刘旺
中船澄西扬州船舶有限公司江苏扬州225000
摘要：随着海洋及船舶工程规模扩大，自动化程度越来越高，设备用电负荷逐渐加大，电站的总负荷亦相应不断扩大。为了提升船舶交流配电电力推进系统的技术稳定性、可靠性和经济性，母线系统在海洋及船舶工程上的应用得到了不断推广。基于此，本文首先对母线系统的必要性进行了概述，详细探讨了母线系统关键技术，旨在推动海洋及船舶业的快速发展。
关键词：母线系统；海洋及船舶工程；应用
1母线系统的必要性
随着电站总容量的加大及大功率电动机的使用，海洋工程及船舶上的电压等级多采用高压系统。在实际工程中多数采用为600V，3000V，6000V的系统，甚至达11kV系统。这样对系统的设计较为合理必要。随着电压等级的提高和电流的减少，使得主开关及保护电器的选择、安排和性能方面能较好地实现安全和协调的自动保护功能，特别是在校核发生包括短路在内的意外过电流故障时对其进行选择性作用保护。但在400V低压侧端，庞大的负荷仍然不可避免。通常在2MW以上，大规模可达6MW以上。以3000kVA计，两台或三台发电机或变压器并联运行供电，单机容量即达1500kVA或1000kVA，在400V电压时的额定电流为2165A或1443A，最大短路电流有效值可达75kA左右，输送如此大的电流，若按电缆来考虑，结合船厂施工方便及电缆的可绕度等的特性，通常按120mm2的电缆来敷设。
大规格的电缆敷设对施工单位而言，并非易事，特别在设备两端的接线较为复杂和工艺要求很高，而且电缆的成本亦不低。在大型油田固定式平台中，此矛盾更为突出。为了有效的解决此问题，目前在海洋工程及工业领域中普遍采用一种母线槽系统。
2母线槽系统及其特点
所谓封闭式母线，是一种采用金属（钢板或铝板）为保护外壳的母线系统，它可制成每隔一段距离设有插接分线盒的插接型封闭式母线，也可制成中间不带分线盒的馈电型封闭式母线。其特点有：属于树干式系统，接线简单，运行可靠；供电容童大，可达5000A；阻抗低，损耗小，节约电能；抗机械损害能力强，防火性能优越；
3母线系统关键技术分析
3.1功率分配控制
3.1.1系统工作功率点确定
系统工作功率点的确定包括推进功率计算、功率分配计算及运行指令计算判别。系统运行中，功率管理系统与推进控制系统通过Profibus总线连接，实时接收推进控制指令并向推进控制系统反馈。功率管理系统通过工业总线实时接收来自推进控制系统的推进指令SP或TP以及推进模式，计算主推进和侧推运行需求功率PP，并根据推进模式选择确定辅助机械功率需求PA。以上功率之和构成系统功率控制基准Pref，并以此计算值确定系统供电组合方式M∗；同时功率管理系统通过工业总线实时接收供电、用电的各电力电子变流模块实际输入/输出功率，计算总功率反馈值Pfb，接收蓄电池储能系统荷电功率PSOC反馈值，在PMS的软件设计中，变速柴油机和轴发的转速—功率燃油率曲线以数据表的形式参数化，程序根据系统功率控制基准Pref和系统供电组合方式M∗，计算确定各供电单元输出功率，据此查表，确定并输出主机转速指令n∗M及变速发电机组转速指令n∗VG、轴发输出功率指令P∗SG、蓄电池储能系统充放电指令C∗。
3.1.2不同供电工况的网压控制方式
系统工作功率点确定后，即确定了变速发电机组供电变流器、蓄电池储能直-直变换器、轴发供电变流器/变换器的并网运行组合工况。单一变速机组供电变流器并网或单一储能直-直变换器并网时，网压控制由该并网的变流器或直-直变换器控制，直流母线电压控制较为简单；双变速机组供电变流器并网或双储能直-直变换器并网，则需按照对等下垂输出特性控制供电变流器或直-直变换器输出功率，进而控制母线电压恒定；变速机组供电变流器与储能直-直变换器同时并网，变速机组供电变流器控制母线电压，储能直-直变换器跟随母线电压，平抑系统的小功率波动。
当轴发按发电机运行模式方式与变速发电机组同时并网运行时，变速柴油机组按照系统转速指令稳定在n∗运行，直流母线电压由并网的变速柴油机组供电变流器控制，轴发供电变流器仅检测跟随母线电压，并按照功率指令P∗SG向直流母线输出功率，各负载变流器按照船舶操作控制指令从直流母线吸收功率驱动负载设备运行，蓄电池储能单元通过直-直变换器控制调节直流母线瞬态功率波动，保证系统在快速动态响应大负荷用电需求，同时也保证变速机组输出功率稳定及母线电压稳定。此工况下，直流母线电压控制由2台变速机组供电变流器按照对等模式下垂特性控制，2台发电机组的供电变流器输出特性均具有相同的下垂系数，其输出电压的变化值ΔU相同。各发电机组按照下垂特性分担变化功率负荷，对机组输出功率进行自动参与、自动按比例均匀分配，实现直流网电压恒定控制。
2.2母线电压控制
当系统由2台变速机组供电变流器并网或2台储能变流器并网时，供电变流器按照对等下垂输出特性控制变流器输出功率，进而控制直流母线电压稳定。图1给出了系统在2台变速机组供电变流器并网或2台储能变换器并网时供电变流
器的下垂控制特性。图中，UREF为直流母线电压基准，UA和UB为系统工作点A和B的母线电压，UHMAX和ULMIN为直流母线电压的最大变化范围。当系统稳定运行于工作点A，负载稳定、无制动能量回馈时，直流母线电压ULMIN≤UA≤UREF，并网的2个变速机组供电变流器按照下垂系数kd1均匀分担低频负载功率，两个储能直-直变换器按照下垂系数kb1及当前荷电功率SOC分担高频波动功率（高吸低补），调节系统的直流母线电压在UA稳定运行。
图1系统供电变流器和储能直-直变换器的电压下垂控制特性
当系统在工作点A增加负载时，直流母线电压下降，并网的2个变速机组供电变流器按照下垂系数kd1均匀分担增大的低频负载功率，储能直-直变换器按照下垂系数kb1分担高频波动功率（高吸低补），并使系统稳定运行于工作点B，2个变速机组供电变流器分担稳态功率ΔPd=-kd1×（UB-UA），2个储能直-直变换器分担瞬态平均功率。当系统运行于降负载或制动工况时，直流母线电压上升，当UDC<UREF时，并网的两个变速机组供电变流器按照下垂系数kd1均匀分担减小的低频负载功率；当UDC≥UREF时，系统首先根据蓄电池储能功率PSOC控制并网储能直-直变换器对蓄电池组充电储能，再进一步降低并网的两个变速机组供电变流器的输出功率。
3结束语
综上所述，以直流配电技术为核心的共直流母线电力推进系统已成为当前船舶电力推进系统的新一代创新技术。随着国内对船舶直流配电技术及控制技术的深入研究及实船开发运用，拥有自主知识产权的共直流母线电力推进系统将很快进入实船应用。
参考文献：
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