第三章电力系统综述

第三章电力系统综述

教学目标：

1、了解电力推进系统各部分组成；

2、了解发电模块的组成及原理；

3、了解配电模块的组成及原理；

4、了解马达驱动器的原理；

5、了解推进器单元模块；

6、了解发电及配电及推进器发展的趋势；

单元一引言

船用电力系统与陆上电力系统之间的主要不同是，船用电力系统是一个独立的系统，从电能的产生到用电设备的传输距离较短；相反，陆上电力系统其电能产生到用电设备间距离长达数百千米是很正常的，中间有很长的传输电线和若干电压变换环节。船上安装的功率总量可能较高，这将给船上的电力系统带来特殊的挑战。短路级别较高时必须有安全的操作模式。陆上电力系统的控制系统被分成若干个子系统，然而，船上的电力系统要求尽可能的紧凑和协调。

在最近一段时期内，船上的电力系统，推进系统以及控制系统的设计都经历了重大的变革和改进。由于计算机性能、微处理器以及通信网络的快速发展，使这些原来独立分散的系统成为综合系统，不仅切实可行，而且正在快速发展成工业的标准。推进冗余以及二级和三级动态定位船舶增长的需要，要求系统冗余有物理的分离。船上不同系统间的交叉变得日益复杂，使船舶的设计、施工建造需要一个更综合的努力。

图3.1 给出了一电力推进船的电力系统装置的单线图。此图描述了船上电力系统的主要组成部分，分别是：发电系统、配电系统、变速驱动系统、推进/侧推系统。

图3.1 装备有吊舱式推进器的船舶电网单线图 G1-G4：发电机，SWBD：配电板，TRANSF：变压器，BT：艏侧推，AZTHR：Z型传动的侧推器，AZIPOD：吊舱式推进器

单元二发电系统

3.2.1 原动机

电源通常是一套由燃烧柴油或重油的内燃机驱动的发电机组。偶尔也能发现气体内燃机，也有燃气轮机，蒸汽轮机或联合循环轮机，特别是在更高功率级别轻型高速的船舶上，或者是燃气作为一种便宜燃料选择的船上（例如，油产品中的废气，液化天然气船上挥发出的气体，等等）。

在柴-电推进系统中，柴油机通常是中高速机，它比直接用于推进的低速机有更低的重量和成本。电站的有效性被高度关注，柴电系统中有多台柴油机在冗余的网络上；这意味着高的可靠性但复杂的诊断系统和短的维修时间。

内燃机不断的向着更高的效率和减少排放发展，目前，一个中速柴油机在最佳工作点时耗油率不多于200g/kwh，见图3.2a）。即使这被看作一个高的燃料利用因数，它仅代表这燃料中40%的能量被利用，其余的能量以热或者废气的形式散失掉。

此外，当负载低于50%的最大持续额定负载时效率下降的很快。在这种工作条件下，燃烧不充分，产生高浓度的氮氧化物和硫化物，也产生结碳增加维护成本。在柴电系统中有若干柴油机组，这是为了实现根据负载通过启动或停止发电机组，保持柴油机的负载在其最佳工作点，如图3.2b）所示，也就是为了每一台运行的柴油机的平均负载尽可能地接近其最佳负载点。

关于内燃机性能和设计的详述，见Mahon的文献【66】.

图3.2：a)中速机燃油消耗曲线实例

b)直接机械推进和四个柴油机-电力推进系统从内燃机到桨轴总的效率对比

3.2.2 发电机

大多数的新造船舶和所有的商业船舶都有交流发电站和交流配电系统。发电机是同步电机，转子上有通直流电的励磁绕组，定子上有三相绕组，当原动机带动转子旋转时，励磁电流形成的磁场在三相绕组中感应出三相正弦电压。感应电压的频率正比于转子转速n[RPM]和同步电机磁极数p：

一个两极的发电机在转速为3600RPM时，一个在四极的发电机在转速为1800RPM时，以及一个六极发电机在转速为1200RPM时等等，电压频率都是60Hz。对于两极、四极和六极的发电机在转速分别为3000RPM、1500RPM和1000RPM时，电压频率为50Hz。大型中速柴油机通常工作在720 RPM为电网供60Hz电（发电机极数为10），或者工作在750 RPM为电网供50Hz电（发电机极数为8）。

通过电刷和滑环，直流电预先通入到励磁绕组中。现在的发电机都是无刷励磁，减少维护和停机时间，见图3.3。无刷励磁机是一个同步电机（定子上有直流励磁，三相绕组在转子上）和一个旋转的整流器。之后整流电流通入励磁绕组。

图3.3 转子绕组的励磁左边：有刷右边：无刷励磁

励磁通过自动电压调节器（A VR）来控制，A VR检测发电机的端电压并与参考值进行比较。简单来说，这个控制器具有PID特性，其积分作用根据发电机负载给出一个电压降。电压降确保并联运行的发电机所分担的无功功率相等。根据最适用的规则，发电机终端电压的静态变化率不超过额定电压的 2.5%。而且，最大的瞬时负载变化不允许引起电压变化超过额定电压的-15%或+20%，除非在总系统设计中有详细说明和解释。为了满足这个瞬态要求，A VR通常也根据测量的定子电流加入前馈控制功能。

除了励磁绕组之外，转子也装有阻尼绕组，它有轴向的铜条穿过转子磁极的外围，在两端被铜环短路。阻尼绕组的目的就是为了在定转子间引入电磁阻尼。同步电机如果没有阻尼绕组就不能产生阻尼，会导致频率和负载变化时负载分配分配都发生大的振荡。

注：阻尼绕组的作用是什么？

答:凸极同步发电机转子设计有交直轴阻尼绕组。阻尼绕组在结构上相当于在转子励磁绕组外叠加的一个短路鼠笼环其作用也相当于一个随转子同步转动的"鼠笼异步电机"对发电机的动态稳定起调节作用。发电机正常运行时由于定转子磁场是同步旋转的因此阻尼绕组没有切割磁通因而也没有感应电流。当发电机出现扰动使转子转速低于定子磁场的转速时阻尼绕组切割定子磁通产生感应电流，感应电流在阻尼绕组上产生的力矩使转子加速二者转速差距越大则此力矩越大加速效应越强。反之当转子转速高于定子磁场转速时，此力矩方向相反是使转子减速的，因此阻尼绕组对发电机运行的动态稳定有良好的调节作用.

什么是发电机的直轴瞬变电抗Xd′ 与发电机结构有什么关系？

答:Xd′是代表发电机运行中三相突然短路初始时间(阻尼绕组的电流衰减后)的过渡电抗.直轴瞬变电抗是发电机额定转速运行时定子绕组直轴总磁链产生的电压中的交流基波分量在突变时的初始值与同时变化的直轴交流基波电流之比.它也是发电机和整个电力系统的重要参数对发电机的动态稳定极限及突然加负荷时的瞬态电压变化率有很大影响.Xd′越小动态稳定极限越大瞬态电压变化率越小;但Xd′越小定子铁芯要增大从而使发电机体积增大成本增加.Xd′的值主要由定子绕组和励磁绕组的漏抗值决定.

结构上Xd′与电负荷A极距τ有如下关系:

k为比例系数.可见要降低Xd′必须减小A或加大τ都将使发电机尺寸增大.

什么是发电机的直轴超瞬变电抗Xd〃与发电机结构有什么关系Xd〃的大小对系统有什么影响？答:Xd〃是代表发电机运行中三相突然短路最初一瞬问的过渡电抗.发电机突然短路时转子励磁绕组和阻尼绕组为保持磁链不变感应出对电枢反应磁通起去磁作用的电流将电枢反应磁通挤到励磁绕组和阻尼绕组的漏磁通的路径上。这个路径的磁阻很大即磁导很小，故其相对应的直轴电抗也很小，这个等效电抗称为直轴超瞬变电抗Xd〃，也即有阻尼绕组的发电机突然短路时定子电流的周期分量由Xd〃来限制。

结构上Xd〃主要由发电机定子绕组和阻尼绕组的漏抗值决定.

对于无阻尼绕组的发电机则Xd〃= Xd′.

由于Xd〃的大小影响电力系统突然短路时短路电流的大小故Xd〃值的大小也影响到系统中高压输变电设备特别是高压断路器的选择如动稳定电流等参数.从电气设备选择来说希望Xd〃大些这样短路电流小一些.）

从同步电机的理论可知，它有静态模型，瞬态模型和超瞬态模型。简单地说，阻尼绕组中产生的磁链被捕获并反抗由于短接产生的变化，表现出超瞬态间隔特性。这时被观测到发电机中的感应系数显著降低，在负载快速改变时它给出较硬的电器特性，而且有助于减少瞬态电压变化和由于电压变化引起负载电流谐波。这种效果仅有助于动态变化比超瞬态时间常数特性快，例如电机启动的瞬间，变压器的浪涌电流，负载电流的失真。

发电机经常连接在推进柴油机的轴上，如轴带发电机。轴带发电机在有些应用中为双向功率流向，即可作为电动机运行。这种原理可以被称为PTI-PTO概念（输入功率-输出功率）。如果发电机的输出要保持恒定频率，轴带发电机就有强迫主推进器运行在固定转速的缺点。在低负载场合，这将减少推进器的效率。对于变速情况，可安装静止的变频器来保持固定的频率。

单元三配电系统

3.3.1 配电板

主配电板（或发电机配电板）通常是分布式的，被分成两部分，三部分或四部分，这是为了符合船舶的冗余要求。根据电力推进系统的规范和规则，船舶应该承受某一部分出现故障的结果，例如，由于短路造成的结果。根据最严格的冗余要求，船舶也应该承受由于火灾或进水引起的故障，即防水和防火的隔离开关必须用来分开这些部分。