湖北省国防科学技术工业办公室

9月20日，ABB集团宣布将订造1艘全球最先进的海洋电缆敷设船，该船的最大技术亮点就是采用了船载直流电网技术。据了解，2011年ABB率先推出船载直流电网研究成果，自2013年以来的实船应用证明，该技术可以为大功率、高性能船舶提供更为灵活的电力与推进系统，日前该技术已获得国际性OTC创新技术大奖。同时，据介绍，我国在船舶中压直流综合电力系统方面，目前也已取得突破性进展。船载直流电网这一新技术，正在受到全球船舶行业的广泛关注。

日前，记者采访了ABB中国公司过程自动化部船舶业务方面的有关专家，了解到船载直流电网的相关技术存在着不少亮点和优点。

最大创新：通过单一电压等级直流电路进行主负荷配电

ABB的专家首先介绍说，他们是从海洋船舶上的整条能源转换及电力传输链出发，创新使用直流配电系统取代传统的交流系统。所谓船载直流电网，就是通过在整艘船上安装集中式或分布式直流回路，采用单一电压等级1000伏直流电路进行配电，因此，该系统中不需要再安装主交流配电板、移相变压器等设备。船载直流电网结合了交流和直流部件及系统的最优部分，完全符合业界关于选择性与设备保护的相关规定，可以用于任何高达20兆瓦的船舶电力领域。最值得称道的是，首制船实测数据表明，ABB船载直流电网可节省燃油27%，这对于满足节能减排法规要求和船东提高运营效率的需求，都具有十分重要的意义。

在船载直流电网原理框架的形成和设计该新系统的过程中，一直有两条既定的重要原则贯彻始终：必须对人员和设备实施保护，以防发生故障；确保具备适当的选择性，即发生任何单点故障，系统仍能保持安全运行。专家告诉记者，尽管在通常情况下，直流配电技术及系统具备总体损耗较少、谐波失真问题较少等优势，但纵观发展历程，直流配电曾面临各种挑战，其中最主要的挑战莫过于如何采用类似交流配电的方式，实现全选择性和设备保护。从技术本质上看，交流电流每半圈即过零点，因而更容易切断。而根据传统的保护理念，选择性是通过断路器的相互配合来实现的。但是，相较于交流断路器，直流断路器切断直流完成灭弧所需的技术更加复杂。为此，ABB完全摆脱了传统保护理念的束缚，并利用船载直流电网系统中电力电子部件提供的机会，一一克服了这些困难。

简而言之，ABB船载直流电网就是一个重新改造并分布的多传动系统，船上发电机所产生的所有电力直接进入或通过整流器进入公共直流母线，再由公共直流母线把电能分配到各种船载用电设备上，其中，独立逆变器为主要用电设备供电。如船上存在需要230伏生活起居用负载等情形，仍需使用交流配电网络，则可使用孤岛换流器进行供电，从而为这些更加敏感的电路供应洁净、稳定的电能。在船载直流电网中，可以增加以电池或超级电容器形式储存能量的其他换流器，从而在负载需求波动情况下仍然保持原动机输出功率平稳，而由于减少了大量交流配电设备的负载，船舶的总体能效可以得到有效提升。在重新改造该系统后，船上之前使用的绝大多数成熟的交流电力设备，如交流发电机、逆变器模块、交流电机等，仍可以继续使用。

优化电力设备配置确保选择性和安全保护

据ABB的专家介绍，船载直流电网的配置方法有多种。在集中配置法中，所有变流器模块所在的单排或多排变频柜与以往的主交流配电板所占据的空间基本相同。在分布配置法中，则可以在适合船舶运行或设计最佳的地方，放置各种变流器，如在原交流发电机的机体内就可以安装整体式或分立式整流器。这种调整使得过去必须安装在主配电室的电器部件数量大大减少。由此，船舶设计师在设计船舶的电力系统时，能够拥有更大的自由发挥空间，以增强船舶的功能性并提高商业运营价值。

在船载直流电网中，由于无须再安装主交流配电板、交流断路器和保护继电器，因而确保新的技术原理符合有关选择性和设备保护的国际船级社规定，就变得十分重要。ABB采用的方法是，通过组合使用熔断器、隔离开关和可关断功率器件，适当地对船载直流电网实施保护。同时，所有的发电部件都带有可控制的功率开关器件，相较于带有配套保护继电器的传统断路器，故障电流可以被更快地切断。

专家解释说，当变频器内部的逆变模块发生严重故障时，熔断器的保护功能与现有交流低压变频器里熔断器相同，可用于保护并隔离逆变器模块。此外，由于输入电路从主要的直流母线中把逆变器模块隔开，在发生故障及正常状况下（如在推进器制动模式下），它可以实现对逆功率的完全控制。这意味着，单个用电设备发生故障时不会影响到主要直流配电系统上的其他用电设备。当分布式直流母线发生严重故障时，利用晶闸管整流器可防止发电机故障电流穿过该系统，同时该整流器还可以阻止系统其他电源向发电机端故障点输送故障电流，从而实现双重保护。为了从正常系统中自动隔离故障部分，ABB在每条支路中都安装了隔离开关。

通过与多家国际船级社的紧密合作，ABB已经确保其船载直流电网系统的原理符合或超过了目前船级社技术规范的要求。大量试验结果也表明，该系统的故障电流可以在10~20毫秒内得到控制，导致直流电网中的故障能量迅速下降。而在传统的交流保护电路中，其故障可能会持续到1秒之久。这种低能故障保护机制，结合设计发电机参数时所增加的灵活性，使得船载直流电网系统可用于高达20兆瓦的装机功率。

节能增效表现突出尤其适用动力定位船舶

船载直流电网所使用的交流发电机和电机虽然可能仍在使用60赫兹电源，但该系统不再固定于特定的频率下运行（在船舶上通常为60赫兹），因而创造了提高效率的空间。它可以通过对每个用电设备的精确控制，开辟很多减少燃油消耗的途径。例如，当船舶主机按固定速率运行时，其燃油消耗量最低的区间其实非常小，通常在额定负荷的85%附近。随着柴油机变速运行的出现，其最优效率的窗口可以根据柴油机速率的变化，最多向下扩展50%。这意味着，即使柴油机的运行负荷低于原先的所谓最佳数值，柴油机的效率仍然会显著高于传统固定速率的相应值。最终结果是，一艘近海工程支持船可以节约多达27%的燃油，并使其电力推进和定位时的动态响应性及机动性明显提高。

安装船载直流电网后，船舶不仅无须再安装换流变压器和主配电板，节省了部分初始投资，而且减少了电气设备占用的空间。这为船舶电力系统的安装节省了更多空间，提供了更多的灵活性。此外，安装直流电网后，太阳能发电设备、燃料电池等提供的补充性直流能源，也更容易被整合进全船电力系统中，更加有助于降低燃油消耗。从ABB针对主流型平台供应船(PSV)所做的相关对比来看，采用船载直流电网系统可使电力系统部件的总重量从传统交流系统的115吨减少到86吨，减少25%。

目前，海洋工程支持船普遍具备动力定位(DP)技术特点，因而成为船载直流电网系统的极佳候选使用领域，它可以帮助解决动态定位作业中长久以来一直存在的燃油效率问题。在传统的船舶电力推进系统中，推进用电设备的负载容量通常占装机总功率的80%以上。在动力定位作业时，如在极端的天气条件下或严苛的作业环境中，船舶推进力损失会对船舶、其他装置或人员造成重大损害。在传统的交流电网系统中，动力定位船舶通常需要并联运行几台柴油发电机，作为后备。这意味着，船载电网所连接的柴油机在大部分运行时间内负荷相对较低，燃油效率显著低于85%负荷的最佳点。此外，此时的船舶电站系统最少需分成两段排，以实现更多的系统冗余。这样一来，即使电站系统的一段排发生故障，该船舶仍可以维持在其位置上。但是，以分排模式运行无法充分体现电力推进的效益，因为在分排模式下，要实现柴油机的完全优化运行是不可能的，为了安全起见，燃油效率常常被牺牲掉。船载直流电网确保了随着柴油机速度的调整和优化，适时达到电力推进所需负荷，从而实现更加高效的运行，而无须改变在网发电机的数量。（来源：中国船舶新闻网|作者：王孙）