李兴宇 刘洪伟

摘    要：目前大多数电力推进船舶都采用交流组网技术。本文通过对某采用直流组网技术的电力推进内河游览船的介绍，以及交流组网技术的比较，分析直流组网技术在内河游览船上的应用特点和优势。

關键词：直流组网;电力推进;内河电池船

中图分类号：U664.142                            文献标识码：A

Abstract： At present， most electric propulsion ships adopt AC-bus technology. Through the introduction of a certain electric propulsion battery riverboat using common DC-bus technology， this paper analyzes the features and advantages of common DC-bus technology in riverboat compared with AC-bus technology.

Key words： Common DC-bus; Electric propulsion; Battery riverboat

1     前言

传统柴油机动力的内河船舶，由于燃烧柴油会产生污水、污油及尾气，对周边空气环境和水质都造成了严重污染。随着国家对环境保护的日益重视，柴油机产生的污染问题显得越发突出。为了改善这种状况，国家出台了很多政策法规。一方面严格环保要求，另一方面大力鼓励应用清洁能源。因此各种新能源动力，如锂电池、LNG、太阳能、超级电容、燃料电池等也越来越多地应用到内河船舶上。

传统电力推进船舶大多采用柴油发电机组作为主能源，发电机发出交流电经过变频器等控制装置驱动推进电动机来带动推进器，实现船舶航行，其主要采用交流组网方式;作为内河游览船，由于具有航程近、航行时间短等特点，可以采用锂电池、太阳能、燃料电池等新能源作为主能源。本文通过对采用锂电池为动力的某内河游览船直流组网系统的介绍，分析直流组网技术在兼容性、系统集成度、使用等方面的特点和优势。

2     直流组网技术简介

近年来，得益于电力电子技术的快速发展和电力电子器件制造的成熟，直流组网技术快速兴起。目前，西门子、ABB和无锡赛思亿等厂商都推出了直流组网技术，并各自在实船上得到了应用。各个厂商直流组网技术在原理上大体相同，均是以直流母线作为主公共母线，发电机、电池等电源设备均连接至直流母线;但在具体的技术细节上，每个厂商又都有自己独特的设计，在具体的器件选用上各自不同。

（1）ABB公司的直流组网技术，称为Onboard DC Grid技术。主要特点为母排采用分布式布置方案，母线分别连接发电机的整流器和电动机的逆变器，整流器和逆变器均靠近设备。其优点是设备接入更加灵活，而缺点是由于分布式设计使母排长度很长，需占用较大的空间;另外，直流开关采用熔断器和特制的可关断电力电子器件组成，需要特殊研制，故通用性受到影响。Onboard DC Grid技术已在Dina Star号平台供应船等船上得到了应用，取得了较好的节能效果。

（2）西门子公司的直流组网技术，称为BLUEDRIVE PlusC技术。主要特点是母排采用集中式布置方案，通常将母排、直流开关、逆变器、船用负载逆变单元等设备集中布置在同一配电板内，同时板内还集成了功率管理系统等控制模块。与ABB公司的Onboard DC Grid技术路线类似，其技术的直流开关也采用熔断器和可关断电力电子器件组成，并且可关断电力电子器件也需要针对项目进行设计，影响通用性。BLUEDRIVE PlusC技术也在一些船上得到了应用。

（3）无锡赛思亿引进德国E-MS公司的直流组网技术，称为E-PP技术。主要特点为母排采用集中式布置方案，与西门子的BLUEDRIVE PlusC技术类似;但集成度更高，除母排、直流开关、逆变器、整流器和负载逆变单位外，还集成了远程故障监控系统;与以上两种方案不同的是：直流开关采用直流断路器进行保护，因此不需要定制，通用性更强。E-PP技术已在“白珍珠”号游艇等数十艘船上得到了应用。

通过对以上三种技术路线的总结，可知三种技术路线在原理上相似，均是将发电机、电动机及负载通过相应变换模块连接至直流母排，只是技术细节不同。本文以无锡赛思亿的E-PP直流组网技术为例，通过在某内河游览船上直流组网的应用，对直流组网技术与传统交流组网技术进行对比，分析直流组网在集成度、兼容性等方面的特点和优势，尤其是在内河游览船的应用前景。

3     船舶概况

某珠江豪华游览船采用双体船型，主船体片体为圆舭型线、钢质全焊接结构，主要航行于珠江水域广州市内航段，提供江景游览、娱乐餐饮、会议招待、等服务。该游览船采用锂电池作为主电源，柴油机作为备用电源，推进方式采用电力推进。该船主要参数如下：

总长                                   ～43.5 m

型宽                                   13.5 m

设计吃水                          2.3 m

设计航速                     10 kn

乘客                                   300人

推进电机                          2×210 kW

锂电池容量                      2827.2 kWh

发电机组功率      2×350 kW

航区                                   内河A级

4    船舶电力推进系统

4.1  电源

该船采用磷酸铁锂电池作为主电源，根据对全船用电设备功率的计算及续航力的要求，设置6组471.2 kWh锂电池组作为全船电力推进系统及日常用电设备供电电源，锂电池总容量为2 827.2 kWh，安装在左、右片体的电池舱内，每个电池舱放置3组。

同时，该船配置2台350 kW/AC400V/50Hz/3P/3W柴油发电机组作为备用电源，柴油发电机组分别安装在左、右两个片体的机舱内。

柴油发电机组和锂电池组不同时供电。正常航行时，使用锂电池供电，当出现意外情况锂电池不能供电时，采用发电机供电;停泊时，发电机组可以为锂电池组充电，也可以采用岸电为锂电池组供电。

4.2   配电系统

（1）配电系统采用直流组网方式：在集控室设置直流配电板一块，船上的发电机组、锂电池组、推进电机与日常用电设备通过直流母线连接;为增加系统可靠性，整个直流母线被分为两部分，每段母线连接有3组锂电池组和1台发电机，分为两组分别接至两段直流母线上，两段母线之间采用熔断器和负载开关连接;两段直流母线可以长期单独供电也可以长期连接供电，当其中一段母线发生故障时，另一段直流母线可以继续单独供电。

（2）直流配电板内直流母线电压采用DC750 V。配电板内包含：2台350 kW整流器与发电机连接;2台210 kW逆变器与推进电动机连接;1台300 kW有源整流器与岸电连接;6台140 kW斩波器与锂电池组连接;系统配置功率管理器（PMS），管理配电板内各个模块之间的能量转换，具备自动、半自动和手动三种模式。配电系统单线图，见图1所示。

（3）推进电机由直流配电板直接驱动。在集控室设置交流配电板一块，直流母排通过DC/AC逆变模块将直流电逆变为交流电接至交流配电板，供日用负载使用。

4.3   充电装置

锂电池组采用夜间岸电充电形式：在岸上设置充电柜，在船上设二套直流充电插座箱，充电插座箱与直流配电柜采用固定电缆连接;由于采用直流母线，可采用充电桩对锂电池充电;当码头不具备建设充电桩等设施时，也可采用在船上设置充电柜，内置AC/DC变换模块连接至公共母排，实现用交流岸电对锂电池进行充电。

5     直流组网与交流组网技术对比分析

本船主电源为锂电池，每组电池输出额定电压为DC579 V，发电机输出电压为AC400 V。如采用交流组网技术，锂电池需经过逆变后接入交流配电板，本船共6组锂电池，需6组逆变器;由于采用电力推进技术需要对推进电动机进行控制，通常交流配电板需经过变频器达到对推进电机调速控制，因此还需要2套变频器，满足推进控制要求。交流组网系统单线图，如图2所示：

通过对以上两种组网方式的比较，直流组网的特点和优势主要有以下几个方面：

（1）采用直流组网技术，无论是传统柴油发电机，还是锂电池、超级电容、太阳能、风能、氢燃料电池等新能源形式，均可以通过标准柜统一连接至直流配电板，简单方便，具有较好的兼容性;而传统交流组网方式，采用锂电池等能源时，需要进行逆变才能接入交流电网，相对繁琐;尤其是对于现有船舶的升级改造，直流组网模块化设计通过增加标准模块柜即可实现，不需要对原配电系统做很大改动。因此对于采用电池动力的游览船，直流组网技术更具优势;

（2）交流组网方式中，交流发电机产生交流电。由于发电机电压、频率会受到外部影响，产生的波形曲线也会发生波动，影響电源质量;采用直流组网技术，交流发电机发出的交流电需经过整流变换模块连接至直流母线，日用负载的电源是直流母线的直流电经过逆变而来，电源波形不会受到发电机的扰动影响，电源质量更高;

（3）直流组网母线虽然采用直流电压，但传统交流发电机通过整流模块可直接连接至直流母排，可以直接兼容，不需要对传统柴油发电机进行任何改变;电网增加发电机时可直接将发电机起动接入直流母排，而传统交流组网方式，电网增加柴油发电机时，需进行并车操作，待入网发电机与电网需电压、频率、相位均一致时才能并网，操作程序复杂，存在并网失败的风险，并且对在网发电机和待并网发电机的容量配置有一定的限制;

（4）传统电力推进系统，配电板和推进电机之间需通过变频器及变压器等电力变换设备，设备数量多;采用直流组网后，可通过配电板内集中式的直流变频控制功率模块对推进电机进行控制。取消了变压器、变频器等设备，简化了系统配置。尤其对于内河船，由于主尺度较小、船舶空间有限，因此直流组网节省了相应设备的体积空间，有利于船舶总体布置;同时，对于采用电池推进的内河船舶，减少设备数量有利于减轻船舶自重，可以减少配置锂电池的容量，有利于提高船舶总体性能，同时降低船舶造价。

6     结语

随着国家对环境保护的要求不断提高，数量众多的传统柴油机动力内河船舶产生的污水、污油和尾气问题显得日益严重，对内河或湖泊周围的人民生活影响较大。为了改善这种状况，采用绿色环保的新能源动力已经成为一种趋势。

随着科技的不断进步，锂电池、氢燃料电池、太阳能、超级电容等技术发展迅速。对于航行于内河或湖泊的中小型客船、观光游览船，由于其航程有限、航行时间短，不设置发电机而只采用锂电池作为船舶主能源已经完全可行，未来随着技术的发展，氢燃料电池也将作为主能源应用在船舶上，达到船舶的绿色环保、节能减排，并提高船舶舒适度的目的。

综上所述，直流组网技术凭借其兼容性、系统集成性、系统体积、重量及经济性上的优势，在船舶上的应用前景广阔。尤其对于不设有柴油发电机而只采用锂电池等作为主能源的内河游览船，采用直流组网技术相比于交流组网技术更具有优势。

参考文献

[1]中国船级社.钢质内河船舶建造规范[S]， 2016.

[2]徐硕，乌云翔.船用直流组网技术比较[J].舰船科学技术.2016 （ 7 ） .