重型破冰船电网架构研究_陆玮.pdf

129陆 玮，等：重型破冰船电网架构研究2023年第1期总第202 期专题三重型破冰船电网架构研究陆 玮 智 力（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 2 0 0 0 1 1）摘 要：随着我国两极探索研究开发的需求增长，PC2 级以上的重型破冰船开发研制已是极地战略的重要部分，配置极大功率、具有较大冗余度的推进系统是重型破冰船的一个显著特点。文中通过分析国外常规动力重型破冰船项目，发现采用电力推进系统已成为发展趋势，其综合电力系统总容量往往超过 50 MW，配置多个主推进器，推进电机输出功率可达到 20 MW，配置 4 台以上的原动机，单机功率可能超过 10 MW。上述电力系统关键器件的容量等级在现有船舶上较少使用，且缺少国产配套。基于重型破冰船需求，通过分析电网电压等级，对发电机、推进电机及变频器选型等电力系统关键选型分析，结合国产配套情况，参考国外已有项目电网架构，该文提出一型重型破冰船电网架构，以方便开展后续船舶的研制工作。关键词：重型破冰船；电网架构；综合电力系统；推进电机中图分类号：U674.21；U665.1 文献标志码：A DOI：10.19423/ki.31-1561/u.2023.01.129On Power Grid Architecture of Heavy IcebreakersLU Wei ZHI Li(Marine Design&Research Institute of China,Shanghai 200011,China)Abstract:The development of heavy icebreakers above PC2 class has become an important part of the polar strategy with the growth of the demand of polar exploration research and development in China.A propulsion system with great power and redundancy is a particular feature of heavy icebreakers.It is found that the electric propulsion system has become the development trend through the analysis of the foreign heavy icebreakers using conventional power.The total capacity of its integrated power system is often greater than 50 MW.The output power of the propulsion motor can reach 20 MW with multiple main thrusters,and the single engine power may exceed 10 MW with more than four prime motors.The capacity level of the above-mentioned key devices of the power system is rarely used on existing ships,with insufficient domestic supporting parts.The essential parts of the power system such as the generators,propulsion motors and frequency converters are selected by analyzing the power grid voltage level based on the demand of heavy icebreakers.Combined with the domestic supporting situations,a power grid architecture for the heavy icebreaker is proposed with reference to the existing power grid architecture in foreign countries,in order to facilitate the development of subsequent ships.Keywords:heavy icebreaker;power grid;integrated power system;propulsion motor收稿日期：2022-09-23；修回日期：2022-10-14作者简介：陆 玮（1982-），男，本科，高级工程师。研究方向：船舶电气设计。智 力（1982-），女，硕士，工程师。研究方向：船舶电气设计。0 引 言重型破冰船电网架构研究的目标是找到一个合适的电网架构，用于国产重型破冰船的研发。重型破冰船是指破冰等级达到 PC2 级以上的破冰船，包括 PC1 级和 PC2 级。PC2 级的定义是在中度多年冰况下全年运行，PC1 级的定义是在极地水域全年运行1-2。此型破冰船破冰厚度超过 2.5 m，破冰航速大于 2 kn。根据相关船模实验并参考国外类似船型，常规动力重型破冰船所需的推进功率将超过40 MW。分析国外常规动力重型破冰船实船并结合设备技130术发展趋势3，国产重型破冰船将采用电力推进式及综合电力系统。电网架构研究的重点目标是满足船舶需求，重型破冰船的需求特点包括极大的推进功率、破冰卡冰时极大的过扭矩需求及单一故障下可以保证船舶脱困等。具体到电网架构研究内容包括选择电网电压、选择电网关键设备，尤其是推进电机的选型。本文将通过确定电网关键设备参数，结合船级社要求，研究确定一型交流电网架构，满足船舶运行需求，并可以基于此研究开展下步研发工作。1 电网主要构成系统分析重型破冰船电网组成的主要单元为发电机系统、配电系统、电力推进系统和任务配电系统。由于电力推进系统的功率消耗占整个电站容量比重超过80%，电网架构设计将重点分析研究发电机系统、配电系统和电力推进系统。根据破冰能力需求，船体专业初步估算本船需要配置 3 台推进器，即 2 台 10 MW 推进器和 1 台 18 MW 推进器，由此估算电站总功率需达到 50 MW。1.1 电网电压等级的选择综合电力推进系统根据电压和电制不同可分为：低压交流电力推进系统、低压直流电力推进系统、中压交流电力推进系统以及中压直流电力推进系统。对于低压交流电力推进系统而言，目前低压断路器最大额定电流为 6 300 A，极限分断电流约为200 kA。因此，低压电力推进系统电站容量有限，无法满足 50 MW 电站容量时各开关的分断要求，故不能采用低压交流电力推进系统方案。目前，低压直流电力推进系统最大电站功率为18 MW，同样也无法满足本船电力推进系统的需求。中压交流电力推进系统方案属于常规方案，国外在该领域领先于国内。按照目前国内系统设计水平及设备现状，现已经具备 50 MW 级系统（6.3 kV、10.5 kV）的全国产化能力。中压直流电力推进系统属于更先进的综合电力系统，国内技术也领先于国外，但目前 4 kV 直流断路器的最大额定电流为 6 kA，分断能力最大为 110 kA，还不能满足 50 MW 电站容量的分断能力要求。故中压交流系统是近期较为成熟的工程技术 方案。采用中压交流电力系统方案，结合电站容量、推进功率等级可以选用三相交流 6.3 kV 与三相交流 10.5 kV 这 2 种电压等级。我们将电网进行简化，构建一个包含发电机、推进配电板、推进电机和等效负载的电网模型如图 1 所示，使用计算软件进行短路电流计算，估算结果见下页表 1。图 1 用于计算的电网简化模型131陆 玮，等：重型破冰船电网架构研究2023年第1期总第202 期专题三表 1 不同电压等级短路电流计算结果10.5 kV 母线短路点名称Ip/kAIac/kA备 注推进配电板母排71.630 23.769Xd”=0.13发电机输出端59.630 19.804Xd”=0.136.3 kV 母线短路点名称Ip/kAIac/kA备 注推进配电板母排113.928 38.128Xd”=0.13发电机输出端94.879 31.823Xd”=0.13由计算结果对照可知，当采用 6.3 kV 母线时，对断路器的额定分断能力要求较高。馈电支路断路器的额定分断能力接近 40 kA，目前国内 6.3 kV 的真空断路器额定分断能力为 40 kA，裕度较小，故选择 10.5 kV 为交流母线电压等级较为合理。1.2 发电机系统发电机系统为船舶动力能源提供系统。发电机的选型原则至少有以下几点：（1）每个工况下的电力负荷率应尽可能控制在70%90%，使原动机工作在最佳工作点附近；（2）航行工况下电力系统需要有备机；（3）破冰工况时考虑全部发电机投入使用；（4）漂泊工况（长期低功率工况）下，电站负荷率需 30%，最好 50%，防止原动机因长期低负荷而影响使用寿命；（5）应尽可能提高燃油效率，在允许的情况下，单台电站功率尽可能最大。根据估算的典型工况下电力负荷数据，大小机配置的电站方案可以更好地匹配各工况下的电力负荷，具有更好的经济性和使用灵活性，典型工况电力负荷如表 2 所示。表 2 重型破冰船典型工况电力负荷 参数航行 工况破冰 工况漂泊 工况码头 停泊应急 工况总功率/kW19 50043 0002 8001 010850基于上述原则，考虑国产设备情况，可供优选的电站方案如表 3 所示。表 3 优选的电站方案方案大机电 功率/kW大机 台数/台小机电 功率/kW小机 台数/台1 10 3504 4 45022 11 3004 4 84023 9 7004 4 8402由于码头停泊工况和应急工况的电力负荷差距不大，出于减少电站数量的考虑，可配置 1 台 1 200 kW 左右的应急发电机并兼作停泊发电机。1.3 配电设备重型破冰船的配电设备可分为推进配电板、日用配电板和应急配电板。根据船级社的要求2,4，推进配电板和日用配电板需分为至少 2 段母排，根据不同的入级符号的要求，2 段母排可以在 1 块配电板中，也可以分隔为 2 块独立的配电板。主推进器直接连接在推进配电板上。由于侧推功率较大，优选中压设备，有利于减少工作电流和电缆数量。因此，中压侧推也连接在推进配电板上。考虑辅助设备一般是低压设备，所以由日用配电板供电。为保证推进的冗余性，日用配电板也分为至少 2 段，且可以分段运行。推进系统的辅助设备根据不同设备厂的配置方案，可能由日用配电板供电，也可能由独立配电板供电，此独立配电板往往由推进变压器供电。1.4 电力推进系统主推进系统为综合电力系统的核心，主要设备包括移相变压器、推进电机和推进变频器。推进电机和推进变频器更是其中的关键元件。1.4.1 推进电机目前，交流异步推进电机、交流同步推进电机和永磁同步推进电机均可用于船舶推进电机5，高温超导推进电机技术成熟度不够，是下一代船用推进电机。美国 RAND（兰德）公司对 20 MW 左右功率等级低速推进电机功率密度进行了对比，数据如下页图 2 所示。可见，同步推进电机的功率密度最低，132异步推进电机要比同步推进电机的功率密度更高，永磁同步电机的功率密度最高。图 2 20 MW 功率等级不同电机功率密度对比针对各型推进电机在重型破冰船中的应用进行对比分析，得到以下定性结论6，如表 4 所示。表 4 推进电机类型对比对比项交流同步 推进电机交流异步 推进电机永磁同步 推进电机结 构复 杂简 单较简单可靠性低高高尺 寸大较 小小重 量重较 重轻过载能力高中高转矩密度低中（典型值 12 kNm/t）高（典型值 22 kNm/t）功率因数