轴带发电机与辅助柴油机并网运行的危害和解决方法
摘要：若要让轴带发电机与辅助柴油发电机组长期并联运行，则当主机负荷或电网负荷改变时，要求轴带发电装置频率变换器控制电路的控制特性应与辅助柴油发电机组的调速器特性相同，才能保证电网运行的稳定性，而实际这是很难实现的。虽然可通过短时并网实现负载转移，但需配合增压燃油限制、动态调频等技术，且需实时监控电网状态。康明斯公司针对该问题给出了解决方案，供用户参考。
一、风险和后果
轴带发电机与辅助柴油发电机长期并网运行存在以下限制和风险，主要原因包括：
1、主机转速波动的影响
（1）轴带发电机的输出频率和电压直接依赖于船舶主机的转速。当主机因航行工况（如加速、减速或倒车）导致转速波动时，轴带发电机的频率和电压会随之变化，难以保持稳定。（2）这种波动可能导致电网频率失稳，甚至引发柴油发电机失去同步，造成并网故障。例如，进出港或作业工况下，主机转速频繁调整，轴带发电机无法像柴油发电机那样通过电子调速器快速响应负载变化，容易导致功率分配不均。
2、功率分配不均的风险
（1）并网运行时，发电机组间的有功和无功功率需按额定容量比例分配。若轴带发电机因转速限制无法动态调整输出，可能导致柴油发电机过载或逆功（吸收电网功率），触发保护装置跳闸，影响供电可靠性。
（2）船舶电站的负载变化较大（如全速航行与停泊工况），轴带发电机在低负载时可能进入逆功状态，而柴油发电机需单独承担负载，长期运行会加剧设备磨损。
3、技术复杂性及控制难度
（1）实现稳定并网需要精确的调速控制（如电子调速器）和负荷分配技术（如不对称分配），但轴带发电机缺乏柴油发电机的快速调节能力。尽管可通过变频器或锁相环技术改善相位跟踪，但这些方案成本高且维护复杂。
（2）船舶电网容量较小，频率和电压的微小偏差可能引发连锁反应，而轴带发电机的动态响应不足难以满足并网稳定性要求。
4、设计用途与工况限制
（1）轴带发电机主要用于航行期间利用主机富余功率节能，其设计初衷并非替代柴油发电机。停船或低速工况下，主机转速不足会导致轴带发电机无法正常工作，必须依赖柴油发电机供电。
（2）长期并网可能增加机械损耗，例如主机与发电机轴的扭振问题，尤其在负载突变时更为显著。
5、安全与规范要求
（1）船舶电力系统通常要求柴油发电机作为备用或主力电源，确保在轴带发电机失效时快速切换。长期并网可能掩盖潜在故障，延误应急响应。
（2）类似陆地电网禁止柴油发电机随意并网的规定，船舶电站也需避免非同期并列风险（如相位差过大导致的冲击电流），此类操作需严格满足准同期条件。
6、经济性与维护成本
（1）控制技术复杂：实现稳定并网需变频器、锁相环等设备，成本高昂且维护复杂，得不偿失。
（2）设备损耗：长期并网会增加柴油发电机和轴带电的机械/电气磨损，缩短寿命。
二、解决方案
1、实现两者并网运行的可行性试验
通过分析轴带发电机及柴油发电机调速及并联运行原理，发现轴带发电机与柴油发电机直接长时并网运行时．受外界因素引起的主机转速波动将导致电网运行故障。为防止柴油机失去同步．引发电网故障，在无变频器装置情况下，利用柴油发电机增压燃油限制、电子调速控制和不对称的负荷分配技术．实现轴带发电机与柴油发电机直接长时并网运行，并在某化学品船进行了实船试验．试验结果表明，轴带发电机与柴油发电机直接长时并联运行状况良好，技术指标符合要求。
图1 轴带发电机工作原理图
2、轴带发电机并网运行的应用
传统的船舶发电是使用独立的辅助发电机组或通过将所谓的轴带发电机连接到主机上进行发电。辅助发电机组通常包含一台搭载了标准异步或同步发电机的恒速四冲程柴油机。此设计的主要优势在于，由于是恒速运行，发电机馈送恒定的电压和频率到船舶电网，因此无需变换频率的电力电子设备。此外，由于不依赖于推进系统，因此航行中或靠港后可持续发电。主要缺点是辅助发电机组需要较多空间和较大量的维护工作，若无昂贵的辅助设备（如用于降低粘度的预热器）则无法使用价格低廉的重质燃油（HFO）。
在过去的几十年里，之所以所谓的轴带发电机系统变得被普遍采用，主要是由于能源成本不断上升和日益严格的减排法规。在商用船舶中，采用最多的主机动力方案是将一台低速二冲程柴油机直接连接到传动轴，无需减速齿轮。二冲程柴油发动机与四冲程相比，主要优势是其具有较高的热效率，从而允许较低的耗油率（sfoc），此外，它可使用比船用柴油价格低廉得多的重质燃油。在不久的将来，降低耗油率将变得极其重要，这不仅是因为燃料成本不断上涨，还因为日益严格的船舶排放限制，如从2016年开始执行的IMOTier III。虽然有众多方法可满足新规定的要求，如采用双燃料系统、降低NOx排放的装置、余热回收系统等类似的方案可供选择，但最重要的目标仍然是提高效率–燃烧的燃料越少，排放量越少。
典型的轴带发电机系统包含一台电励磁同步发电机（电励磁发电机），它与主轴进行机械连接，并与船舶电网进行电气连接——直接或通过变频器。发电机和主机之间的机械连接可以是通过升速隧式齿轮箱实现，也可以是无需齿轮箱直接将发电机与轴连接来实现。在第一种情况下，由于扭矩较小，因此发电机的尺寸较小。可采用多家供应商均可提供的标准型成品。该解决方案自然有它的缺点，即必须使用变速箱，这增加了系统的故障风险，也使系统更加复杂，并需要更多的维护工作。此外，变速箱是相对昂贵的部件，并且由于齿轮接触摩擦，2–3%的输入机械功率会转化为热量而浪费。这也降低了系统总效率，并增加了系统的热负荷，从而需要更大的冷却功率。
另一种设计是将轴带发电机直接连接至主轴，不需要变速箱，因此也就不存在由变速箱引起的所有问题。在这种直驱解决方案中，发电机以与主发动机相同的低速运行（对于二冲程柴油发动机，转速通常低于100 rpm）。由于电机的尺寸通常与扭矩成正比，直驱轴带发电机由于具有较高的发电机扭矩，因此发电机的尺寸也较大。这往往意味着标准型成品发电机不再适用了，而需要定制设计的发电机。
电励磁同步发电机作为标准的发电解决方案已经超过了一个世纪，主要由于其运行效率较高，并且能够有效控制网端的无功功率。并网同步发电机的主要缺点是它只能以恒速运行，而转速取决于电网频率，通常是50/60Hz。由于火力发电或水力发电等主要发电能源的性质，恒速运行这一点在传统发电方案中并不关键，但对于轴带发电机来说，非恒速系统才是理想选择，在很多情况下，需要主发动机变速运行，如为了降低燃料成本或允许以较低的速度运行。
由于发电机直接并网，主轴的转速须保持恒定，因此要改变推进装置的推进力必须采用，例如，可变螺距（CP）的螺旋桨，因为已无法再改变螺旋桨的转速。虽然定速CP螺旋桨能够提供可变推进力，允许船舶以不同的速度、在不同的天气状况下运行，但它不能使效率达到最佳。这是由于在额定转速下CP螺旋桨具有高空载损耗，这就意味着即使减小螺旋桨螺距角度以使船舶低速运行，推进器仍然具有高损耗，从而增加了一定的油耗。
只能通过以组合模式来运行系统以获得最高效率，也就是推进器的螺距角和转速始终可变，如可根据天气状况和船速变化。所需速度越低，使用组合模式比使用定速CP螺旋桨系统的优势越大。由于这种运行模式最大限度地降低了燃料消耗，同时提供最大的灵活性，因此近年来被普遍应用。
显然，由于直接并网轴带发电机需要恒速运行，因此不能采用这种模式。为了克服这个问题，越来越多的轴带发电机将通过变频器连接至船舶电网，从而允许变速运行。目前流行使用电力电子技术进行调速，因为在过去的几十年里其价格下降的同时技术性能有所提高。首款控速轴带发电机系统采用了晶闸管控制器。该控制器效率低下，而且会造成电网端功率的大幅畸变。目前，所有新型变速轴带发电机系统都配有变频器。该变频器采用IGBT（绝缘栅双极型晶体管）技术，因为它具有非常好的正弦输出电压的同时效率可高达97%。
然而，从发电机效率的角度来看，采用低速电励磁同步轴带发电机并非最佳解决方案，由于其低速运行导致效率较低。在传统的高速发电方案中，同步发电机可实现高达98%至99%的效率。然而在低速轴带发电机应用中，其效率仅为92%至94%。当再增加一台变频器以便于采用下述的组合模式，总电源转换效率通常低于90%。随着燃料成本的不断上升，更有效的解决方案也被不断提出。最有前景的解决方案之一是用更高效的永磁发电机替代电励磁发电机。
图2 轴带发电机与柴油发电机组并联运行的电路图
总结：
综上所述，轴带发电机（Shaft Generator）与辅助柴油发电机长期并网运行不被允许，主要原因在于两者在技术特性、运行条件和电网稳定性方面的矛盾。此外，长期并网运行在技术可行性和经济性上均不占优，故船舶电站通常以轴带发电机为主机运行时的辅助电源，柴油发电机作为核心保障，两者分工明确以确保系统可靠性。
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