3500噸級(jí)敷纜船綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)

劉文達(dá)，周 興

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3500噸級(jí)敷纜船綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)

劉文達(dá)，周 興

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064;）

本文概述了3500噸級(jí)敷纜船綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)，介紹了功率管理系統(tǒng)（PMS）的結(jié)構(gòu)和功能及電力推進(jìn)系統(tǒng)電力的組成，并探討了系統(tǒng)的PMS網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架、系統(tǒng)容量計(jì)算，短路電流計(jì)算及系統(tǒng)諧波計(jì)算問(wèn)題,對(duì)工程應(yīng)用有一定的設(shè)計(jì)指導(dǎo)作用，綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)在未來(lái)海洋工程中的應(yīng)用中正在轉(zhuǎn)變?yōu)橹髁髭厔?shì)。

敷纜船PMS 電力推進(jìn) 諧波

0 引言

敷纜船又稱為“敷設(shè)用船舶”（Cable Ship），是用于在海底、水下敷設(shè)電纜的專(zhuān)用船，也可以做電纜維修船。建設(shè)海底電纜是為了進(jìn)行有線通信，有線通信容量大，安全可靠抗干擾能力強(qiáng)，擔(dān)負(fù)著對(duì)于沒(méi)有陸路相通的國(guó)家地區(qū)之間彼此溝通的重任，在全球化大趨勢(shì)的當(dāng)今世界，研發(fā)設(shè)計(jì)敷纜船具有重大戰(zhàn)略意義。

本3500噸級(jí)敷纜船采用綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)，為本船負(fù)載進(jìn)行配電與保護(hù)，本船采用DP滿足本船航行與進(jìn)出港需求，并實(shí)現(xiàn)對(duì)電力推進(jìn)系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備及其它重要設(shè)備的監(jiān)測(cè)報(bào)警功能。

1 系統(tǒng)介紹

本敷纜船綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)包含供電系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)和自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)等分系統(tǒng)。

供電系統(tǒng)主要由4臺(tái)2000Kw 主柴油發(fā)電機(jī)組、1臺(tái)300kW停泊柴油發(fā)電機(jī)組、1臺(tái)120kW停泊/應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組、1套690V 主配電板、1套400V/230V 輔助配電板組成。

推進(jìn)系統(tǒng)有四條推進(jìn)支路，每條推進(jìn)支路由推進(jìn)變壓器、推進(jìn)變頻器、推進(jìn)電機(jī)組成。推進(jìn)電機(jī)額定功率為1500 kW，額定轉(zhuǎn)速為1000 r/min。

自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)包括功率管理系統(tǒng)（Power Management System.簡(jiǎn)稱PMS）、監(jiān)控臺(tái)、駕控臺(tái)等。

2 綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)功能

本船綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)必須保證船舶電網(wǎng)供電的穩(wěn)定性和持續(xù)性。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)有動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的功率限制功能，如果一臺(tái)或數(shù)臺(tái)發(fā)電機(jī)故障脫扣，變頻驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)將根據(jù)電網(wǎng)上的實(shí)時(shí)最大可用功率快速計(jì)算出功率限制值，快速限制推進(jìn)負(fù)荷的功率大小，避免造成剩余在網(wǎng)發(fā)電機(jī)組的過(guò)載跳閘。

在速度控制模式下，系統(tǒng)的變頻器根據(jù)操縱手柄或遙控系統(tǒng)（駕駛臺(tái)操作系統(tǒng)或者動(dòng)力定位系統(tǒng)）給出的速度給定信號(hào)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行無(wú)極調(diào)速控制。

本船電網(wǎng)的最大負(fù)荷是推進(jìn)負(fù)荷，推進(jìn)負(fù)載在惡劣海況條件下波動(dòng)很大，因而造成本船電網(wǎng)系統(tǒng)的負(fù)載持續(xù)波動(dòng)，這對(duì)本船電網(wǎng)的穩(wěn)定性造成很大影響[1]。針對(duì)該問(wèn)題，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了功率控制模式。在系統(tǒng)處于功率控制模式下時(shí)，推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和速度在最大限定值范圍內(nèi)變化，變頻控制系統(tǒng)將根據(jù)車(chē)鐘手柄給出的功率設(shè)定值，平滑調(diào)節(jié)電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩，保持推進(jìn)功率的穩(wěn)定，從而保證電站功率的穩(wěn)定。在惡劣海況條件下，航行時(shí)螺旋槳會(huì)隨機(jī)躍出水面，使用功率控制模式對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行功率限定控制可減少推進(jìn)負(fù)荷的劇烈波動(dòng)。

本船設(shè)有全船功率管理系統(tǒng)，其不僅具有對(duì)船舶電站的監(jiān)視、控制、保護(hù)報(bào)警功能，還將實(shí)現(xiàn)推進(jìn)系統(tǒng)、船舶電站、DP系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)運(yùn)行。在負(fù)載增減變化時(shí)，功率管理系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)負(fù)荷情況，自動(dòng)啟動(dòng)或停止每套主發(fā)電機(jī)組的運(yùn)轉(zhuǎn)并增減電力輸出到整個(gè)電站[2]。

配電板主要將全船的電能統(tǒng)一分配并啟動(dòng)各種現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)功能。配電板饋電給4套推進(jìn)系統(tǒng)及其它380 V 負(fù)載，并通過(guò)400 V/230 V 變壓器220 V負(fù)載供電。配電板內(nèi)設(shè)有風(fēng)機(jī)、油泵遙控切斷功能。

400 V 配電板和功率管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)保證電站在各種工況下長(zhǎng)期穩(wěn)定并聯(lián)運(yùn)行，滿足各種保護(hù)及其自動(dòng)化要求。

每套變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)變頻器通過(guò)1臺(tái)三繞組移相變壓器連接到船舶電網(wǎng)，單條推進(jìn)支路對(duì)電網(wǎng)來(lái)說(shuō)為12脈沖整流；DP作業(yè)時(shí)，兩段690 V 電網(wǎng)均相當(dāng)于虛擬24脈沖整流，可有效降低電網(wǎng)諧波THD值。

圖1 電力推進(jìn)系統(tǒng)單線圖

3 功率管理系統(tǒng)概述

功率管理系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱PMS）的監(jiān)控對(duì)象為主發(fā)電機(jī)組及停泊/應(yīng)急發(fā)電機(jī)組及主配電板內(nèi)的主斷路器和母聯(lián)開(kāi)關(guān)。PMS由2組完全冗余設(shè)計(jì)的兩套S7-400HPLC 組成，兩套控制器獨(dú)立運(yùn)行并互為備用。在一組出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)能自動(dòng)轉(zhuǎn)換到另一組自動(dòng)運(yùn)行。PLC通過(guò)Y-link與PPU進(jìn)行DP通訊。PPU是一個(gè)真正的多主站系統(tǒng)，其功率管理功能是依靠PPU計(jì)算實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)內(nèi)部選定一個(gè)控制單元為“命令單元”。該控制單元負(fù)責(zé)發(fā)電機(jī)保護(hù)、起動(dòng)優(yōu)先級(jí)和其它相關(guān)功率管理功能的計(jì)算。

PMS根據(jù)功率的需求對(duì)每臺(tái)主發(fā)電機(jī)及推進(jìn)控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控并協(xié)調(diào)各發(fā)電機(jī)的工作，可以對(duì)供電系統(tǒng)進(jìn)行故障報(bào)警和處理，為推進(jìn)系統(tǒng)和其他用電設(shè)備提供可靠、穩(wěn)定及優(yōu)化配置的電力能源。在供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，PMS會(huì)采取各種措施，盡可能保證對(duì)負(fù)載的連續(xù)供電，避免電站斷電，確保船舶的安全性。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖如圖2。

PMS能管理4臺(tái)主發(fā)電機(jī)組，并且能管理停泊/應(yīng)急發(fā)電機(jī)組，在DP 操作時(shí)，按下DP 模式，電站能在PMS管理下母排自動(dòng)分段、負(fù)荷自動(dòng)分區(qū)，滿足DP操作要求[4]。

母聯(lián)開(kāi)關(guān)配置有保護(hù)功能的同步模塊，為母聯(lián)開(kāi)關(guān)提供保護(hù)、同步合閘、分閘控制等。在DP 操作時(shí)，按下DP模式，電站能在PMS管理下母排自動(dòng)分段、負(fù)荷自動(dòng)分區(qū)，滿足DP操作要求[5]。

為了確保供電連續(xù)性和系統(tǒng)可靠性，PMS采用兩級(jí)控制網(wǎng)絡(luò)完成。上層采用冗余的PROFIBUS控制網(wǎng)絡(luò)，上層PROFIBUS通過(guò)Y-link連接DEIF公司的PPU3。下層網(wǎng)絡(luò)采用CAN-BUS連接各個(gè)PPU3，實(shí)現(xiàn)機(jī)組間的功率分配和協(xié)調(diào)。當(dāng)CAN-BUS通訊故障或斷線時(shí)，還可以通過(guò)負(fù)載分配線進(jìn)行協(xié)調(diào)[3]。PMS配置單獨(dú)的UPS，容量滿足系統(tǒng)電源需求和CCS規(guī)范的要求。

4 推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電力推進(jìn)系統(tǒng)由推進(jìn)移相位變壓器，推進(jìn)變頻器，推進(jìn)電機(jī)組成。

推進(jìn)系統(tǒng)各設(shè)備容量匹配性計(jì)算：

表1 各設(shè)備計(jì)算參數(shù)

4.1 變頻器參數(shù)的計(jì)算及校核

S(kVA)=m/(cos)=1857.585

主推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的額定基波電流：

I(A)=P/(1.732mcosφ)×1000=1702.345。

主推進(jìn)變頻器在推進(jìn)電機(jī)額定電壓下輸出基波電流I(A)=2320，可見(jiàn)I>p，I/I=136.28%。

4.2 變壓器容量需求計(jì)算

所需主推進(jìn)變壓器容量：

S1=PK/(ηηcosφ)=1728.65 ，S1>S1。

電力系統(tǒng)容量需求計(jì)算

這時(shí)候，我們也會(huì)發(fā)現(xiàn)，文化層次的高低、是否功利、閱讀內(nèi)容的優(yōu)質(zhì)與否，這些因素還是在一定程度上極大的影響到閱讀主體選擇深閱讀還是淺閱讀，但不足以成為判斷標(biāo)準(zhǔn)。如果把這些作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，就會(huì)引起大眾對(duì)深淺閱讀的理解歧義，不能正確對(duì)待之。同樣，也正因?yàn)檫@些因素的影響大，所以造成大家在理解深淺閱讀時(shí)，會(huì)以這些因素為標(biāo)準(zhǔn)，選擇合適的閱讀方式。

每套主推進(jìn)變壓器輸入功率：

P1(kW)=PK/（ηηη）=1728.65

輔機(jī)輸入功率P=200.00(kW)，日用功率l(kW)=200.00。

全速推進(jìn)工況功率需求：

xq(kW)=2P1+P=3657.30

動(dòng)力定位起重工況功率需求：

P(kW)=4*P1+P+P=7314.61

電站的功率利用率為P/∑=91.43%。

5 電力系統(tǒng)短路電流計(jì)算

使用CCS計(jì)算軟件Compass-Rules,計(jì)算本電力系統(tǒng)最大工況（4發(fā)電機(jī)并網(wǎng)），短路電流值為如表2。

6 系統(tǒng)的諧波問(wèn)題

諧波問(wèn)題是本項(xiàng)目重點(diǎn)考慮的問(wèn)題之一，在航行工況下，低壓側(cè)不帶任何諧波濾波器的情況下，船級(jí)社規(guī)范要求整個(gè)電網(wǎng)的總電壓諧波失真(THD)在任何工況下不超過(guò)5%，任何單次諧波不超過(guò)3%。電力推進(jìn)技術(shù)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，影響電網(wǎng)的諧波畸變的因素主要包括如下：系統(tǒng)組成設(shè)備（發(fā)電機(jī)（Xd”）、變壓器（Z%）、移相變壓器的對(duì)稱性和移相精度、非線性負(fù)荷的參數(shù)特性）；系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（多脈整流技術(shù)還是有源前端技術(shù)）；在網(wǎng)機(jī)組容量（kVA）、非線性負(fù)荷占總負(fù)荷比例、非線性負(fù)荷占電網(wǎng)容量的比例等；電網(wǎng)電壓的不平衡度、電網(wǎng)電壓的畸變度[6]。

用ETAP12.0進(jìn)行諧波估算最大工況（4發(fā)電機(jī)并網(wǎng)，4推進(jìn)器同時(shí)75%功率運(yùn)行時(shí)的工況）的建模及計(jì)算結(jié)果如圖3和表3所示。

表2 短路電流計(jì)算結(jié)果

表3 DP工況諧波計(jì)算結(jié)果

針對(duì)本項(xiàng)目單線圖和相關(guān)參數(shù)，利用專(zhuān)用計(jì)算軟件ETAP結(jié)合相應(yīng)的工程經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)系統(tǒng)在不同運(yùn)行工況下的諧波電壓進(jìn)行的計(jì)算，而在試航運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行的實(shí)測(cè)諧波數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果吻合。這表明：在當(dāng)前的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、設(shè)備參數(shù)配置以及運(yùn)行工況下，電網(wǎng)的諧波能夠滿足船級(jí)社規(guī)范的要求。

7 結(jié)束語(yǔ)

隨著人類(lèi)不斷走向深海，對(duì)海洋敷纜工程船提出更多的功能要求，敷纜船綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)具有特點(diǎn)包括燃油更經(jīng)濟(jì)性，系統(tǒng)操作性好，保養(yǎng)維修更方便快捷，噪音等級(jí)小，船員居住舒適度高，由于以上這些特點(diǎn)，使得電推系統(tǒng)更滿足敷纜工程船的未來(lái)的功能性需求。

[1] 湯天浩, 韓朝珍. 船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社, 2015: 42-45.

[2] Mukund R. Patel. Shipboard Propulsion, Power electronics, and Ocean Energy 2011, (1): 153-159

[3] 鄭元璋, 冀路明等. 船舶綜合電力推進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)研究[M]. 中國(guó)航海, 2005, (4): 83-86

[4] 黃倫坤, 朱正鵬, 劉宗德. 船舶電站及其自動(dòng)化裝置[M]. 北京: 北京人民交通出版社, 1982.

[5] 林華鋒. 船舶電站[M]. 哈爾濱工程大學(xué)出版社, 1996.

[6] 李宏, 王崇武. 現(xiàn)代電力電子技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社, 2008, (12): 1-5.

Integrated Electric Propulsion System for A 3500 Ton Cable Laying Ship

Liu Wenda, Zhouxing

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM464

A

1003-4862（2018）12-0049-04

2018-07-02

劉文達(dá)(1984-)，男，碩士。研究方向：電力推進(jìn)系統(tǒng)。E-mail: liu_wenda@163.com