干貨滿滿 | 海風吹來了寶藏，探秘風電船載直流電網

近幾年風電行業吹起的熱浪“狂飆”不止，隨著全球對可再生能源的需求不斷增長，風電行業將繼續保持快速增長的態勢。

競爭是進步的源泉，市場需求穩穩拿捏著風電安裝船和運維船的升級迭代方向，即深水化、大型化、專業化、智能化、集成化。明確的目標倒逼核心設備和系統包括動力系統、安全設備、定位系統、推進系統、通信系統的各大廠商不斷進行技術突破，力求實現技術躍遷。其中電力供應是保障各類設備和系統高效安全運行的關鍵所在。

本期，我們將帶您探秘行業“新秀”——風電船載直流電網。

01.市場需求與前沿技術裹挾前行

在電力系統圈，交流電一直以來都是船舶界的“團寵”。但隨著社會發展對低碳環保的要求越來越嚴苛，市場急需更清潔、更高效的電力供應，這大大催動了電力電子、儲能系統和可再生能源的快速發展。于是乎，動力系統和推進系統加載蓄電池儲能系統（ESS）的部署方案冉冉盛行，船載直流電網在歷經長期蟄伏后開始展露鋒芒。

很多研究已經表明，與傳統的交流電力系統相比，船載直流電網系統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，瑞典海事技術論壇（SMTF）進行的一項研究發現，與同等的交流系統相比，在船舶上使用直流電網可以減少多達27%的燃料消耗。此外，該報告發現，船載直流電網系統可以降低維護成本，提高運行可靠性，并支持可再生能源的集成。

可以預見，在數字化升級、綠色環保以及高效安全運營的大趨勢下，船載直流電網將成為實現可持續船舶運營發展的必然之選。

02.安全感實足的“鋼鐵直男”

技術創新并不一定是做出一個新東西，而是要帶來真正的改變。船載直流電網的誕生最初是源于船東希望減少對變壓器和配電盤等設備的依賴，簡化電力架構的需求。為了以極簡的處理方式迎合越來越嚴苛的市場和應用需求，船載直流電網應時而生。

作為定制化的模塊化系統平臺，船載直流電網有著其獨特的優點：

安全穩定的設備和電力保障是實現高效運營的基礎，船載直流電網出手，使命必達。先進的直流電網可以實現將斷路器和變頻器控制疊加保險絲和隔離開關的安保組合，利用輸入回路（Input Circuit）將直流母線和電網區進行邏輯功能分區。正常情況下電流可以進行雙向流動，但當電網區發生故障時，輸入回路可以立刻阻斷故障電流在該方向的流動，但反方向可以保持暢通。

集中式直流電網系統

直流母線區

其特點是大多數連接到母線的逆變器都內置了支持母線電壓的電容器組，而母線的容性或者說電容量決定了當該區發生故障電流時，會在很短的時間內發生高電流。因此，任何故障都必須迅速處理，防止對連接的逆變器產生不良影響。固態斷路器和快熔保險絲的組合特別適合應對這種情況，在幾微秒到幾毫秒之間就可以快速斷開故障電路。同時輸入回路可以確保在母線區外發生的故障不會影響到逆變器。

電網區

該區的特點則相反，因反應時間長，該區需要使用慢動作保護方案。電網所有的接入點都由可控制故障電流的設備保護，根據其低故障電流水平和折疊或空氣斷路器保護方案，促使電網區非常適合用于在船舶內輸送電力。該系統可以替代 690 或 660Vac 配電系統，使導線截面減少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.下一代風電船，且看新能源與直流電網的高能協作

新能源的高速發展態勢促使船舶的混合電力系統將成為下一代風電船的不二之選，而與之匹配的電網還需滿足以下幾點：

高容錯性

以更安全、更靈活適配的方式高效集成多類型能源

能夠承擔能源系統集中化管理和維護的職責

混合電力系統和船載直流電網是相輔相成，互為助力:

同時，搭載功率和能源管理系統 （PEMS），可以平衡功率和能源，確保用電設備能夠有足夠的可用功率。特別是當電力系統中加載蓄電池或超級電容等提供有限能源的儲能裝置時，能源的平衡管理就變得尤為重要。當直流電網中變速發電機組和鋰電池等并聯運行時，該系統肩負著能量緩沖的功能，由柴油機提供穩定的電力。PEMS 的結構中每個能源都是一個自主子系統，這樣可以減少能源間的相互依賴，提高系統的容錯能力。此外，子系統的大多數功能都保持各自獨立和完整，即使從本地控制操作船舶依然可以做到直觀、流暢、便捷。

混合電力系統和船載直流電網之間互利協作的價值主要在于：

04.所謂未來，就是現在

總體來說，船載直流電網是未來發展的一個趨勢。隨著海運業不斷發展，電力電子和儲能技術的進步，未來可能會引發越來越多的市場需求促使直流電網開啟更廣泛的應用，助力風電船向更智能、更環保和更高效的方向發展。

與此同時，風電船的發展也面臨著一些技術和經濟上的挑戰，因此布局風電船的大佬們開始卷起了一股整合一體化解決方案的風潮，包括推進系統、定位系統、直流電網配電系統、儲能裝置、領航控制系統等一系列自動化和數字化的一攬子方案正在悄然走紅。當然，要打造一個可持續發展的整合方案除了可靠的產品和技術，還需要有專業的知識和深厚的行業經驗積淀，量身定制解決方案的能力，全球性平臺支持和服務資源以及可持續發展的理念作為強大支撐。新風向已經明確，在創新技術的不斷推動下，風電船舶必將行的更遠，走得更穩。

05.熱門問題解答

Q1.對于多能源形式供電的直流電網的能源管理策略是怎樣的？

總的策略是“充分發揮系統中各種能源的優勢”。對于一個簡單混合系統來說，這意味著儲能系統（Energy Storage，ES）將主要履行能量緩沖的功能，而柴油機則負責提供穩定的電力。

達到這一結果的某些功能是在底層實現的，靠近逆變器和儲能系統，通常是需要快速響應的功能，例如負荷分配和過載保護，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實現，例如傳統的PMS功能，通常是需要在不同能源間進行協調。最佳的功能和性能需要通過能源和負載間的水平整合以及變頻器和發電機嵌入控制系統級應用間的垂直整合而實現的。

Q2.直流電網系統短路保護的注意事項有哪些？

如上文介紹，船載直流電網通過輸入回路將系統分為直流母線區和電網區。直流母線區的故障電流具有非常小的時間常數。因此，發生在該區的任何故障都須得到迅速處理，以防止對連接的逆變器產生負面影響。固態斷路器和快熔保險絲可以在幾微秒到幾毫秒之間斷開故障電路，而輸入回路（Input Circuit）將確保母線區外發生的故障不會導致逆變器立刻因欠壓而脫扣。電網區的特點是故障電流具有較大的時間常數。這意味著在該區可以使用較慢的動作保護方案，例如折疊方案或空氣斷路器。電網的所有接入點都由可控制故障電流的設備保護。電網區非常適合在船舶內輸送電力。

Q3.針對可安裝20MW風機的安裝船，推薦采用哪些直流電網拓撲？中壓直流電網設計及應用的關鍵技術有哪些？

常見的直流電網拓撲分環形和星型，按照不同的應用可以有不同的配置。目前大型風電安裝船見的比較多的是環形拓撲。20MW的風機安裝船從電網拓撲角度與15MW不會有太大不同。更大的風機安裝能力意味著船更大，安裝吊機更大，只要不超過船載直流電網對單個設備最大功率的限制即可，目前這一限制是5MW左右。

關于中壓直流電網目前還處于研發階段，未來期待能夠與大家分享更多信息。

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