摘要：本文介绍了目前常用的交流船舶电力推进系统的优点和组成，重点探讨了在整个系统设计中应该注意的几个问题，以及规范对这些问题的约束，并提出了解决思路和办法。
关键词：船舶；交流电力推进；谐波消除
中图分类号：U644.14 文献标识码：A
The major point of designing marine electric propulsion system
LIU Yi
( CCS Guangzhou Branch,Guangzhou 510280 )
Abstract: The article described the advantage and the parts of the marine electric propulsion system,the issue is the major problems during design, how to solve it, and how to meet the rules and regulatins.
Key words: Marine; Electric propulsion system; Harmonic disctortion cancellation
1引言
自1874年世界上第一艘电力推进船舶诞生以来，经过100多年的发展，特别是进入20世纪90年代之后，随着大功率晶体管GTR、晶闸管GTO、绝缘栅双极晶体管IGBT的开发并投入使用，以及电力电子高新技术的成熟，为电力电子设备成功运用于船舶电力推进系统打下了坚实的基础。电力推进在十多种船型、500多艘舰船上得到了成功的应用，几乎涵盖了所有的船型。
2交流船舶电力推进系统的优点
相对于传统的柴油机推进系统，电力推进系统具有以下优势：
（1）更加经济。在一艘船上可多台中速柴油机用于发电，根据用电负荷选择发电机运行台数，使机组始终运行于高效工作区，实现最大的经济性；
（2）良好的操纵性。采用电力推进系统后，操纵控制方便，起动加速性好，制动快，正反车速度切换快，推进电机转速易于调节，在正反转各种转速下都能提供恒定转矩，因此能得到最佳的工作特性，使船舶取得优良的操纵性；
（3）良好的安全性。对于柴油机推进的船舶来说，一旦主机重要部件或舵机、轴系出现故障往往导致瘫船。而电力推进则使用多台原动机，个别机组故障不会导致丧失动力。而且采用的同步电动机定子有两组相互独立的绕组，一组出了故障仍可减载运行；
（4）节省空间。采用传统推进系统的船舶轴系长度往往占到船长的40％左右，采用电力推进系统的船舶省去了传动轴系、减速齿轮箱，改善了机舱布局结构，使动力装置安排更加合理，节省了大量空间；
（5）低噪音。采用电力推进后，柴油发电机安装在弹性底座上，以恒定转速运行，与轴系和船体也无直接联结，大大减少了振动和噪声，工作区整洁，提高了乘船的舒适程度；
（6）低排放。对同一功率船舶而言，电力推进的中速柴油机可以始终在最佳工作区工作，燃油燃烧质量好，燃烧产物中的氮氧化物含量少，减少了废气排放，使机舱内空气新鲜，环境质量得到改善。
3交流船舶电力推进系统的设计流程
根据船舶交流电力推进系统的特点，大致可将设计流程优化为以下几个步骤，见图1。
图1 交流船舶电力推进系统设计流程
图1为典型的负反馈型设计流程，针对电力推进系统的特异性而不断将结果反馈，并根据结果调整过程，最后达到设计目标。设计过程中，重点在船舶电站的选取和组合上，而难点则在选择适当的方法消除电网中的谐波。
4船舶电站的选择
船舶电站的选择是整个设计的重点。在满足船舶总体性能的前提下，船舶电站的选择配备具有多样性，如何做出最优选择关系着整个方案的成功与否。
图2交流电力推进系统的典型系统图
船舶电力推进系统的组成大致如下：原动机→发电机→配电板→推进变压器→推进变频器→推进电机，其中原动机的效率较低，为0.4左右，其他各部分的转换效率均在0.95以上，其中配电板分配电的效率可达到0.995左右，见表1。
表1各组成部分效率表
船舶电力推进系统的能量传输环节众多，每个环节都有部分能量损耗，但随着科学技术的发展，每个环节的传输效率都在渐渐升高，制造成本也逐渐走低。
在电力推进系统设计时，船舶所需的推进功率是由船舶的航速、型线等因素决定的，根据船舶需要的推进功率和上述的各环节效率可反推出需要装机的发电机总功率(约为推进功率/0.915)。随着节能技术和新技术的应用，相信总效率会有所提升，但由于环节众多，根据能量守恒定律，效率值还是会小于1。对于电力推进船舶，一般情况下推进功率会远远大于船舶航行期间的营运用电，如果在设计阶段不考虑这个效率问题，则可能导致最后选择的电站功率偏小，给整个电力系统的设计带来风险。
在推进器和发电机功率及数量的选择上，需要注意船级社规范的要求，也即当任一发电机故障时，仍能保证海上船舶的有效推进，即至少能达到一半的设计航速或7 kn(取大者)。主汇流排至少分成两段，由联络开关连接，并将发电机和推进器均匀地分布在联络开关的两侧。当采用1台电动机做推进动力时，应配备2台推进变频器，航行时1用1备。当采用多台电动机/推进器做动力时，则应充分考虑一半航速或7 kn所需要的推进功率，这个功率与单台电机/推进器额定功率之间的关系，从而反推出船舶电站的装机总容量。
当选取的推进功率较大时，宜采用中/高压(额定相间电压超过1 kV)电力推进系统，以降低电缆载流量，减少电缆，降低施工难度。规范对此类电力系统要求中压发电机应采用真空断路器，具有差动保护功能，且一般采用发电机中性点接地。
此外，在满足总体性能的前提下，应考虑到设备的互换性和备用型。
5船舶电网的谐波消除
电力推进系统采用中、高速原动机，相比传统的低速机而言减小了体积和重量，而且具有更好的操纵性能，推进马达功率可实时平滑调节，保证在网发电机负荷率最优化，从而保证较高的效率。但其缺点也很明显，因为普遍使用电力电子装置和非线性负载，导致电力推进系统在运行中反馈的谐波电流和无功电流大量注入电网，严重威胁电网和电气设备的安全运行与正常使用。
当电网谐波处于一定的限定值以下时，电气设备是可以正常使用的。目前国家对公众电网电压总谐波(相电压)畸变率限定在5%以下，这与世界上通行的IEC标准稍有出入，IEC和各大船级社现行规范的要求对比如下：
（1）LR规范规定，电压波形的总谐波失真(THD)在所有频率直至50倍供电频率时,不应超过基波的8%，且在25倍以上供电频率的任一频率的电压不应超过供电电压基波的1.5%；
（2）CCS规范规定，对专用的系统，如为电力推进供电的配电板，总的电压畸变应不超过10%，15次及以下的谐波不允许超过5%，其后渐减，在100次单次谐波时下降到1%；
（3）RINA规范规定，对于半导体变换器供电的装置，15次及以下的谐波不允许超过5%，其后渐减，在100次单次谐波时下降到1%，总谐波不超过10%即可。
交流电力推进系统最重要也是最关键的就是将谐波减小至标准/规范允许的电气设备能正常工作的范围内，通常采用以下方法：
（1）主动型谐波抑制。通常采用移相制造出多脉冲整流方案，移相角=180 /N，N为脉冲数，脉冲越多，波形越接近正弦波，电路结构也越复杂，最常用的为6脉冲、12脉冲、虚拟24脉冲和24脉冲四种方案。
其中，6脉冲和12脉冲在主母线上的THD值是超出5%的要求，虚拟24脉冲和24脉冲运行期间的总谐波失真畸变率才满足要求。图3为虚拟24脉冲的典型方框图，图中的黑实线可将虚拟24脉冲系统分为A部分和B部分，每部分都由推进变压器+推进变频器组成，每部分单独来看都是12脉冲系统，当他们同时运行，并且相位角进行协调后，可组成虚拟24脉冲系统。但当A部分或B部分的任一个出现故障不能运行时，仅靠单部分运行，则又变回12脉冲系统。因此，考虑到虚拟24脉冲系统的可靠性，还不能说此种设计的系统产生的谐波是完全满足要求的。
图3典型多脉冲电力推进装置方框图
（2）被动型谐波抑制。被动型谐波抑制技术，通常可分为无源滤波器方案和有源滤波器方案两种：
无源滤波器方案：LC无源滤波器由电力电容器、电抗器和电阻器按功能要求组合而成，优点是投资费用少，但设备体积 较大，而且滤除不同次数的谐波需要配套不同的无源滤波设备，对某个单次谐波需要单独设计LC单谐振回路，利用LC谐振回路的特点向电网注入谐波电流来滤除某一次谐振频率相同的谐波，避免使其进入电网，设计参数与系统阻抗有关，适合负荷单一、变化率小的稳定场合；
有源滤波器方案：有缘滤波器是近年来发展迅速的一种抑制谐波的方案，它是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置。它通过实时检测负载电流或电压中的谐波分量，产生一个与其幅值相同、相位相反的谐波电流或电压，并将其注入系统中与谐波相互抵消，能够实现动态治理，反应迅速。更为关键的是，它用一台装置就能完成各次谐波的治理，且不会与系统阻抗发生串联或并联谐振，适用范围很广。
船舶电力推进系统设计时，首选主动型谐波抑制，在满足任务需求的前提下，尽可能地选择高脉冲方案，从根本上减小谐波。当谐波超过船用电气设备的许用标准时，可根据实际情况选用无源滤波器或有源滤波器，从而治理电网谐波，清理出一个满足要求的干净电网。
经过上述几个步骤，一个满足任务需求的电力推进系统大框架基本建立，接下来就进入设计具体化和细化的过程，在此不再赘述。
6结束语
在资源越来越紧张，污染蔓延越来越扩大化的今天，船舶电力推进系统对传统柴油机推进系统的高效、低污染具有无可辩驳的优势，随着经济和社会的发展，相信电力推进系统在船舶上的应用会越来越广。
参考文献
[1] 钢质海船入级规范 2012[S]. 北京: 人民交通出版社, 2012.
[2] 船舶设计实用手册-电气分册[M].北京: 国防工业出版社, 1997.
[3] 张志强, 等. 船舶综合电力推进系统电力谐波标准探讨[J]. 船电技术,
2012(3).
作者简介：刘毅(1981-)，男，工程师。主要从事船舶电气审图工作。
收稿日期：2013-11-19