船舶电力推进系统设计的要点分析

中 国 造 船 Vol.57 Special 1

Nov. 2016

SHIPBUILDING OF CHINA

文章编号：1000-4882 (2016) S1-0124-10

船舶电力推进系统设计的要点分析

张国立，曲兆源

(中海油能源发展采油服务公司深水环保船项目组天津300451 )

摘 要

船舶交流电力推进系统具有体积小、重量轻、机舱布置灵活、自动化程度高、电网综合利用率高等特点，越来越多的海洋工程船舶都采用了交流电力推进系统。论文介绍了目前常用的交流船舶电力推进系统的优点 和组成，重点探讨了在整个系统设计中应该注意的若干问题，以及规范对这些问题的约束，并提出解决思路 和办法。

关键词：电力推进；设计；电站；电压等级；推进器；谐波 中图分类号：U6.14

文献标识码：A

0引言

谈及电力推进在船舶上的应用，最早可以追溯到1860年。世界上第一艘以蓄电池为动力，电动机

直接驱动的电力推进潜艇投入使用。

进入20世纪，大部分潜艇都采用电力推进方式。潜艇在水面航行时，由“柴油机-发电机”组给蓄电 池充电，并向电动机供电驱动船舶。核潜艇则采用原子能发电，电动机驱动的推进方式。

20世纪20年代，美国建造的航母等水面舰艇，也采用“汽轮机-发电机-电动机”的电力推进系统。 二战期间，在破冰船、科学考察船及其他特殊用途船舶上，也陆续装备了电力推进系统。在此期 间的船舶电力推进系统一般采用了 Ward-Leonard直流调速系统，即G-M系统。

20世纪70年代，应用电力电子技术的晶闸管交流装置取代了 Ward-Leonard调速装置，成为电力 推进系统的主要调速方式。

20世纪80年代以来，随着电力电子技术、交流调速理论和计算机控制技术的发展，采用可关断半 导体开关（如IGBT)的交流调速系统逐步取代了晶闸管直流调速系统，船舶交流电力推进系统进入了 快速发展时代。

1电力推进与常规柴油机机械推进的比较

伴随着电力推进在船舶上的应用至今己有一百多年的发展历程中，主流的船舶动力系统，也随着

技术的进步，从蒸汽动力装置、汽轮机动力装置己发展到目前的以柴油机动力装置即柴油机机械推进 为主要的推进形式。

本文提到的电力推进主要是指柴油电力推进，即由柴油机发电后，通过电站供电变流装置驱动电 动机，以带动螺旋桨来实现船舶推进。和常规柴油机机械推进相比，电力推进具有如下优点：

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(1) 经济性好

多台中速柴油机用于发电，可根据用电负荷选择发电机台数，使机组始终运行于高效工作区，实 现最大的经济性。根据某知名公司统计，同功率的船舶，采用电力推进要比内燃机推进耗油减少10% 左右，船速可提高0.5kn。

(2) 操纵性好

推进电机转速易于调节，螺旋桨加减速和正反转的响应更快，调速范围宽，因此能得到最佳的工 作特性，使船舶取得优良的操纵性。

(3) 安全性好

柴油机推进的船舶，一旦主机重要部件或舵机故障往往导致瘫船。而电力推进使用多台原动机， 个别机组故障不致丧失全部动力。电力推进系统多采用两套以上互为备用。

(4) 节省空间

传统船舶轴系长度往往占到船长的40%左右，电力推进的船舶省却了传动轴系、减速齿轮箱，改 善了机舱布置，使动力装置安排更加合理，节省了大量空间。

(5) 噪音低

采用电力推进后，主要震动源一发动机安装在弹性底座上，以恒定转速运行，与轴系和船体也无 直接连接，大大减少了振动和噪声，提高了船员和乘客舒适程度。这对客轮十分重要。

(6) 有利于船舶控制环境污染

对同一功率船舶而言，电力推进中的中速柴油机可以始终在最佳工作区工作，燃油燃烧质量好， 燃烧产物中的NOx含量少[1]。

2电力推进系统的设计要点

2.1船舶电力推进系统的基本配置

船舶电力推进是一种由原动机带动发电机发电，通过变频器对推进电动机进行驱动和控制，从而 驱动螺旋桨的推进方式。船舶电力推进系统主要由以下设备组成：发电机，配电板，推进变压器，变 频器和推进器（包括推进电动机和螺旋桨）。如图1所示：

发电机组

推进变压器

图1船舶电力推进系统基本配置

126中国造 船学术论文

2.2电站容量的设计

船舶电站是船舶电力系统的中枢设备，对于电力推进船舶而言更为重要。因此，在设计船舶电站 时必须进行认真计算、充分考虑，以保证船舶航行安全。船舶电站配置的数量需符合总体设计的要求， 同时也应满足全船用电负荷的使用要求。确定船舶电站发电机台数及容量的一般原则为：

(1) 以上发电机。

(2) (3) (4)

在进出港、装卸货、靠离码头等工况下，考虑到大功率的侧推装置、货油泵、压载泵等要投 所配发电机组的台数和容量，应能在任一台运行中的发电机组停止工作时，仍能对船舶推进、 任何工况下，柴油发电机组负荷率最好控制在80%〜90%之间，以充分考虑设备长期使用后

入使用，故可使用两台以上发电机。操控和船舶安全等所需的设备供电。发出功率会有所下降的因素。

以中海油能源发展装备技术有限公司的海底管道巡检船为例，本船配有2台主推进器，每台功率 1100kW;配有2台艏部管隧式侧推，每台功率700kW，配有2台主变压器，每台容量100kVA。电站 除满足用电负载的要求，同时满足动力定位作业工况下冗余供电的要求。

电力负荷计算受到用电设备的实际负载和具体使用工况等多种因素影响，很难进行准确的定量计 算，在计算过程中还需要根据设计经验以及实船情况加以修正。本船采用需要系数法进行电力负荷计 算，结果如表1所示：

表1

工况电力负荷/kW

发电机台数

需用

单台容量/kW发电机台数

备用

单台容量/kW

海底管道巡检船电力负荷估算结果

货船、油船/化学品船在海水航行工况下，使用一台发电机。客轮或渡船可使用两台或两台

DP-2 检

全速航行2750.84800//85.9

调遣航行1822.83800180075.9

管道巡检1666.83800180069.4

测作业1552.34800//48.5

DP-2最大

进出港

单点故障1343.82800//84

1730.13800180072.1

发电机负荷百分比/%

获得全船各工况下的用电量数据后，再根据相关柴油发电机组设备选型表，初步选用4台发电机 组，每台发电机功率为800kW。

本船入CCS船级社，取Electrical Propulsion System船级符号。CCS《钢制海船入籍规范》（2014年）中，对公共电站要求如下[2]:

(1) (2)

电站的控制系统应保证在推进和日用负载之间安全地分配电力，如有必要，可以卸掉非重要 在一台发电机组不工作时，剩余的机组应能向所有重要设备和船舶常用设备供电，同时应维

负载和（或）降低推进功率。

持有效推进，即保证在船舶航速不小于7节或设计航速的一半（两者中取大者）。

为满足DP-2动力定位的要求，4台发电机分为两组接在配电板A、B两端汇流排上，为4台推进 器供电，具体如图2所示：

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2.3电力系统电压等级的选择

在综合电力推进系统中，随着推进装置功率的加入和其他用电设备的大量増加，电网的功率也大 大増加。考虑到开关断流容量和电缆的合理用量，适度提高系统的电压等级是必然趋势。目前船 用交流电网多为400V、690V (低压）或3300V、6600V、11000V (中压）等级。采用IEC电压等级来 选择船舶电力系统的通常方法是[3]:

(1) 如果船舶发电机的总装机容量超过20MW，推荐选择11kV的中压电力系统；(2) 如果船舶发电机的总装机容量在4〜20MW之间，推荐选择6.6kV的中压电力系统；(3) 如果船舶发电机的总装机容量低于4MW，推荐选择690V的低压电力系统；(4) 对于低压配电系统，一般采用400/230V电压等级。

以海底管道巡检船为例，由于本船发电机总装机容量小于4MW (实际约3200kW)，故推进电机 电压选用690V，其他船用设备电压选用400V。

从20世纪60年代开始，一些大型船舶开始采用中压电力系统（电压等级在1kV至35kV)，如石 油钻井平台、大型游轮等。其中，有的只是某些特定的大功率负载采用局部中压系统，有的则是大功 率负载甚至其电力推进装置、动力电网均采用中压系统。

采用中压电力系统主要有以下原因：(1)

船舶电站容量増大后，电力系统故障短路电流也会随之増大。若采用低压空气断路器，其最

大短路分段能力不能满足要求，在发生短路故障时无法保护船舶配电设备的安全。采用中压空气断路 器后，由于短路容量不变，电压等级升高后，系统短路电流可以极大的减小，因此可以有效解决上述 问题。

(2)

发电机和负载电动机的单机容量増大。若仍然采用低压电制，则设备尺寸和重量将会变大，

制造成本也将随之提高。美国造船和轮机工程协会认为，AC450V低压发电机的单机极限容量为 2500kW，若超过该值，建议电网电压采用AC2200V。

(3) 电站容量増大后，若选用低压电制，其低压电缆截面积大，电缆根数多，不但直接増加造船

128中国造 船学术论文

成本，而且给电缆敷设带来很大困难。选用中压电制，电缆根数会大大减少，施工方便，并节省投资。 2.4推进器型式的选择

在船舶电力推进系统中，根据推进电动机与螺旋桨连接方式的不同，主要可以分为轴桨推进、Z 型推进（或称全回转舵桨）和吊舱式推进（或称POD)这几种类型。2.4.1轴桨推进

图3为轴桨电力推进示意图，由图3可以看出，轴桨型电力推进系统中只是把常规船舶推进系统 中的动力源由柴油机改成了电动机，齿轮箱、轴系和舵机等设备均保留。柴油机直接推进系统中，为 了改善调速性能常采用变螺距螺旋桨（即CPP)，以弥补柴油机调速范围有限的缺点。在轴桨型电力推 进系统中，一般采用交流异步电动机+可调桨的形式。该系统最大的优点是电网中几乎没有谐波，因为 没有采用大功率的电力电子变流器件。但其缺点也不少，具体表现为：交流异步电动机启动瞬间电流 较大，通常是正常电流的5〜7倍，导致电网电压降过大；功率因数低，满负荷时也只能达到0.85,经 济性较差；功率及转矩的动态响应慢，一般3〜5秒才能完成，主要是因为采用液压机构完成螺旋桨螺 距的变换；变距桨的结构复杂，可靠性相对较低且价格贵。显然，这种推进方式只适合于中、小推进 功率及对操纵性、机动性要求不高的船舶。

图3轴桨电力推进示意图

2.4.2 Z型推进（全回转舵桨）

Z型推进器主要由上下两对锥形传动齿轮、垂直传动轴、螺旋桨等组成，具体如图4所示:

图4 Z型推进器示意图

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Z型推进器具有以下特点：船舶正、倒车时的推力基本相同，且倒车转换时间快；具有液压转舵 机构，螺旋桨可以360°回转，产生侧向推力，提高船舶的操纵性；推进器的方向和推力既可以单独控 制，也可以通过Joystick或DP系统进行联合操纵，控制方式灵活。推进器不同的组合便于船舶灵活操 控，如图5所示：

(a)前进 （b)后退

图5

（c)左转 船舶操纵示意图

（d)右移 （e)右移+左转

与轴桨型电力推进系统相比，Z型推进的优势是很明显的：它不需要设置很长的传动轴系，降低 了建造成本，节约了设备安装空间；Z型推进器与变频器配合，大大提高了电动机的控制性能，电动 机调速范围广；在零速度的时候仍能保持转矩稳定输出；起动平稳，起动电流（转矩）可从零起逐渐 加大；在任何负载状况下均有很高的功率因数（约为0.95);功率及转矩的动态响应快。

但是，Z型推进器也有其不足之处：推进电动机在船体内部，需要为其提供专门的冷却系统，这 无疑増加了建造成本和安装空间；由于变频器的使用，使电网中出现了谐波，降低了电网供电质量。 2.4.3吊舱式推进

吊舱式推进是由Z型推进的形式发展而来的，目前在国际、国内均有一定的应用。吊舱式推进器 是将电机安装在一个吊舱内，电机轴直接连接在螺旋桨上，可360。旋转，在任何方向上产生推力，不 需要舵。整个吊舱完全浸泡在海水中，直接向外散热，推进电机也不需要额外冷却。图6是ABB公司

Azipod吊舱式推进器示意图：

/Z 励磁机/中间密封装置

图6吊舱式推进器示意图

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相比z型推进，吊舱式推进主要有以下优点[4]:(1) (2) 和噪声。

(3) Z型推进的推进电机由空气一水冷却，需消耗能量。而吊舱式推进电机在水下，由海水直接 冷却，故推进效率可提高2%。

(4) 将推进电机放在船体外，节省了船内空间。(5) 吊舱形式可以全功率倒车，应急倒车反应快。

虽然吊舱式推进的优势很明显，但其初期投资很高，一般吊舱式推进器的价格是Z型推进器的2 至3倍，并且系统安装调试的要求非常高，维修保养费用和后续备件的费用比其他几种形式更高。

综合考虑上述三种不同推进方式的优缺点以后，通过比较前期投资成本、后期设备维护、实船使 用情况后，海底管道巡检船决定选择全回转舵桨。2.5谐波的治理

电力系统的谐波问题早在20世纪20年代和30年代就引起了人们的注意。当时在德国，由于使用 静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变。从严格的意义来讲，谐波是指电流中含有的频率为 基波的整数倍的电量，如图7所示：

其支架和螺旋桨组合体具有完美的流线型，水动力特性好，水流阻碍小，故效率高，节省了 推进电机在水下，没有传动齿轮，可节省机械传动损耗5%，而且没有机械传动带来的振动

燃料，还减少了废气排放。

(a)基波和谐波

图7

电网谐波畸变示意图

(b)波形畸变

由上图可以看出，5次谐波的频率是基波频率的5倍；7次谐波的频率是基波频率的7倍.当谐波与 基波叠加以后，电网的波形图就不是正常的正弦波，而是产生了很多“毛刺”。同理，电网中还存在11 次谐波、13次谐波等等。

电网中的谐波会使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并 使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波还会引起继电保护装置误动作，对通信设备 和电子设备产生信号干扰。下面将介绍产生谐波的原因、谐波的危害及抑制谐波的方法。2.5.1产生谐波的原因

在理想的电力系统中，电流和电压都是正弦波形。在只含线性元件（电阻、电感及电容）的电路 里，流过的电流与施加的电压成正比，流过的电流是正弦波。但是。由于船舶中存在一些非线性负载， 例如不间断电源（UPS)、整流器、变频器和逆变器等，当电流流经这些非线性负载时，与所加的正弦 波电压呈非线性关系，就形成非正弦电流，电路中就有谐波产生。船舶电网中的谐波主要来源于以下

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三个方面：一是电源质量不高产生的谐波；二是配电系统中产生的谐波；三是用电设备产生的谐波[5]。

(1) 电源产生的谐波

由于发电机的三相绕组在制作过程中很难做到绝对对称，铁芯也很难做到绝对均匀一致，故发电 机输出的电源中也会产生一些谐波，但一般来说很少。

(2) 配电系统中产生的谐波

配电系统中主要是电力变压器产生的谐波。由于变压器铁芯的饱和，磁化曲线的非线性，加上设 计变压器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁化的近饱和段上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因 而含有奇次谐波，它的大小与磁路的结构形式、铁芯的饱和程度有关。铁芯饱和程度越高，变压器工 作偏离线性越远，谐波电流也就越大。

(3) 用电设备产生的谐波

用电设备的谐波主要来自具有非线性特性的电气设备，即使电源给这些设备供给的正弦波形的电 压，但由于它们具有非线性的电压电流特性，使得流过电网的电流波形是非正弦的。这种电流波形是 由基波和与基波频率成整数倍的谐波组成，即产生了谐波，使电网电压严重失真。电力推进系统中的 大容量变流装置是产生船舶电力系统谐波的最主要设备。2.5.2谐波的危害

谐波的危害主要有以下几个方面[3]:

(1) 谐波电流会引起电网设备，包括：发电机、电缆、变压器、电动机等的功率损耗増加，引起发执.

(2) 加速绝缘材料的老化，使绝缘材料因过热而加速老化，缩短其使用寿命；(3) (4)

増加电气设备的负载：通常用电设备的额定负载电流都是按正弦电压电源所设计，谐波电流 造成电磁干扰：波形畸变可能会产生电磁干扰，一方面对电气设备自身的信号测量和控制产

増加了用电负载，可能导致电气设备过载；

生干扰，引起功能失常；也可能对其他装置，比如：导航系统、无线电通信、计算机等造成干扰。 2.5.3抑制谐波的方法

抑制谐波的主要方法分为主动型和被动型两种。通过配置多脉冲数的变流器，对接入电网的设备 本身进行改进，其产生谐波的含量或不产生谐波，这属于前种方案。在电网中安装无源滤波器或 有源滤波器，以吸收谐波电流并为电网质量进行补偿，这属于后种方案。

对于电力推进船舶而言，电网中的谐波主要是服务于推进电机的大功率变频器所产生，因此它是 谐波治理的主要对象。以下主要分析比较6脉冲、12脉冲变频器抑制谐波的效果。图8是典型6脉冲 变频器原理图：

三相整流桥输出电压为每个周期有6个纹波的直流波形，所以三相整流也叫作6脉动整流。三相

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整流桥使整流器交流侧电流产生5、7、11、13、17、19...等次谐波，即6k±1 (k为正整数）次谐波。 输入电流的5次谐波可达20%, 7次谐波可达12%,总的谐波电流失真约为30%,所以一般要设置输 入谐波滤波器，导致额外増加投资。典型6脉冲变频器波形如图9所示：

图9 6脉冲变频器波形图

若使两套三相整流桥交流侧的电压相角相差30°，则可在直流侧形成12脉动的直流电压波形，通 常称之为12脉动整流。变压器原边输入电流理论上只含有12社1 a为正整数）次谐波。典型12脉冲 变频器波形如图10所示：

图10 12脉冲变频器波形图

脉冲数由6脉冲提高到12脉冲后，大大改善了输入电流波形，降低输入谐波电流，总谐波电流失 真约为10%左右。与6脉冲变频器相比，12脉冲变频器输出电源的高次谐波成分少，对电源质量影响 小许多；输入功率因数提高到0.85以上，故整体效率比6脉冲变频器高。但是，由于要増加1套△一Y 双绕组变压器，故成本増加较多，控制电路也比6脉冲复杂。

对于海底管道巡检船，采用输出电源品质更高的12脉冲变频器是更好的选择。而且，当配电板的 母联开关闭合，两台尾部主推进器同时在网运行时两台推进变压器分别移相±7.5°，可以形成虚拟24 脉冲，也有利于降低谐波分量、改善电网质量。2.6其他等事项

有关规范或标准对中（高）压电气系统及电力推进装置的要求、中压电缆及变频设备用电缆的选 用、电站选用的发电机品牌和各项参数应尽量一致[6]，至少要保证调速器和执行器一致、必要时需对

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全船电力系统进行仿真分析等等。

3结语

电力推进在船舶上的应用，是一项综合多个专业和多门学科知识的复杂的系统工程。不但历史己

久，而且随着每次科学技术进步都得到迅猛发展。在倡导低碳环保和科学发展提高能效理念的今天， 必将被高度重视，得到新一轮的大发展。参考文献

[1] [2]

谢家纯.电力推进在船舶上的应用及系统设计研宄[J].船舶工程，2011(S2): 61-.钢制海船入级规范2014[S].北京：人民交通出版社，2014.

[3] 汤天昊，韩朝珍.船舶电力推进系统2014[M].北京：机械工业出版社，2015, 3.[4] 陶佳欣，王西甜.综合电力推进系统总体设计分析[J].船舶,2014(3): 66-72.[5] 罗成汉，陈辉.电力推进船舶电力系统中的谐波[J].船舶工程,2007(1): 69-72.

[6] 关英华，梁树森.西门子-肖特尔Z型电力推进系统的设计与安装[C]//中国大连国际海事论坛，大连，2006.

Analysis of Key Points in Design of Marine Electric

Propulsion System

ZHANG Guoli，QU Zhaoyuan

(Deep Water Environmental Protection Ship Project Team，

CNOOC Energy Development Oil Production Service Corporation，Tianjin 300451，China)

Abstract

The marine electric propulsion system has the advantages of small volume，lightweight，flexible layout of the engine room，high automation and high comprehensive utilization rate of the power grid，so that more and more marine engineering vessels have adopted the AC electric propulsion system. This dissertation introduces the advantages and components of the current AC ship vessel propulsion system，and some problems，which should be noticed in the design of the whole system，are mainly discussed.

Key words: electric propulsion; design; power station; voltage level; propeller; harmonics作者简介

张国立男，1970年生，工程师。主要从事船舶监造工作。曲兆源男，1982年生，工程师。主要从事船舶监造工作。