未来：MVDC大型船舶研究计划外文翻译资料

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未来：MVDC大型船舶研究计划

摘要—如今，中压直流（MVDC）技术代表了大型全电动船舶（例如邮轮或军用船只）的船载电力系统的新可能性。这个新概念的提出具有十分重要的优点，例如简化系统，模块化和提升系统效率，以及减少用于技术系统的空间。对于希望在市场上保持领先地位的造船厂来说，这将是主要的优点。因此，中压直流大型船舶研究计划（在本文提出的）试图满足其中一个合作伙伴的工业需要：Fincantieri造船厂，这个造船厂的专业技术对这项研究影响深远，而且必不可少。

关键词：全电力船；中压直流；大型船舶；邮轮；军用舰船

1.介绍

综合电力系统（IPS）始于30年前^[1,2,3]，现在全部的游轮被赋予了综合电力系统（IPS）的概念，以确保提高系统效率和显著节省燃料。为此目的，综合电力系统IPS统一为推进系统和酒店负载供电，并允许在有需要时重新分配电能。由于电力推进和综合电力系统IPS具有不可否认的优势^[1，2，3]，全电动船舶（AES）概念已成为现代邮轮公认的标准。

近来，AES概念不仅在大型游轮中受到欢迎，而且在海军舰艇中也受到欢迎。事实上，世界上的几大海军已经提出了基于AES架构的研究项目和创新设计。这些在军事上应用的一些相关示例有英国45型，意大利-法国FREMM和美国DDG 1000。这些现代船舶都装备有电力推进和中压交流电（MVAC）IPS，以保证大型全电动邮轮（其中包括电动机的相当大的动力，电动机的低振动，定位柴油发电机的合理配置）具有同样的优势。

考虑到在AES中，大多数负载都是通过功率转换器连接到母线^[1]，为增强功率密度和系统的效率，一个新的分配概念已经提出：中压直流（MVDC）配电（相关研究首先投资应用于军事部门^[4]）。这样的分配系统通过直流母线进行配电（中压：额定电压高于1kV），并且以在发电机和负载侧的电力电子装置的广泛使用为核心。这种新配电结构的优点在IEEE标准1709 ^[5]已经作了具体描述，而最重要的可概括如下：

bull;消除了发电机并网时对相角的需要，简化了发电机并网程序;

bull;消除大型低频变压器的使用;

bull;能够在故障后重构系统;

bull;通过使用高速发电机降低电力系统的体积/重量;

bull;改进电力潮流的控制，特别是在瞬态和紧急情况下;

bull;通过允许原动机变速操作来降低燃料消耗;

bull;通过储能，提高效率和功率可用性。

鉴于上述优点，创新的中压直流配电不仅被认为是可以用于军事应用的一项可靠技术，而且还是大型商船（例如邮轮）发展的良好机会。特别是在减少燃料消耗和减少动力系统体积和重量方面，成为吸引对这个研究领域的投资的主要驱动力。在这方面，名为“中压直流大型船舶”的三年研究计划（由欧洲基金FESR，弗吉利亚 - 威尼斯朱利亚共同资助）^[6]代表了对中压直流配电的第一个民事计划。正如以下具体讨论的，研究的目的是通过对子系统（例如发电系统，电力转换，分配，电压控制等）的研究，为船载中压直流电力系统提供一个设计方案。

图2 未来船舶演变图

图1 下一代船用综合电力系统技术发展路线图

图3 改进邮轮的一种可能方式

1. 面向未来

关于军事应用，图1中描述的方案可能是理解船载电力系统从MVAC到MVDC的演变的良好起点。2007年，美国海军海上系统司令部（NAVSEA）提出了下一代综合电力系统（NGIPS）技术发展路线图^[4]：该文件是美国海军实现未来MVDC综合电力系统在战舰和潜艇上应用的基石。

高功率密度，高服务质量和系统重构是海军船载电力系统的主要目标之一。 虽然大量的投资以及基于DDG 1000的成功（参见图1中的“现在”标签）有可能改进当前的技术，但仍需要付出大量的努力来实现最后的飞跃以确保实现这些目标。NGIPS技术发展路线图指出中压直流配电是作为改进IPS功能的关键技术。然而，路线图是在2007年构想的，并描绘了使用高频交流电（HFAC）技术作为中间步骤的MVDC的演变。虽然这样做是为了减少这种新型配电系统（MVDC）所需的工业研究带来的经济影响。现在，发展高频交流电HFAC配电技术被认为是无用的，研究直接指向直流。

刚刚所提出的进化概念也可以扩展到商业区域。着眼于商船，图2描绘了不同船舶进化趋势的的概念方案，显示出船上技术领域（灰色）对体积的改进。从旧式船舶（上个世纪的一半）开始，可以观察到技术领域的发展在每个船舶类别（商船，邮轮和军事）中是如何缩小其体积的。船舶体积的缩小（并且可以进一步缩小），主要是由于原动机和电力分配技术的改进。如图2所示，基于新一代动力系统（例如MVDC技术）和电力推进的可能，未来将以最小的技术面积为特征。MVDC配电方案可能成为每个类别船舶的最佳解决方案，并且获得的空间可以用于托管更多的有效载荷（例如，商船中的货物，游轮中的货舱和海军舰艇中的武器）。事实上，在当前使用的中压交流电制的大型邮轮中，超过84％的总电功率需要被转换成直流（由于变频驱动器的越来越多的采用），由于大量转换装置（非最佳功率转换架构）的串联连接而使得功率损耗增加。因此，能够通过特定的直流母线提供总负载需求的集中式AC / DC电力转换（例如，由AC / DC电力转换器耦合的AC同步电机[5]），可以增强全系统效率并减少电力转换装置的使用而节约空间。

MVDC大型船项目的主要工业合作伙伴是Fincantieri S.p.A.，它是世界上最重要的造船厂之一，特别是在邮轮方面。围绕这个业务领域，对设计过程提出根本性变化似乎是保持其领先地位的最佳方式（图3）。事实上，在造船行业中，为了保持市场领先地位，日益增长的竞争要求遵循创新的概念，特别是在船舶设计（例如开发船的三维模型的新软件）和推进电机定位（例如推进电机装置的重新设计）方面。在这方面，MVDC大型船舶项目是实现这一目标的最重要的步骤之一。

3.MVDC大型船舶研究计划

MVDC大型船舶项目的目的是研究中压直流配电结构，考虑到可以设计更智能的船舶系统的三大支柱：电力推进，综合电力系统和创新的紧凑型发电机。实际上，这些焦点可以被细分为几个主题（图4），分别由三个大学进行分析和讨论：里雅斯特大学，米兰理工学院和乌迪内大学。里雅斯特大学（主导）研究发电系统，电压控制和稳定性问题，电力转换，电力系统分布和所谓的可靠性。另一方面，米兰理工学院将精力集中在能量储存系统上，而乌迪内大学则将研究集中在原动机上。这样，研究小组就能够涵盖与配备MVDC技术的创新船舶的设计相关的所有主题。该研究考虑了所有这些主题的整合，是实现一个完整的系统讨论和分析所必需的。事实上，每个研究路径都由研究小组独立遵循，但是在每个研究活动结束时需要完成专门用于将每个子系统与其他子系统整合的适当步骤。确定了一个四步研究项目结构，分为以下几个部分：子系统研究1，整合1，子系统研究2，整合2。所有的步骤都由Fincantieri造船厂监督，这表明，适用比理论更重要。

在下文中，描绘了关于MVDC的可能结构，并将确定一个研究案例（第3.1部分）。特别是，本文将详细描述两个主题（电力系统分布和电压控制与稳定性，第3.2和3.3部分），以便达到预期的优势（3.2），并突出可能的问题（3.3）。

3.1案例研究

2012年在意大利Monfalcone Fincantieri船厂发售的“皇家公主”（图5）是为创新的MVDC配电设计选择的游轮。这艘大型船舶的主要特点见表1。与现有的大多数邮轮相同，皇家公主是全电动船（AES）；其电站（表2）的总视在功率为78 MVA。假设以这样的功率量，MVDC大船项目的目的是重新设计直流电制的船用电力系统，并提出创新的控制技术，以解决直流电力系统中的CPL电压不稳定性和达到研究预期的结果（电力系统容量的减少/重量）。

图4 中压直流大型船舶计划主要研究课题

图5 皇家公主号

表2 皇家公主 电站参数

表1 皇家公主主要参数

3.2电力系统分布

关于MVDC分布，IEEE标准1709 ^[5]定义了两种主要的拓扑结构：径向配电（图6），简单和节约成本，以及区域配电（图7），其主要优势是供电的连续性。考虑到MVDC大型船舶项目（即MVDC船载电力系统的第一个完整设计）的目标，优先选择径向分布。这主要是由于其与标准MVAC船载电力系统的相似性，使得对于设计者和船员来说操作更简单。一旦选择了主分布拓扑结构（在这种情况下为径向）（图6），第二个则考虑配电系统的设计（极数/接地配置）。

在常规AC系统中，分布架构需符合规则标准化。相数，发电机接地，电能的分配和负载，电压水平，所有这些都是固定的并且直接面向应用的。类似地，根据配电系统的极数（正负，正负零），接地（完全接地，通过电阻接地，未接地）和负载，DC电力系统可以以各种方式实现。没有标准化的工程实践，因此必须分析每个组合以便找到最适合的。

图6 中压直流电力系统：辐射网

图7 中压直流电力系统：环网

图8 中性点直接接地双极性配置

一些指示在IEEE标准1709 ^[5]中已经给出，但最终的选择还是取决于设计师。类似于在低压直流（LVDC）船载电力系统^[7]的情况下讨论的，最好的选择似乎是不接地的双极分布和中性点直接接地的双极分布。其中后者，尽管设计复杂，但是两个显著的优点（降低绝缘水平和能够在紧急情况下提高可用性）迫使设计偏向中性点直接接地双极布置（图8）。

关于MVDC分布，其他问题则与具体应用相关，为了能在工业上实现，必须解决两个问题：故障定位^[8]和故障电流中断（DC断路器）^[9,10]。

对于前者，不接地双极分布的第一个问题是保护选择性。实际上，其选择性仅可以在正确定位接地故障的情况下被保证，而且不能用标准电流阈值传感器来管理。因此，应该进行相关的研究来克服这个障碍。其次，DC短路电流通常受限于电力转换器，其内部电流调节环路能切断的最大电流接近150％的额定电流。这削弱了使用电流阈值共同进行保护的选择性，因此必须研究新算法以克服这个问题。最后，转换器也可以通过控制其输出（切断对故障负载的供电）来实现对于系统的保护。但是，在特定情况下，该能力可能不足以用于切断故障电流（即，由于静态开关不可控，或者由于过大的电流上升速度），因此用于MVDC应用的专用固态断路器的研究变得十分重要。目前，在科学界有很多MVDC断路器的建议，并且正在测试和验证中。然而，MVDC技术在船舶电力系统中的有效渗透主要依赖于DC断路器的工业实现及其在市场上的可行性。

除了这些重要的问题，接下来谈谈预期的优势，这主要是由于功率转换器的广泛使用。众所周知，DC / DC功率转换器不仅能够连接两个不同的DC电压等级，而且还能进行电流隔离（用于人的安全和系统保护）。关于这个问题，所谓的固态变压器（SST）似乎是可行的建议之一，其主要组成是中频（MF）变压器[11]。通过将高频变压器插入到DC / AC转换器（逆变器）和AC / DC转换器（整流器）中，可以获得具有电流绝缘功能的DC / DC转换器。与常规频率（50-60Hz）的电流绝缘变压器相比，由于中间交流中频级，这

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