近幾年風(fēng)電行業(yè)吹起的熱浪“狂飆”不止，隨著全球?qū)�可再生能源的需求不斷增長(zhǎng)，風(fēng)電行業(yè)將繼續(xù)保持快速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。

競(jìng)爭(zhēng)是進(jìn)步的源泉，市場(chǎng)需求穩(wěn)穩(wěn)拿捏著風(fēng)電安裝船和運(yùn)維船的升級(jí)迭代方向，即深水化、大型化、專(zhuān)業(yè)化、智能化、集成化。明確的目標(biāo)倒逼核心設(shè)備和系統(tǒng)包括動(dòng)力系統(tǒng)、安全設(shè)備、定位系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)的各大廠商不斷進(jìn)行技術(shù)突破，力求實(shí)現(xiàn)技術(shù)躍遷。其中電力供應(yīng)是保障各類(lèi)設(shè)備和系統(tǒng)高效安全運(yùn)行的關(guān)鍵所在。

本期，我們將帶您探秘行業(yè)“新秀”——風(fēng)電船載直流電網(wǎng)。

01.市場(chǎng)需求與前沿技術(shù)裹挾前行

在電力系統(tǒng)圈，交流電一直以來(lái)都是船舶界的“團(tuán)寵”。但隨著社會(huì)發(fā)展對(duì)低碳環(huán)保的要求越來(lái)越嚴(yán)苛，市場(chǎng)急需更清潔、更高效的電力供應(yīng)，這大大催動(dòng)了電力電子、儲(chǔ)能系統(tǒng)和可再生能源的快速發(fā)展。于是乎，動(dòng)力系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng)加載蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)（ESS）的部署方案冉冉盛行，船載直流電網(wǎng)在歷經(jīng)長(zhǎng)期蟄伏后開(kāi)始展露鋒芒。

很多研究已經(jīng)表明，與傳統(tǒng)的交流電力系統(tǒng)相比，船載直流電網(wǎng)系統(tǒng)可以顯著提高能源效率，降低燃料成本，并降低溫室氣體排放。

例如，瑞典海事技術(shù)論壇（SMTF）進(jìn)行的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，與同等的交流系統(tǒng)相比，在船舶上使用直流電網(wǎng)可以減少多達(dá)27%的燃料消耗。此外，該報(bào)告發(fā)現(xiàn)，船載直流電網(wǎng)系統(tǒng)可以降低維護(hù)成本，提高運(yùn)行可靠性，并支持可再生能源的集成。

可以預(yù)見(jiàn)，在數(shù)字化升級(jí)、綠色環(huán)保以及高效安全運(yùn)營(yíng)的大趨勢(shì)下，船載直流電網(wǎng)將成為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)船舶運(yùn)營(yíng)發(fā)展的必然之選。

02.安全感實(shí)足的“鋼鐵直男”

技術(shù)創(chuàng)新并不一定是做出一個(gè)新東西，而是要帶來(lái)真正的改變。船載直流電網(wǎng)的誕生最初是源于船東希望減少對(duì)變壓器和配電盤(pán)等設(shè)備的依賴(lài)，簡(jiǎn)化電力架構(gòu)的需求。為了以極簡(jiǎn)的處理方式迎合越來(lái)越嚴(yán)苛的市場(chǎng)和應(yīng)用需求，船載直流電網(wǎng)應(yīng)時(shí)而生。

作為定制化的模塊化系統(tǒng)平臺(tái)，船載直流電網(wǎng)有著其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：

安全穩(wěn)定的設(shè)備和電力保障是實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)營(yíng)的基礎(chǔ)，船載直流電網(wǎng)出手，使命必達(dá)。先進(jìn)的直流電網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)將斷路器和變頻器控制疊加保險(xiǎn)絲和隔離開(kāi)關(guān)的安保組合，利用輸入回路（Input Circuit）將直流母線和電網(wǎng)區(qū)進(jìn)行邏輯功能分區(qū)。正常情況下電流可以進(jìn)行雙向流動(dòng)，但當(dāng)電網(wǎng)區(qū)發(fā)生故障時(shí)，輸入回路可以立刻阻斷故障電流在該方向的流動(dòng)，但反方向可以保持暢通。

集中式直流電網(wǎng)系統(tǒng)

直流母線區(qū)

其特點(diǎn)是大多數(shù)連接到母線的逆變器都內(nèi)置了支持母線電壓的電容器組，而母線的容性或者說(shuō)電容量決定了當(dāng)該區(qū)發(fā)生故障電流時(shí)，會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生高電流。因此，任何故障都必須迅速處理，防止對(duì)連接的逆變器產(chǎn)生不良影響。固態(tài)斷路器和快熔保險(xiǎn)絲的組合特別適合應(yīng)對(duì)這種情況，在幾微秒到幾毫秒之間就可以快速斷開(kāi)故障電路。同時(shí)輸入回路可以確保在母線區(qū)外發(fā)生的故障不會(huì)影響到逆變器。

電網(wǎng)區(qū)

該區(qū)的特點(diǎn)則相反，因反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，該區(qū)需要使用慢動(dòng)作保護(hù)方案。電網(wǎng)所有的接入點(diǎn)都由可控制故障電流的設(shè)備保護(hù)，根據(jù)其低故障電流水平和折疊或空氣斷路器保護(hù)方案，促使電網(wǎng)區(qū)非常適合用于在船舶內(nèi)輸送電力。該系統(tǒng)可以替代 690 或 660Vac 配電系統(tǒng)，使導(dǎo)線截面減少40% 以上，并可以使用更便宜的單芯電纜替代昂貴的多芯雙屏蔽電纜。

03.下一代風(fēng)電船，且看新能源與直流電網(wǎng)的高能協(xié)作

新能源的高速發(fā)展態(tài)勢(shì)促使船舶的混合電力系統(tǒng)將成為下一代風(fēng)電船的不二之選，而與之匹配的電網(wǎng)還需滿(mǎn)足以下幾點(diǎn)：

高容錯(cuò)性

以更安全、更靈活適配的方式高效集成多類(lèi)型能源

能夠承擔(dān)能源系統(tǒng)集中化管理和維護(hù)的職責(zé)

混合電力系統(tǒng)和船載直流電網(wǎng)是相輔相成，互為助力:

同時(shí)，搭載功率和能源管理系統(tǒng) （PEMS），可以平衡功率和能源，確保用電設(shè)備能夠有足夠的可用功率。特別是當(dāng)電力系統(tǒng)中加載蓄電池或超級(jí)電容等提供有限能源的儲(chǔ)能裝置時(shí)，能源的平衡管理就變得尤為重要。當(dāng)直流電網(wǎng)中變速發(fā)電機(jī)組和鋰電池等并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，該系統(tǒng)肩負(fù)著能量緩沖的功能，由柴油機(jī)提供穩(wěn)定的電力。PEMS 的結(jié)構(gòu)中每個(gè)能源都是一個(gè)自主子系統(tǒng)，這樣可以減少能源間的相互依賴(lài)，提高系統(tǒng)的容錯(cuò)能力。此外，子系統(tǒng)的大多數(shù)功能都保持各自獨(dú)立和完整，即使從本地控制操作船舶依然可以做到直觀、流暢、便捷。

混合電力系統(tǒng)和船載直流電網(wǎng)之間互利協(xié)作的價(jià)值主要在于：

04.所謂未來(lái)，就是現(xiàn)在

總體來(lái)說(shuō)，船載直流電網(wǎng)是未來(lái)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。隨著海運(yùn)業(yè)不斷發(fā)展，電力電子和儲(chǔ)能技術(shù)的進(jìn)步，未來(lái)可能會(huì)引發(fā)越來(lái)越多的市場(chǎng)需求促使直流電網(wǎng)開(kāi)啟更廣泛的應(yīng)用，助力風(fēng)電船向更智能、更環(huán)保和更高效的方向發(fā)展。

與此同時(shí)，風(fēng)電船的發(fā)展也面臨著一些技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的挑戰(zhàn)，因此布局風(fēng)電船的大佬們開(kāi)始卷起了一股整合一體化解決方案的風(fēng)潮，包括推進(jìn)系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、直流電網(wǎng)配電系統(tǒng)、儲(chǔ)能裝置、領(lǐng)航控制系統(tǒng)等一系列自動(dòng)化和數(shù)字化的一攬子方案正在悄然走紅。當(dāng)然，要打造一個(gè)可持續(xù)發(fā)展的整合方案除了可靠的產(chǎn)品和技術(shù)，還需要有專(zhuān)業(yè)的知識(shí)和深厚的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)積淀，量身定制解決方案的能力，全球性平臺(tái)支持和服務(wù)資源以及可持續(xù)發(fā)展的理念作為強(qiáng)大支撐。新風(fēng)向已經(jīng)明確，在創(chuàng)新技術(shù)的不斷推動(dòng)下，風(fēng)電船舶必將行的更遠(yuǎn)，走得更穩(wěn)。

05.熱門(mén)問(wèn)題解答

Q1.對(duì)于多能源形式供電的直流電網(wǎng)的能源管理策略是怎樣的？

總的策略是“充分發(fā)揮系統(tǒng)中各種能源的優(yōu)勢(shì)”。對(duì)于一個(gè)簡(jiǎn)單混合系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這意味著儲(chǔ)能系統(tǒng)（Energy Storage，ES）將主要履行能量緩沖的功能，而柴油機(jī)則負(fù)責(zé)提供穩(wěn)定的電力。

達(dá)到這一結(jié)果的某些功能是在底層實(shí)現(xiàn)的，靠近逆變器和儲(chǔ)能系統(tǒng)，通常是需要快速響應(yīng)的功能，例如負(fù)荷分配和過(guò)載保護(hù)，由各種不同的能源自主完成。其它一些功能則在更高的層級(jí)實(shí)現(xiàn)，例如傳統(tǒng)的PMS功能，通常是需要在不同能源間進(jìn)行協(xié)調(diào)。最佳的功能和性能需要通過(guò)能源和負(fù)載間的水平整合以及變頻器和發(fā)電機(jī)嵌入控制系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用間的垂直整合而實(shí)現(xiàn)的。

Q2.直流電網(wǎng)系統(tǒng)短路保護(hù)的注意事項(xiàng)有哪些？

如上文介紹，船載直流電網(wǎng)通過(guò)輸入回路將系統(tǒng)分為直流母線區(qū)和電網(wǎng)區(qū)。直流母線區(qū)的故障電流具有非常小的時(shí)間常數(shù)。因此，發(fā)生在該區(qū)的任何故障都須得到迅速處理，以防止對(duì)連接的逆變器產(chǎn)生負(fù)面影響。固態(tài)斷路器和快熔保險(xiǎn)絲可以在幾微秒到幾毫秒之間斷開(kāi)故障電路，而輸入回路（Input Circuit）將確保母線區(qū)外發(fā)生的故障不會(huì)導(dǎo)致逆變器立刻因欠壓而脫扣。電網(wǎng)區(qū)的特點(diǎn)是故障電流具有較大的時(shí)間常數(shù)。這意味著在該區(qū)可以使用較慢的動(dòng)作保護(hù)方案，例如折疊方案或空氣斷路器。電網(wǎng)的所有接入點(diǎn)都由可控制故障電流的設(shè)備保護(hù)。電網(wǎng)區(qū)非常適合在船舶內(nèi)輸送電力。

Q3.針對(duì)可安裝20MW風(fēng)機(jī)的安裝船，推薦采用哪些直流電網(wǎng)拓?fù)洌恐袎褐绷麟娋W(wǎng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)有哪些？

常見(jiàn)的直流電網(wǎng)拓?fù)浞汁h(huán)形和星型，按照不同的應(yīng)用可以有不同的配置。目前大型風(fēng)電安裝船見(jiàn)的比較多的是環(huán)形拓?fù)洹?0MW的風(fēng)機(jī)安裝船從電網(wǎng)拓?fù)浣嵌扰c15MW不會(huì)有太大不同。更大的風(fēng)機(jī)安裝能力意味著船更大，安裝吊機(jī)更大，只要不超過(guò)船載直流電網(wǎng)對(duì)單個(gè)設(shè)備最大功率的限制即可，目前這一限制是5MW左右。

關(guān)于中壓直流電網(wǎng)目前還處于研發(fā)階段，未來(lái)期待能夠與大家分享更多信息。

[1] 張志旺,曹莉. ABB船載直流電網(wǎng)系統(tǒng)淺析[J]. 船舶, 2018, 29(04):61-66.