压器将AC690V升高到一定的程度，即使把整流电路的控制角调节到0°，只要输出端稍加负载，整流器输出端的电压肯定会低于DC930V，由此会产生不良影响，重负载时有可能造成整个变流系统瓦解。

(2)变频器与逆变器中的DC-AC变换电路，通常采用IGBT半桥电路。高电压时可选用IGCT或IEGT半桥电路，控制方式为可逆脉宽调制(PWM)，也可采用智能化功率模块(IPM)和空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术。应考虑由换向或其他工况所产生的过电压尖峰或振荡，不应导致供电电压波形从一个叠加的等效正弦波偏离该等效正弦波最大值超过10%。

(3)变流装置的额定功率应按所需工作方式确定，并且要考虑峰值负载、系统瞬态及过电压等情况。变流装置应能在稳态短路状态下，至少必须能在3s时间内承受≥3倍满载额定电流。DC-AC或AC-AC逆变器，宜通过逆变变压器进行输入与输出隔离，以提高系统安全性和抗冲击能力，同时可以满足对输出电压的要求。

(4)应考虑变流装置的无功需求和谐波抑制。整流器、变频器与逆变器这类变流装置不但不能为电网提供无功功率，反而要吸收无功功率。比较简便的方法是并联滤波电容器模块，容抗比一般选7%，船舶电网的无功补偿方式宜采用末端补偿和分区补偿。末端补偿是就地平衡无功功率，效果最好，且无需增加控制开关，通常用于单台功率较大的设备并与其同时投切;分区补偿的无功功率一般难以准确计算，可按区域配电变压器额定容量的20%～30%配置容性无功功率，并将其分成几组，采用无功功率补偿控制器对其进行自动投切。变流装置都必然因非线性而产生高次谐波，有时会造成十分严重的后果。在船舶电网中，采用变流回路的多重化(中在变频器进线端安装接线组别为V/Y/的变压器)，也可采用LC无源滤波器或有源电力滤波装置(APF)等方法，对抑制谐波、提供容性无功功率，都有较好的效果。

(5)发电机原动机的转速调节，实际上是电流(或功率)正反馈系统。由于是变频调速模式，对频率的变化率已不再有严格要求，但在额定功率与额定功率因数工况下，仍需将原动机转速调节到最高额定转速;若只有1台发电机在网运行，当负载下降至发电机额定功率的25%以下时，原动机转速应相应自动降低至最高额定转速的50%左右;若是多台发电机并网运行，当运行机组的转速已降至最高额定转速的50%时，总负载功率仍小于并网发电机总功率的25%。PMS是维持多台发电机低速并列运行，还是将其中1台或几台发电机自动撤出电网，应事先与船级社进行磋商确定。

5结语

一个安全、可靠、环保、节能的船舶电网对船舶的安全性和经济性具有重要意义。各种电网结构，既有共同要求，即船舶规范与SOLAS公约的各项规定;也有各自需要注意的方面，即设计与调试中需要引起重视的问题。在实践中，各类船舶不一定局限于某一种电网结构模式，经常是几种不同电网结构的综合应用，在此情况下，应当在满足规范要求的基础上，进行技术经济分析，采用比较先进的技术。受篇幅限制，在本文中未对电网结构的技术设计层面进行展开讨论，所提出的观点主要是在长期实践中，不断遇到和不断解决的问题，可供船电设计、产品订货与性能调试时参考。

作者：温莉 韩杰 周洋 单位：江苏省镇江船厂集团公司