500方挖泥船綜合電力推進系統概述

王海軍

(黑龍江航道局，哈爾濱 150026)

0 引言

隨著變頻調速技術的迅速發展，變頻器、推進電機等電力設備也在船舶行業被廣泛的使用[1]。作為艦船未來發展方向的綜合電力推進技術在國內也得到了飛速發展。船舶電力推進技術已經在運輸船、海洋開發用船、工程船、漁業船舶、拖帶船舶、港務船、布纜船、風電安裝船等領域得到了廣泛應用。

1 綜合電力推進系統概況

根據組成設備的功能，整個系統可劃分為5個子系統：發電系統、配電系統、功率管理系統、推進系統、推進操控系統。

發電系統由2臺800 kW/AC 400 V/50 Hz主發電機組和1臺150 kW/AC 400 V/50 Hz停泊發電機組組成。

配電系統由主配電板與功率管理系統組成，它將全船的電能統一分配并啟動各種現場保護功能。

主配電板將饋電給2套主推進變頻驅動裝置、組合啟動器、380 V負載等，并通過照明變壓器給220 V負載供電。

功率管理系統（簡稱PMS）根據功率的需求對每臺柴油發電機組及推進操控系統進行監控并協調各柴油發電機組的工作，可以對供電系統進行故障報警和處理，為推進系統和其他用電設備提供可靠、穩定及優化配置的電力能源。在發電、配電系統出現故障時，PMS會采取各種措施，盡可能保證對負載的連續供電，避免電站斷電，確保船舶的安全性。

推進系統包括主推進系統及推進操控系統。主推進系統主要完成該船主推進功能的實現。主要由2臺主推進變壓器、2臺主推進變頻器(含制動電阻)以及2臺主推進電機組成。推進操控系統實現各航行工況下，主推進系統的集中啟/?？刂?、主推進系統的電機轉速控制等功能，它主要由駕駛室推進控制器組成。

監測報警系統實現全船綜合監測報警功能。

2 發電系統

挖泥船共設2臺主發電機，額定功率800kW，額定轉速1500 r/min。主發電機由柴油機驅動，發出電能為全船供電。2臺主發電機組可任意單機或并聯運行，按照CCS的要求，對電力系統進行配置。在航行工況下，電站可滿足船舶自由航行速度要求及全船日用負載要求；在挖泥工況下，主電站可滿足挖泥工況航行速度要求、挖泥系統和全船日用負載要求，同時饋電給2臺220 kW高壓沖水泵和1臺150 kW液壓泵站。

主發電機的設計和制造滿足船舶電力推進系統對電站動態響應的要求，能承受本船電網中的諧波電壓和諧波電流[2]。

3 配電系統

配電系統主要將全船的電能統一分配并啟動各種現場保護功能。配電系統由主配電板與功率管理系統(PMS)組成，功率管理系統內置于主配電板內。

航行工況下，全船由主發電機組供電，正常情況下機組并聯運行兩臺，主發電機組可并聯運行為全船供推進、輔機、日用負載使用。

錨泊工況下，全船由任意一套發電機組供電，供輔機和日用負載使用；應急情況下，全船由備用發電機組供電，供重要負載（比如通訊系統和應急照明）使用。

停泊工況下，啟動停泊機組為船上用電設備供電。

主配電板是連接發電機組和用電負荷的中間環節，根據全船用電設備的實時要求來合理分配電功率，為各用電設備提供監測和保護，隔離故障，并監測400 V電網和220 V電網的絕緣電阻。

當岸電向主配電板匯流排供電時，如有任何一臺發電機主開關合閘向匯流排供電時，應先行斷開岸電回路。二臺照明變壓器互鎖。發電機運行時，對應發電機防冷凝加熱器自動停止。

各屏上裝有電壓表、電流表、功率表、頻率表、功率因數表、絕緣監測表等監視儀表，還設置有明顯的狀態指示和報警指示等。主配電板共分10屏，組成如下表：

主發電機組控制屏主要設有主發電機出口斷路器及自動調頻調載裝置，實現柴油發電機組的自動啟動、停機、手動啟動、手動停機、保護、及機組調頻調載。并提供柴油機、發電機參數顯示、檢測和對發電機提供保護功能。

母聯及功率管理屏將400 V匯流排分段，實現并車及功率管理。屏內主要裝有400 V匯流排母聯斷路器、儀表、輔助電路、PMS控制器。面板上裝有雙指針電壓表、雙指針頻率表、手動和自動同步表等監控儀表，以及功率管理單元操作面板。

推進及負載屏連接匯流排與主推進變壓器以及側推變頻器，實現主、側推進系統的饋電和保護以及船上380 V負載的的饋電和保護。

AC 220 V負載屏實現船上220 V負載的饋電和保護。

組合起動屏主要由多路起動器單元組成，對機艙主要電動機進行集中管理。

4 功率管理系統

功率管理系統（簡稱PMS）根據功率的需求對每臺柴油發電機組及推進操控系統進行監控并協調各柴油發電機組的工作，可以對供電系統進行故障報警和處理，為推進系統和其他用電設備提供可靠、穩定及優化配置的電力能源[3]。在供電系統出現故障時，PMS會采取各種措施，盡可能保證對負載的連續供電，避免電站斷電，確保船舶的安全性。PMS系統配置一臺UPS，UPS容量滿足要求。PMS系統包括功率管理系統控制器與主配電板內的子站及發電機組多功能保護控制單元。PMS基本結構如下圖2所示。

功率管理系統能根據負載的實時功率需求和電網的運行狀況對每臺柴油發電機組進行監控并協調各臺柴油發電機組的工作，動態調整對機組的控制指令，對供電分系統進行故障報警和處理，為電力推進系統及其他用電設備提供可靠、穩定及優化配置的電力能源[4]。在供電分系統出現故障時，盡可能保證對負載的連續供電，避免電站斷電以確保船舶的安全性。

1) PMS設置有手動模式、半自動模式以及自動模式三種控制模式。在手動模式下，PMS只顯示供電系統的運行狀態及參數，與綜合監測報警系統通訊，不執行任何控制功能；在半自動模式下，可從功率管理及并車屏面板上對PMS操作實現以下功能：機組啟動、機組停機、主開關合閘、主開關分斷；在自動模式下，PMS自動對供電系統進行管理。

2) 機組的自動啟動：

當運行機組發生嚴重故障時，備用機組自動啟動；

供電系統在網機組功率總和達到90%（可設定）額定功率總和，儲備功率不足，備用機組應自動啟動；

當在網運行機組因柴油機滑油壓力低、冷卻水溫度高、繞組過熱等報警時，經延時后能自動起動備用機組，備用機組并入電網成功后，逐步卸去故障機組負荷并對故障機組發出停機指令，并發出報警信號；

能對每臺機組的自動和遙控啟動予以閉鎖，以便能安全地進行維修。機組的啟動和運行在發電機控制屏和功率管理及并車屏有指示。

3) 機組投入和并聯運行

母線無電時，待用機組在達到一定電壓和頻率后立即投入；

母線有電時，待并機組自動同步，自動合閘；

有預防措施，以避免兩個或兩個以上發電機組開關同時合閘；

自動并聯后，具有有功功率自動分配功能。保證任意發電機組長期并聯運行，保證有功分配差度滿足要求。

4) 機組的解列和停機

若指定機組解列后，實時負載功率仍小于60%（可設定）的剩余機組可用功率時，則指定機組自動解列、停機；

在解列過程中，除嚴重故障之外，均能平滑地自動轉移負荷。當解列發電機組的負荷轉移至剩余負荷不超過該發電機組額定輸出功率的10%（可設定），電流不超過30%In（可設定）時發出分閘指令；

機組發生超速或滑油失壓等嚴重故障時，自動進入緊急停機程序，并起動備用機組投入；

當負荷減少而自動減機時，在網機組按設定的順序減少機組；

發電機組起、停序列設定功能。

通過功率管理及并車屏HMI可設定各發電機組的自動起、停的優先級，并可在線修改。

5) 重載問詢功能

功率較大的負載在啟動時需進行重載問詢，電站滿足要求后方可啟動，否則不能啟動。

6) 分級卸載功能

該功能主要為保護電網可靠供電及穩定運行，針對機組過載、電網過載及突發事件而設定，根據各類負載的重要性分級，分兩級進行卸載。

7) 人機界面監測功能

HMI對電力系統重要參數的實時監控是實現PMS功能的前提保障。PMS可以根據電網的運行狀況、每臺發電機組的運行情況，動態調整對機組的控制指令。主要有以下功能：

彩色人機界面的動態顯示：在人機界面上動態實時監測柴油發電機組的運行狀態、母線的運行狀態、電能分配狀況等，同時可以在線修改PMS設置參數；

報警功能：對柴油發電機組進行動態實時故障報警監測，并對故障進行相應的處理；

圖形顯示：以動態圖形顯示電站系統，當情況異常時，予以變色或閃動；

頁面顯示：含參數頁、報警頁；

報警窗口：當有報警時，彈出當前的報警信息小窗口。

5 推進系統

主推進系統中2臺推進電動機功率500 kW，轉速為1500 r/min。主推進系統有兩條推進支路，每條推進支路由1臺主推進變壓器、2臺推進變頻器（含制動電阻柜）、2臺推進電動機組成。推進電動機通過變頻器實現變頻調速，可在額定轉速范圍內平滑調速并長期運行。每條推進支路都采用12脈沖整流方式，兩條支路構成虛擬24脈沖整流，減少了推進支路對電網造成的諧波影響，在不增加濾波裝置的情況下可保證400 V電網THD不大于5%[4]。

主推進變壓器為三繞組整流變壓器，容量適應主推進變頻器需求，冷卻方式為強制風冷。兩臺主推進變壓器原邊相角差15°，當兩條推進支路同時工作時，對于400 V交流電網相當于虛擬24 脈動整流，可降低電網的諧波，使400 V電網THD不大于5%，滿足CCS規范要求[5]。

主推進變頻器是主推進系統的控制核心，對不同推進工況下的負載變化進行最佳的動態控制和保護，從而保證推進系統的最佳性能和安全運行。主推進變頻器對推進電動機進行轉速控制，使系統根據指令，連續調節推進電動機的速度，使船舶平穩航行。

主推進變頻器設置了置功率閉環，根據電網上的最大可用功率，可限制推進負荷的功率。在推進系統降速或停車過程，推進電動機處于發電狀態，為防止發出的電能回饋到電網影響電網質量，主推進變頻器設置了制動電阻，將推進電動機發出的電能消耗在制動電阻上。主推進變頻器包含了一個接地故障監測單元，對推進支路進行接地監測。一旦發生接地故障，變頻器將發出報警信號。

主推進變頻器面板上設有操作面板，帶有LCD顯示，顯示系統的工作狀態、參數設定值、實際值、故障分析等信息。主推進變頻器柜門上還設置有就地/遙控轉換開關和起動/停止按鈕及應急停止按鈕。

變頻器提供與監測報警系統的模擬量、數字量和網絡通訊接口。

主推進電動機由變頻器供電，能夠實現變頻調速，在轉速范圍內連續調節，在轉速范圍內均能長期運行，滿足推進系統對機械裝置和電氣設備的特殊要求。主推進電動機各相繞組上都設置了溫度傳感器，可以連接到綜合監測報警系統。

6 推進操控系統

推進操控系統實現各航行工況下，主推和側推系統的集中啟/?？刂啤㈦姍C轉速控制等功能[6]，它主要由駕駛室推進控制器組成。

操控系統操控在推進操作面板上完成，可在HMI上顯示推進系統狀態，變頻柜的就地控制面板提供簡單的就地控制人機接口。

操控系統的操控模式如下：駕控室控制臺遙控模式；機旁控制模式。

按優先級從高到低排序：機旁、駕駛室。

在駕控室控制臺遙控模式下，在推進操作面板上每個推進控制手柄通過硬線獨立控制每個主推進變頻器從而控制各臺主推進電動機在額定轉速范圍內連續調節；

在機旁控制模式下，在推進操作面板上通過應急車鐘發令給主推進變頻器傳令，由機旁操作人員操作變頻器控制各臺主推進電動機轉速；

在所有控制部位均設置緊急停車功能，該功能獨立于遙控系統。在緊急情況下，操控系統可提供越控功能，以防止推進功率的減少和停車。

7 結束語

隨著變頻調速技術的迅速發展，對工程船舶的操控性及先進性也提出了更高要求，所以電力推進系統也就成為船舶未來發展方向。本文對黑龍江航道局500方耙吸式挖泥船電力推進系統的系統組成及功能進行了總體的概述，與常規動力系統相比,船舶的操控性能和節能經濟性得到了較大提升。

[1] 管小銘. 船舶電力系統及自動化[M]. 大連：大連海事大學出版社, 1999.

[2] 林海雪，孫樹勤. 電力網中的諧波. 北京：中國電力出版社，1998.

[3] 徐永法，韓旗，杜軍等. 船舶能量管理系統PMS研究[J]. 中國航海，2005，(3)：78－80.

[4] George J.Wakileh著. 電力系統諧波-基本原理、分析方法和濾波器設計. 北京： 機械工業出版社,2003,(8).

[5] Rice D E. A detail analysis of six-pulse converters harmonic currents. IEEE Trans Ind Appl, 19.

[6] 鄭元璋，冀路明，李海量. 艦船綜合電力推進監控系統研究[J]. 中國航海，2005, (4)：83-80.