燈光圍網漁船電力推進系統設計

劉文達，竇曉峰

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

0 引言

當前世界漁業產業結構中仍以近海捕撈為主，但許多已開發多年的老漁場越來越擁擠，資源日益枯竭。不少發展中國家由于人口多，資源少，漁業發展陷入魚越捕越少、越少越限制、越限制越窮的惡性循環中，因此不得不尋找新的漁場。盡管世界漁業的資源量在衰退，而漁獲量卻在增加，這主要得益于科學技術的推進。另一方面，那些發達國家，即使本國近海的漁業資源仍較豐富，其資源量也能保證捕撈業較長時期持續利用，但為了保護了本國資源，也紛紛轉向了遠洋漁業，利用它國資源和公海、大洋資源。

圍網作業是根據捕撈對象集群的特性，利用長帶形或一囊兩翼的網具包圍魚群，采用圍捕或結合圍張、圍拖等方式，迫使魚群集中于取魚部或網囊，從而達到捕撈目的。當今圍網作業是開發中上層魚類資源的主要漁具之一，世界圍網漁業的年漁獲量約占海洋捕撈總漁獲量的 20%～30%，在海洋漁業中占有重要地位。20世紀70年代以來圍網漁船發展總趨勢是采用大型漁船，航程遠，功率大，航速快。

隨著捕撈作業精細化和遠洋化發展，致使海洋資源一定程度的縮減，圍網作業對漁業船舶便提出了更高的要求，主要包括振動噪音要求、捕撈作業精細化、可靠性、環保節能等，自動化程度高，操作簡便。采用電力推進的高科技漁業船舶開始有了市場，電力推進方式越來越顯示出其優越性，成為未來船舶動力裝置的發展方向。

1 系統組成

漁船綜合電力推進系統實現全船的供電、推進及操控功能，根據功能劃分為2個分系統：供電系統、推進控制系統。一般電力推進系統的大致組成參見如下示意圖：

圖1 電力推進系統的組成示意圖

1.1 供電系統

供電系統主要為全船提供電源，并提供必要的保護。供電系統的額定電壓為400 V、額定頻率為50 Hz，其組成主要包括：400 kW機組4套、50 kW機組一套、主配電板1套、功率管理系統（Power Management System PMS）1套。PMS是供電系統的控制核心，根據功率的需求對每臺柴油發電機組進行監控并協調各柴油發電機組的工作，并可以對供電系統進行故障報警和處理，確保船舶的安全性。PMS主要實現以下功能：

1.1.1 機組的自動啟動

供電系統在網機組功率總和達到90%（可在PMS系統的OP面板上設定，見軟件設計）額定功率總和，儲備功率不足，備用機組應自動啟動。備用機組的優先順序可人工設定。啟動成功達到投網電壓后自動投入的時間小于30 s。

機組啟動指令的發出不超過三次，具有三次啟動失敗報警功能。當PMS收到一套機組啟動失敗信息后，則能自動將啟動指令轉至下一套備用機組，并發出報警信號。系統能對每套機組的自動啟動予以閉鎖，以便能安全地進行維修。

1.1.2 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，待并機組可自動同步，自動合閘。

自動并車主要技術指標：合閘頻差可調范圍為：±0.1 Hz～0.5 Hz；合閘電壓差:≤5%UN；允許合閘相角差：0～10°。

1.1.3 三相電流不平衡報警保護

漁船上使用金屬鹵化物燈作為誘魚燈，220 V供電，功率達320 kW。為了降低投資和節省艙室空間，本供電系統采用了三相四線制，誘魚燈直接從發電機輸出主回路的中線和相線取220 V電壓使用，誘魚燈投入組合不合理將導致三相不平衡，存在中線電流的情況，同時可能引起電壓波動，進而可能影響機組同步，且可能引起單相過載情況。針對可能的過載情況，在PMS設計中，實時監測三相電流、電壓，進行三相不平衡報警，在三相不平衡時，適當提高電站功率儲備，降低在線機組的負荷率，確保機組各相均不過載，確保電站供電連續性。

1.2 推進控制系統

推進系統為船舶航行提供推進動力。推進系統可完成船舶的進出港、航行和捕魚作業等工況。推進系統由推進變壓器，推進電機，推進變頻器組成。為保證系統的安全可靠性，推進系統的還具有如下限制：

1）力矩限制

力矩限制一般在轉速控制模式下進行，即當實際轉速np小于給定轉速時推進電機力矩可以上升；一旦過載，立即進行力矩限制。

2）功率限制

推進電機運行過程中，輸出功率必須小于最大功率，且在運行過程中保證電網實際功率限制在電網可用功率的90%之內。所以功率限制不僅在推進電機實施功率過載情況下實施保護，而且保證電力推進實驗系統的供電網運行穩定。

3）轉速限制

推進電機的轉速與螺旋槳匹配，一旦轉速超過電機的額定轉速，立即限制轉速。

電力推進系統機械特性圖如下：

圖2 電力推進系統機械特性圖

可以看出，電推系統特別適應漁船拖網運行工況下的低速大轉矩負荷要求。

2 設計過程中的計算

為滿足系統推進功率要求，本船電力推進系統內設備間的參數匹配非常關鍵。為此進行了短路電流計算、諧波計算等對系統的可靠性驗證。

2.1 短路電流計算

短路電流計算書采用CCS COMPASS SRE01計算軟件《船舶與海上設施短路電流計算》依照CCS規范進行計算，計算電力系統圖如下。

圖3 短路計算模型

表1 0.5 T計算結果匯總

2.2 諧波計算

表2 諧波計算結果

3 軟件設計

本系統軟件分為 PLC軟件，觸摸屏界面軟件，IPC軟件三類。PLC軟件PLC中的控制程序用西門子STEP7 V5.5編程語言編制，觸摸屏中的畫面設計用WinCC Flexible軟件設計。IPC軟件采用Visual C++編制。

3.1 PMS監控系統PLC軟件設計

PMS程序結構如下：

圖4 PMS控制程序結構示意圖

3.2 控制系統的PLC軟件

PCS控制系統的PLC軟件設計按照如下的狀態圖跳轉作為控制方法編寫。

圖5 狀態圖跳轉

圖6 單線圖

3.3 觸摸屏人機界面軟件

本系統設計了人性化的觸摸屏人機界面，方便船員操作和實時掌握推進系統及供電系統各設備信息，頁面包括單線圖，機組，電氣參，數參數設置，報警信息。

3.4 工控機軟件界面

工控機人機界面如下：

圖7 工控機人機界面

4 結束語

本燈光圍網漁船電力推進系統是個高度自動化的系統，在電站管理方面集人工經驗，電力系統自動化和檢測技術于一體，推進變頻器的功率控制功能使得船舶在惡劣的海況及復雜作業條件下保護船舶動力裝置的安全，并保證船舶有穩定可靠的電力來源。電推系統操縱靈活，正車倒車無縫切換，轉矩、轉速響應快，適應動力定位需求，在較低航速工況下比較節能減排，且在全壽命周期運營費用低，這一系列優點使得電力推進系統成為越來越多包括漁船在內的民用船舶較優選擇。

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