冷藏集裝箱船低壓分區供電方案

王榮，劉崇

（上海船舶研究設計院，上海 201203）

0 前 言

船舶電站設計首先要確定電站配置，即發電機容量、數量以及電站的電制（低壓AC 440V、AC 690V或者中壓AC 6.6 kV）。 對冷藏集裝箱船而言，影響電站配置較大的因素主要包括冷箱數量、 冷箱插座功率選取和貨艙風機功率等。 一般認為當電站總容量超過8 MW 時，常規的AC 440 V 低壓兩段式母線設計會使配電板母線處最大預期短路電流超過130 kA。因配電板母線短路容量、保護開關容量以及分斷能力的限制， 在AC 440 V 電制下低壓電氣保護設備分斷能力無法滿足對超過130 kA短路電流有效保護的要求［1］，所以通常首選考慮采用中壓供電方式。 文獻［2］論述了冷藏集裝箱船采用中壓供電方式與采用兩套獨立低壓供電方式的區別及低壓供電方式的一些優點，并采用船級社使用的估算方法［3］粗略估算了低壓供電時系統可能達到的短路電流值。 但該估算方法采用的參數少，且模型簡單，計算結果準確度較低，僅適用于早期的設計階段。 雖然文獻［4］論述了低壓供電的優勢，但由于其計算結果準確度低，采用的兩套獨立低壓電站設備同樣繁瑣，因此與中壓供電方式相比較的優點并不完全具有說服力。 在大容量電站的配電設計中，需要研究更為簡單靈活的低壓供電方案，并通過仿真計算方法，驗證方案的可行性。

當電站容量超過8 MW 時， 通?？梢钥紤]采用以下幾種供電方案：

1） 方案1：采用兩段式低壓AC 440 V 供電，同時采用并聯聯絡開關和母線，解決短路電流保護問題，但配電板的深度和寬度為非標準產品，在取得船檢證書時也會有困難，且成本較高，一般配電廠家不推薦。

2） 方案2：采用低壓AC 440 V 分區供電系統。在母線間增加聯絡開關，采用三段母線分別對冷箱和其他負載分區域供電，同時母線聯絡開關之間和發電機開關之間采用聯鎖邏輯設置，保證了電力系統供電的連續性，提高了供電方式的靈活性，實現AC 440 V 低壓電制覆蓋10 MW 電站的可能。

3）方案3：選用AC 690 V 低壓系統，同時需要增加AC 690 V/AC 440 V 的冷箱變壓器和常規設備的變壓器，還需要考慮變壓器的布置空間、通風和電纜敷設等。但當電站容量超過10 MW 時，母線處最大預期短路電流有效值已超過低壓電氣保護裝置的極限。

4） 方案4：直接采用AC 6.6 kV 中壓系統，電站容量超過10 MW 短路容量滿足要求。 但從船東管理、船廠成本以及設計方考慮設備的布置、電纜敷設等角度來看，該方案與低壓電站配電比較，問題更復雜。

綜合比較上述4 種方案，方案1、3、4 的成本高，需要的設備布置空間大， 此外方案4 還要考慮中壓電纜的敷設空間問題。 方案2 與其他3 個方案比較，無論從成本還是設計靈活性都更具有競爭力。

采用低壓AC 440 V 分區供電方案，需要實現以下功能：

1） 在發電機無故障情況下，冷箱由固定的發電機組通過第三段母線供電，其他設備通過常規的兩段母線由另外的發電機供電，并備用1 臺發電機。

2） 當其中1 臺為冷箱供電的發電機故障后，常規供電母線的聯絡開關與發電機開關的分斷連鎖，將故障發電機退出后起動備用發電機，剩余發電機容量須滿足繼續向全部冷箱和全船設備供電。

3）當其中1 臺為其他設備供電的發電機出現故障后，剩余發電機容量須滿足繼續向全部冷箱和全船設備供電。

論證方案2 應用的可行性，為大容量電站冷藏集裝箱船的配電系統設計提供更為靈活的選擇。

1 冷箱船低壓分區供電方案

1.1 分區供電方案單線圖搭建

以5 000 TEU 集裝箱船為依托船型， 該船可裝800 個冷箱（艙內和甲板上各400 個），沒有冷箱入級符號的要求。冷箱功率和冷箱深凍/生鮮比率參考DNV 規范Pt.6 Ch.4 Section 8 6.1.4 Figure 1 冷箱功率曲線表中單個冷箱功率5.5 kW 來估算電站容量［5］。

根據冷藏集裝箱船的特點，為計算方便把負載分成4 部分：冷箱、貨艙風機、側推和主輔機負載、日常設備（以下簡稱為HOTEL）。 冷箱總功率5.5×800=4 400 kW，貨艙風機總功率約300 kW，側推功率2 000 kW （30 min 連續工作制）， 常規航行工況HOTEL 設備總功率約1 000 kW。 共配置4 臺額定功率2 450 kW 發電機，電站總容量9.8 MW。若采用常規低壓AC 440 V， 兩段母線4 臺發電機供電，根據LR 短路電流估算法得到配電板母線對稱短路電流約160 kA，已遠超過配電設備的安全值。 采用低壓分區供電方案單線圖如圖1 所示，低壓AC 440 V分區供電方案通過BL1、BL2 兩個聯絡開關將母線分為3 段，分別對應1、2、3 MSB 3 個供電區。采用常規AC 440 V 兩段母線供電方案單線圖如圖2 所示，通過1 個BL 聯絡開關將母線分為兩段。

圖1 低壓AC 440 V 分區供電方案單線圖

圖2 常規AC 440 V 兩段母線供電方案單線圖

1.2 各工況發電機使用說明

因航行及進出港工況下所使用的發電機和負載數量最多，發生故障時會產生最大短路電流和潮流分布，供電方案依據這兩種工況下的電站負荷進行設計， 保證低壓分區供電方案可以實現系統保護。 負荷率估算如表1 所示。

表1 發電機負荷率估算表

1） 航行工況（帶冷箱負載）：母線1 號聯絡開關（以下簡稱BL1）接通，2 號聯絡開關（以下簡稱BL2）斷開，由3 號和4 號發電機同時向冷箱負載供電，1號或2 號發電機向HOTEL 負載和貨艙風機供電，剩余1 臺發電機作為備用機， 發電機均能正常工作。當3 號或4 號發電機中1 臺故障時，BL1 和BL2同時接通， 全船3 臺發電機向冷箱、 貨艙風機和HOTEL 負載供電。因此在航行工況下，可以滿足任1發電機故障時， 冷箱及規范要求的重要設備供電有效。

2）進出港工況（帶冷箱負載）：BL1 接通，BL2 斷開，由3 號和4 號發電機同時向冷箱供電，1 號和2號發電機同時向其他必要負載供電，此時發電機均能正常工作。 當任一發電機故障時，BL1 和BL2 同時接通，3 臺發電機向部分冷箱（約600 個）和其他必要負載供電，滿足規范要求的重要設備、側推及部分冷箱有效供電。 通過在2 個冷箱負載屏之間增加控制來交替供電，彌補因發電機出現故障時冷箱供電不足的問題。

2 短路電流計算與潮流計算分析

分區供電方案利用聯絡開關間的分斷控制可以大幅減小母線短路電流，通過短路電流計算并配合開關的選型進一步量化該方案對短路電流的影響。 計算采用ETAP 軟件，依據IEC 61363 短路電流計算方法［6］分別對三段母線分區供電和常規兩段母線供電的全船最大短路電流仿真計算。 同時通過牛頓迭代法進行系統潮流計算，計算各工況下通過各段母線BL1、BL2 的額定運行電流， 用以校核母線BL 的接通能力。 ETAP 模型對發電機等設備的所需計算參數采用軟件推薦的計算估值如表2 所示。

表2 短路電流與潮流計算需求參數表

2.1 航行工況（帶冷箱負載）

1） 航行工況1（帶冷箱負載，發電機正常工作，無故障，側推不工作）的計算模型如圖3 所示，母線處短路電流計算結果（0.5T 時刻）如表3 所示，其中1、2、3 MSB 為三段母線分區。

表3 航行工況1 系統各分段母線短路電流 單位：kA

圖3 航行工況1 系統短路電流與潮流計算模型

潮流計算得到流經母線處聯絡開關BL1、BL2的電流如表4 所示：BL1 為第一段母線和第二段母線間分段點，BL2 為第二段和第三段母線間分段點，P 為分段點處功率，i 為分段點處流經電流。

表4 航行工況1 系統BL 處潮流

2） 航行工況2（帶冷箱負載，3 號或4 號發電機故障，全船剩余3 臺發電機向所有負載供電）的計算模型（3 號發電機故障為例）如圖4 所示，母線處短路電流計算結果（0.5T 時刻）如表5 所示，此時分區供電的兩個母線聯絡開關（BL1，BL2）均接通，因此與常規兩段母線供電結果相同。 母線分區聯絡開關潮流計算結果如表6 所示。

圖4 航行工況2 短路電流與潮流計算模型

表5 航行工況2 系統各分段母線短路電流 單位：kA

表6 航行工況2 系統BL 處潮流

2.2 進出港工況（帶冷箱負載）

1） 進出港工況1（發電機正常工作，無故障，側推負載正常工作）的計算模型如圖5 所示，母線處短路電流計算結果（0.5T 時刻）如表7 所示，母線分 區聯絡開關潮流計算結果如表8 所示。

表8 進出港工況1 系統BL 處潮流

圖5 進出港工況1 系統短路電流與潮流計算模型

表7 進出港工況1 各分段母線短路電流 單位：kA

2） 進出港工況2（3 號或4 號發電機故障，全部剩余發電機向600 個冷箱、側推和所有重要負載供電）的計算模型（3 號發電機故障為例）如圖6 所示。母線處短路電流計算結果（0.5T 時刻）如表9 所示，此時分區供電的兩個母線聯絡開關（BL1，BL2）均接通，因此與常規兩段母線供電結果相同。 母線分區聯絡開關潮流計算結果如表10 所示。

表9 進出港工況2 系統各分段母線短路電流 單位：kA

表10 進出港工況2 系統BL 處潮流

圖6 進出港工況2 系統短路電流與潮流計算模型

3） 進出港工況3（1 號或2 號發電機故障，剩余3 臺發電機向冷箱（約600 個）和其他負載供電）的短路電流與潮流計算模型（2 號發電機故障為例）如圖7 所示。 母線處短路電流計算結果（0.5T 時刻）如表11 所示。 母線分區聯絡開關潮流計算結果如表12 所示。

表12 進出港工況3 系統BL 處潮流

圖7 進出港工況3 系統短路電流與潮流計算模型

表11 進出港工況3 系統各分段母線短路電流 單位：kA

2.3 方案拓展

三段母線分區供電， 短路電流最大工況為：進出港工況任意1 臺發電機故障，剩余3 臺發電機向部分冷箱（600 個）和其他負載供電。 潮流計算最大工況為：航行工況1 臺發電機故障，剩余3 臺發電機供全部冷箱（800 個）和其他負載。 根據配電廠家的資料， 短路電流小于設備保護的最大分斷能力。母線聯絡開關處的計算通過電流也小于設備的額定通過能力。

常規兩段母線供電，4 臺發電機正常運行，進出港工況的短路電流達到了135 kA（見表7），超過了設備保護的最大分斷能力，難以選擇開關。 且正常航行工況時，常規兩段母線供電短路電流也較三段分區供電方式大（見表3）。 分析其主要原因是采用三段母線分區供電方式，減少了同時并網工作的電源數量，當發生短路故障時，向電網饋送短路電流的電源短路容量較常規兩段母線供電時小。

依據上述結果分析， 當電站容量大于9.8 MW時，在母線短路電流允許的范圍內低壓分區供電方案的應用還有拓展空間。 以航行工況為基礎，保持正常發電機功率不變，將單臺冷箱負載用發電機擴容至3 200 kW，電站總容量約11.3 MW，冷箱數量增加至1 000 個，采用低壓分區供電方案。

系統短路電流與潮流計算模型如圖8 所示。 母線處短路電流計算結果（0.5T 時刻）如表13 所示，母線最大短路電流出現在航行工況，當1 臺發電機故障，由剩余3 臺發電機向全船和1 000 個冷箱供電。

表13 電站容量11.3 MW 低壓分段母線短路電流 單位：kA

圖8 低壓分區供電方案單線圖（2 臺3 200 kW 發電機）

潮流計算得到通過BL2 最大額定電流為5300A，比母線聯絡開關最大框架值6 300 A 小，因此配置2臺3 200 kW 發電機向全部1 000 個冷箱供電，系統采用低壓分區配電方案可行。

3 結 語

超過8 MW 大容量電站的冷藏集裝箱船采用低壓配電系統，三段母線分區供電方式由獨立的母線和發電機為冷箱供電，其他負載則由另外兩段母線和發電機供電。 當出現故障時，通過母線聯絡開關與備用發電機開關的分斷接通控制，又可以實現重要負載的連續供電。

三段母線分區供電系統方案靈活、可靠，母線不存在同時并聯的情況，可以有效降低母線最大短路電流容量，且任意兩段母線最大短路電流容量滿足低壓配電裝置選型要求。 由于發電機的直軸暫態電抗參數對短路電流計算影響較大，因此在實際工程項目的計算仿真中， 需要盡可能依據實際參數，才能得到可靠的計算結果。