科学瞎想系列之三十八 船舶动力系统(4)

今天说说基于直流组网的综合电力系统。所谓直流组网就是船舶电网采用直流电制。相应地发电模块的发电机均采用直流发电机或交流发电机加整流装置整流后再并联组成直流电网。变电模块则直接从直流电网获得直流电能逆变成负载所需的交流电。 与交流组网相比,直流组网有以下优点: 1 并网简单。交流组网有三相动力电缆,并网运行的发电机必须满足相序、频率、电压、相位等多个苛刻的并网条件,而直流组网电缆只有两根,一正一负,只需满足电压相等即可投入并网,与交流组网相比简单方便得多。 2 转速灵活。在交流组网中,由于发电机的频率与转速有严格的对应关系,受并网频率必须相等的条件限制,发电机组的转速必须有严格的限制。而直流组网没有频率问题,只有电压大小限制,因此发电机组的转速理论上可以是任意的,至少可以允许在很大的范围内变化,只需调节励磁满足电压相等条件即可。正是直流组网的这一特点,使得通过提高转速来大幅减小发电机组体积重量的愿望得以实现,这在体积重量要求极其苛刻的船舶设备中是非常有价值的,特别是军用船舶。 3 更加节能。系统的节能除了要求各设备提高效率外,更重要的是合理调度各设备的运行工况和投入台数。在交流组网中,根据船舶各种运行工况动力需求,只能通过投切发电机组的运行台数来实现能量供求平衡,保证系统的高效配置。而在直流组网中,除了采用投切发电机组运行台数,还可以通过调节发电机组的转速来实现发电机组更加高效地运行,这是交流组网不可比拟的优势。要知道,许多设备(如柴油机、发电机)的机械摩擦损耗、冷却通风损耗、铁耗等只与转速有关,与负载大小无关或关系很小,也称这些损耗为不变损耗或固定损耗,这些设备在负载很轻的工况下运行时,如果仍然保持高速,则固定损耗会在总损耗和输出功率中占比过大,这也是为什么有些设备负载轻到一定程度时效率急速下降的原因,此时若降低转速,则固定损耗也将随之下降,从而使得设备在轻载时仍然保持高效。这就是采用变速发电机组可以节能的机理。 4 体积重量小。关于体积重量问题,嘛也不说了,你自己看一下配图,看看少了多少东西就知道了。 5 结构简单,传输损耗小。首先交流电网有三相电缆,它们之间必须可靠绝缘,而直流电网只有两根导线,且二者之间是稳定的直流电压,在绝缘结构方面更加简单,所用绝缘材料更少,另外在有效值相等的情况下交流电压的幅值是直流电压的根号2倍,也就是说直流电网的绝缘耐压可以更低,所用绝缘材料可以进一步降低。除此之外,直流绝缘结构不必考虑绝缘材料的介质损耗问题。还有,直流电网正负极之间的线路电容不仅不会引起附加损耗,而且还对电网的稳定运行有好处,而交流电网的线间电容会引起电容漏电流、附加损耗、电网振荡等不利影响。 说了那么多直流组网的好处,难道它就没有缺点吗?当然有!由于直流组网必须把全部电力变成直流形式,而有些设备是不用变频器供电,直接采用工频交流电作电源的,这些设备的供电也必须再用逆变器变回来,本来在交流电网中直接取电能就可以用,在直流电网中这样变来变去的必然会增加了一些损耗,因此这类设备多的船舶上用直流组网会不太划算。另外直流电不能用变压器来变压,导致改变电压比较麻烦。还有中高压的电力电子器件、直流开关等器件都比较昂贵,可能成本方面逮不到便宜。这些都是直流组网的缺点,但在综合电力系统中,船舶主动力通常是最大的负载,另外许多高技术船舶,负载多为变频器供电,只有少量生活用电和功率较小的辅助设备才直接采用工频交流电,因此在高技术船舶中采用直流组网动力系统绝对是利大于弊的!这就像好马配好鞍,像一些游艇、科考船、军船、公务船、特种船舶等高大上的船舶才配用这些高大上的东东! 说了半天直流组网的优缺点,还没到正题,如何实现直流组网才是关键,直流组网与交流组网在组成上基本相同,特别是推进模块和能量管理模块,几乎是一样一样的,不再啰嗦。这里只说一下电源、变电和配电三个模块。 首先说电源模块。直流组网的电源是由多套直流发电机组并联组成的,由于电力电子技术的飞速发展,通常都是采用交流发电机通过整流器变成直流再并网,整流装置即可以与变频器集成也可以与发电机集成。这些都不重要,重要的是采用什么发电机和什么整流器搭配才是最佳搭配!众所周知,交流电机有同步和异步之分,同步电机结构较复杂,需要有励磁系统或永久磁铁励磁,异步电机结构简单成本较低。通常发电机多采用同步电机,便于调节励磁进行调压。电动机多采用异步电机。在交流组网的系统中,几乎全部都是采用同步发电机,但在直流组网的系统中同步电机和异步电机都可以使用,由于同步电机(指电励磁同步机)可以通过调节励磁来改变其电压,老师称之为"可控单元"或"主动单元",而异步电机电压不能通过电机本身来调节和控制,只能被动接受电网电压,故称之为"不可控单元"或"被动单元"。再看整流器,也有可控和不可控之分,或主动被动之分,采用不可控的整流二极管组成的整流器就是不可控单元,采用全控器件(如IGBT器件)组成的整流器就是可控单元,当发电机与整流器组合成直流电源模块时,就会排列组合出四种方式,其中二者都是被动单元的方式是不能用的,因为这样电网电压就无法控制和稳定; 二者都是主动单元的方式可以凑合着用,但必须要规定谁是"主"谁是"从",否则大家都要说了算就会乱套!只有一主动一被动的组合才是最好的组合,因此就只有同步发电机配二极管整流器和异步发电机配全控型整流器这两种方式,二者各有千秋。前者整流器成本较低,但发电机成本较高,在变速运行时,由于转速降低时还要保持电网电压恒定会极力增大励磁电流,可能导致磁路饱和,为了不致过饱和,需要发电机磁路设计留有足够大的余度,使得电机体积变大,成本进一步增加; 后者整流器成本较高,但电机成本较低,宜于变速运行,且由于电机属被动装置,发生短路等故障时,故障不易扩大,只是它有个很大的缺陷,就是并网运行时,由于直流电网已经建压,可以正常运行没任何问题,但在直流电网没有预先充电建压时,异步电机由于没有励磁,是不能自己建压的,也就不能发电运行。为解决这一难题,老师的公司搞了一种专利技术,使得这个问题迎刃而解,原谅老师现在一般人我不告诉他,因为现在专利还木有授权,等授权了你再使用吧,不过可得掏票票哦!当然票票也不是装到老师口袋里哦!是国家的哦!这就是泱泱央企! 说完电源模块再说变电模块。其实这个从原理上很简单,就是把原来变频器的"交---直---交"一分为三,第一个"交"就是整流器,给了电源模块,中间的"直"就是直流电网,只剩下后面的"交"才是真正的变电模块了。需要指出的是,直流组网系统中省去了如整流变压器之类的许多辅助设备(详见那两张配图),因此节省了很多占地面积和重量,这在船舶上是弥足珍贵的。 再说说配电模块。由于采用直流组网,使得许多配电开关、母联开关需要直流开关,测量系统也要直流传感器,这是很讨厌的事情。特别是大容量的高压直流开关,由于直流电流木有过零点,因此直流电弧就非常难熄灭,这也是直流开关容量难以做大的原因,从而也限制了直流组网综合电力系统的容量。因此要进一步做大容量的直流系统,不仅是钱能解决的事,需要基础技术和基础工业的整体提升,也正因如此才使得直流组网的综合电力系统是非常高大上的事!目前只有少数国家的少数大公司才有这个实力干这个事! 说到这儿,老师我得嘚瑟一下,俺们的企业就有能力干这个事,因为俺们企业有一大帮子技术大牛!有一个剑桥博士团队,那技术!啧啧啧!牛了去了!当然老师我技术也不含糊!再得瑟一下,老师不仅技术相当凑合,那个剑桥博士团队也是老师勾搭回来的,你说牛不?再加上有国外引进的技术,还有院士团队与俺们合作作为技术后盾,还有嘛干不了的?!切!!!这就是泱泱央企!这就是国家队! 现在我们已经中标了一艘科考船的动力系统,就采用直流组网的综合电力系统,整个动力系统都是俺们拿下,主要设备也是自己生产,目前主要设备均已制造完成,有些设备如大功率低速永磁推进电机已完成了出厂试验,预计春节之后就可开始陆上联调。这艘科考船将是我国第一艘基于直流组网的综合电力系统船舶! 哦!卖糕的!我骄傲!

原文发布于微信公众号 - 龙行天下CSIEM(gh_a8911987218e)

原文发表时间:2017-01-17

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