近几年风电行业吹起的热浪“狂飙”不止，随着全球对可再生能源的需求不断增长，风电行业将继续保持快速增长的态势。

竞争是进步的源泉，市场需求稳稳拿捏着风电安装船和运维船的升级迭代方向，即深水化、大型化、专业化、智能化、集成化。明确的目标倒逼核心设备和系统包括动力系统、安全设备、定位系统、推进系统、通信系统的各大厂商不断进行技术突破，力求实现技术跃迁。其中电力供应是保障各类设备和系统高效安全运行的关键所在。

本期，我们将带您探秘行业“新秀”——风电船载直流电网。

01.市场需求与前沿技术裹挟前行

在电力系统圈，交流电一直以来都是船舶界的“团宠”。但随着社会发展对低碳环保的要求越来越严苛，市场急需更清洁、更高效的电力供应，这大大催动了电力电子、储能系统和可再生能源的快速发展。于是乎，动力系统和推进系统加载蓄电池储能系统（ESS）的部署方案冉冉盛行，船载直流电网在历经长期蛰伏后开始展露锋芒。

很多研究已经表明，与传统的交流电力系统相比，船载直流电网系统可以显著提高能源效率，降低燃料成本，并降低温室气体排放。

例如，瑞典海事技术论坛（SMTF）进行的一项研究发现，与同等的交流系统相比，在船舶上使用直流电网可以减少多达27%的燃料消耗。此外，该报告发现，船载直流电网系统可以降低维护成本，提高运行可靠性，并支持可再生能源的集成。

可以预见，在数字化升级、绿色环保以及高效安全运营的大趋势下，船载直流电网将成为实现可持续船舶运营发展的必然之选。

02.安全感实足的“钢铁直男”

技术创新并不一定是做出一个新东西，而是要带来真正的改变。船载直流电网的诞生最初是源于船东希望减少对变压器和配电盘等设备的依赖，简化电力架构的需求。为了以极简的处理方式迎合越来越严苛的市场和应用需求，船载直流电网应时而生。

作为定制化的模块化系统平台，船载直流电网有着其独特的优点：

安全稳定的设备和电力保障是实现高效运营的基础，船载直流电网出手，使命必达。先进的直流电网可以实现将断路器和变频器控制叠加保险丝和隔离开关的安保组合，利用输入回路（Input Circuit）将直流母线和电网区进行逻辑功能分区。正常情况下电流可以进行双向流动，但当电网区发生故障时，输入回路可以立刻阻断故障电流在该方向的流动，但反方向可以保持畅通。

集中式直流电网系统

直流母线区

其特点是大多数连接到母线的逆变器都内置了支持母线电压的电容器组，而母线的容性或者说电容量决定了当该区发生故障电流时，会在很短的时间内发生高电流。因此，任何故障都必须迅速处理，防止对连接的逆变器产生不良影响。固态断路器和快熔保险丝的组合特别适合应对这种情况，在几微秒到几毫秒之间就可以快速断开故障电路。同时输入回路可以确保在母线区外发生的故障不会影响到逆变器。

电网区

该区的特点则相反，因反应时间长，该区需要使用慢动作保护方案。电网所有的接入点都由可控制故障电流的设备保护，根据其低故障电流水平和折叠或空气断路器保护方案，促使电网区非常适合用于在船舶内输送电力。该系统可以替代 690 或 660Vac 配电系统，使导线截面减少40% 以上，并可以使用更便宜的单芯电缆替代昂贵的多芯双屏蔽电缆。

03.下一代风电船，且看新能源与直流电网的高能协作

新能源的高速发展态势促使船舶的混合电力系统将成为下一代风电船的不二之选，而与之匹配的电网还需满足以下几点：

高容错性

以更安全、更灵活适配的方式高效集成多类型能源

能够承担能源系统集中化管理和维护的职责

混合电力系统和船载直流电网是相辅相成，互为助力:

同时，搭载功率和能源管理系统 （PEMS），可以平衡功率和能源，确保用电设备能够有足够的可用功率。特别是当电力系统中加载蓄电池或超级电容等提供有限能源的储能装置时，能源的平衡管理就变得尤为重要。当直流电网中变速发电机组和锂电池等并联运行时，该系统肩负着能量缓冲的功能，由柴油机提供稳定的电力。PEMS 的结构中每个能源都是一个自主子系统，这样可以减少能源间的相互依赖，提高系统的容错能力。此外，子系统的大多数功能都保持各自独立和完整，即使从本地控制操作船舶依然可以做到直观、流畅、便捷。

混合电力系统和船载直流电网之间互利协作的价值主要在于：

04.所谓未来，就是现在

总体来说，船载直流电网是未来发展的一个趋势。随着海运业不断发展，电力电子和储能技术的进步，未来可能会引发越来越多的市场需求促使直流电网开启更广泛的应用，助力风电船向更智能、更环保和更高效的方向发展。

与此同时，风电船的发展也面临着一些技术和经济上的挑战，因此布局风电船的大佬们开始卷起了一股整合一体化解决方案的风潮，包括推进系统、定位系统、直流电网配电系统、储能装置、领航控制系统等一系列自动化和数字化的一揽子方案正在悄然走红。当然，要打造一个可持续发展的整合方案除了可靠的产品和技术，还需要有专业的知识和深厚的行业经验积淀，量身定制解决方案的能力，全球性平台支持和服务资源以及可持续发展的理念作为强大支撑。新风向已经明确，在创新技术的不断推动下，风电船舶必将行的更远，走得更稳。

05.热门问题解答

Q1.对于多能源形式供电的直流电网的能源管理策略是怎样的？

总的策略是“充分发挥系统中各种能源的优势”。对于一个简单混合系统来说，这意味着储能系统（Energy Storage，ES）将主要履行能量缓冲的功能，而柴油机则负责提供稳定的电力。

达到这一结果的某些功能是在底层实现的，靠近逆变器和储能系统，通常是需要快速响应的功能，例如负荷分配和过载保护，由各种不同的能源自主完成。其它一些功能则在更高的层级实现，例如传统的PMS功能，通常是需要在不同能源间进行协调。最佳的功能和性能需要通过能源和负载间的水平整合以及变频器和发电机嵌入控制系统级应用间的垂直整合而实现的。

Q2.直流电网系统短路保护的注意事项有哪些？

如上文介绍，船载直流电网通过输入回路将系统分为直流母线区和电网区。直流母线区的故障电流具有非常小的时间常数。因此，发生在该区的任何故障都须得到迅速处理，以防止对连接的逆变器产生负面影响。固态断路器和快熔保险丝可以在几微秒到几毫秒之间断开故障电路，而输入回路（Input Circuit）将确保母线区外发生的故障不会导致逆变器立刻因欠压而脱扣。电网区的特点是故障电流具有较大的时间常数。这意味着在该区可以使用较慢的动作保护方案，例如折叠方案或空气断路器。电网的所有接入点都由可控制故障电流的设备保护。电网区非常适合在船舶内输送电力。

Q3.针对可安装20MW风机的安装船，推荐采用哪些直流电网拓扑？中压直流电网设计及应用的关键技术有哪些？

常见的直流电网拓扑分环形和星型，按照不同的应用可以有不同的配置。目前大型风电安装船见的比较多的是环形拓扑。20MW的风机安装船从电网拓扑角度与15MW不会有太大不同。更大的风机安装能力意味着船更大，安装吊机更大，只要不超过船载直流电网对单个设备最大功率的限制即可，目前这一限制是5MW左右。

关于中压直流电网目前还处于研发阶段，未来期待能够与大家分享更多信息。

[1] 张志旺,曹莉. ABB船载直流电网系统浅析[J]. 船舶, 2018, 29(04):61-66.