4 000 t起重船電力系統設計

郭 燁 曾國詠

（上海振華重工（集團）股份有限公司 上海200125）

引 言

隨著大型海上工程和海難救助事業的快速發展，大型起重船作為不可缺少的工程船舶之一在其中發揮著重要的作用。近日一艘由國內造船廠為盧森堡船東Normalux Maritime SA負責建造的4 000 t“GULLIVER”號自航起重船頻繁出現在各海難救助與打撈現場，成為海上搶險救援的明星。該船主要服務于歐洲市場的海上起重作業和風電場的安裝、維護作業等，是一艘集起吊、運輸和打撈于一體，具有自航能力的多功能起重船，入級英國勞氏船級社。“GULLIVER”號在主甲板上擁有2臺2 000 t起重機，起重機可以在船上的軌道間來回行走。配備了水下推進器和主/輔錨泊定位系統，使其能夠在其他同類船舶無法到達的海域作業。作為該項目的參與人員，本文將對“GULLIVER”號的電力系統的配置和設計作簡要介紹，期望能對今后類似項目的設計工作起到一定的參考意義。

1 推進系統及推進電網的選擇

考慮到整船的定位效果和操縱性，“GULLIVER”號在首、尾各設置2臺柴油機驅動的全回轉可調槳推進器，每臺柴油機的自由端設有一臺推進發電機。由于需滿足英國勞氏船級社DP（AA）［1］入級附加標志的要求，發電機和推進器需有冗余，4臺推進器分別安裝在4個完全獨立的艙室內，如圖1所示。

圖1 推進器布置示意圖

每臺柴油-推進系統的輔助系統（如燃油系統、滑油系統、冷卻水系統及通風系統等）完全獨立。配電部分為了實現冗余的設計，在每個推進器室設有各自的推進配電板，分別連接到同一推進器室內的推進發電機上，這樣每個推進器室就構成了一個完全獨立的配電網絡，只給各自推進器室內的輔助系統和推進器相關設備供電，全船便形成了4個獨立的推進電網，在DP模式下可與主電網完全隔離。這樣的設計能夠保證即使在發生最大單個故障的情況下，動力定位操作還能持續進行。該船的最大單點故障是單臺推進器失效，在規定的環境條件下，剩下的3臺推進器仍能有效定位。

2 電站及配電設備

“GULLIVER”號的電力系統的主要配置如下，主電力系統單線圖如下頁圖2所示。

2.1 發電機

2臺主發電機組AC 690 V， 60 Hz， 1 500 kW；1臺輔助發電機組AC 440 V， 60 Hz， 800 kW；4臺推進發電機 AC 293～440 V， 40～66.7 Hz， 135 kW×600 r·min-1/ 270 kW×900 r·min-1及1臺應急兼停泊發電機組AC 440 V，60 Hz，188 kVA。

圖2 “GULLIVER”號電力系統單線圖

2.2 電動機發電機組

為構成清潔電網（Clean Net），在局部的電網中采用了電動機發電機組（Rotary Frequency Converter）的供電方式， 起到了完全的電氣隔離和諧波隔離的作用。該電動機發電機組由三相交流異步電機帶動同步發電機組成，整個機組集成在一個密封的機座內，機座外殼只留有電氣接線和外部冷卻水管的接口，與外界幾乎完全隔離。

全船總共設2套電動機發電機組。主電動機發電機組為AC 690/440 V，電機參數：AC 660 V，60 Hz， 850 kW， 發電 機參 數 ：AC 440 V， 60 Hz，800 kW； 輔助電動機發電機組為AC 440/690 V，電機參數：AC 440 V，60 Hz，170 kW，發電機參數：AC 690 V，60 Hz，152 kW。

2.3 930 V直流配電板（包含變頻驅動系統）

起重機、定位錨絞車和壓載系統是起重船的核心設備，總共包含了37臺交流變頻電機，如起重絞車、變幅絞車、系泊絞車、拖帶絞車和壓載泵等。變頻驅動形式采用的是公共直流母線的方案，適用于各個設備之間動作關聯程度高、變頻器集中應用的場合。相對于傳統的單臺1對1變頻驅動方式，達到減少元器件的數量、節省設備安裝空間及電纜布線和降低整體投資的目的［2］。

整個系統主要由交流發電機、整流模塊、直流母線、變頻逆變器、制動斬波器和制動電阻等幾個部分組成。

公共直流母線的運用大大減少了整流模塊的數量。兩臺交流主發電機各自通過一個整流模塊向公共的直流母線供電，將發電機輸出的交流電整流成為直流電，從而組成了一個直流電網。區別于交流電網中發電機同步需同時考慮頻率、電壓、相位相同等因素，直流電網中同步僅需滿足電壓相同這一個條件［3］，就可以實現并網運行。

逆變部分采用的則是1對1逆變器，全部的逆變器通過熔斷器掛接在同一組公共的直流母排上，從直流母線獲取電能，將直流電轉化為電壓、頻率可調的交流電，以實現電機平滑調速的目的。

起重機和定位錨絞車在實際使用過程中經常會出現同一系統中多臺電機處于電動和制動狀態（發電狀態）的情況，公共直流母線的技術能夠實現從再生發電電機回收能量并將其補充其他逆變器所需的電動能量，避免造成產生的能量通過制動電阻器以熱能的形式全部消耗掉的情況，在省去大量的制動單元和制動電阻的同時，又實現再生能源的合理利用［4］，提高整個系統的效率。為防止短時間內出現電機在使用過程中出現急降速或緊急制動時產生過多再生能源無法被吸收的情況，對直流母線造成影響，在每段母線側配置了公用的制動單元和制動電阻裝置。

直流母線被分成兩段，通過直流快速熔斷器相連，正常情況下母聯開關保持常閉狀態，當任意一側母排發生嚴重故障時，母聯開關才會斷開。

2.4 輔助配電板

正常情況下通過變頻器向主電動機發電機組供電，由電動機帶動同步發電機發出AC 440 V交流電壓給輔助配電板供電。該配電板除了包含輔助發電機相關的控制和監測的功能外，還具備以下這些功能：

（1）2臺主發電機的起/停控制、開關合分閘控制和相關監測功能；

（2）主、輔電動機發電機組的起停控制、開關合分閘控制和相關監測功能；

（3）輔助發電機和主電動機發電機組的自動并車和負載分配功能；

（4）應急配電板的模式選擇及聯絡開關合分閘控制；

（5）應急發電機的起/停控制、開關合分閘控制和相關監測功能。

2.5 推進配電板

推進配電板的匯流排被分成了三段，每段匯流排之間設置母聯開關。推進配電板也通過聯絡開關和輔助配電板相連。

推進發電機由推進柴油機直接驅動，雖然配有CPP調距槳推進器，但是為增強船舶的操控性能和定位能力，需要推進器工作在聯合操控模式（combinatory mode）。所以即使在推進發電機向電網供電的時候，柴油機的轉速仍然是不斷變化的，這導致發電機的電壓和頻率會隨主機轉速而變化，無法直接給負載供電，所以考慮在發電機和配電板之間安裝變頻器。發電機發出的交流電經變頻器整流并逆變后，形成電壓與頻率均基本恒定的交流電給電網供電。同時為了更大程度改善諧波電流對電網的干擾，采用LCL型濾波器也是一種能夠改善電網諧波干擾的有效手段，其能夠減小電流中的高次諧波成分［5］，改善電壓波形。

3 供電模式

如前文所述，由于船舶主電網和推進電網相對獨立，將分別對這兩種電網供電模式進行說明。

3.1 主電網的供電模式

正常情況下，船上用電負荷比較低時，可以僅開1臺主發電機供全船用電。當用電負荷較高（特別是在起重作業或者錨泊定位）時，則需要同時開2臺主發電機，在個別極端工況下則需要開2臺主發電機和1臺輔助發電機。

以下通過表1以及圖2中各斷路器的編號，結合不同的操作工況及各用電設備的情況，對4種主要的供電模式進行說明。

供電模式一：適用于航行/拖拽工況或低負荷時的作業工況。由其中1臺主發電機給930 V直流配電板供電，閉合開關S5經主電動機發電機組（M2A）給輔助配電板供電。在全船失電的情況下，輔助發電機和應急發電機會同時起動，首先由輔助發電機給輔助配電板供電，當20 s內輔助發電機未能成功給輔助配電板供電，輔助發電機的開關S6將被閉鎖，2 s后應急發電機連接到應急配電板，由應急發電機給應急配電板供電。

供電模式二：適用于起重作業工況或錨泊定位。由2臺主發電機并聯運行給930 V直流配電板供電，閉合開關S5經主電動機發電機組（M2A）給輔助配電板供電。輔助發電機處于備用狀態。

供電模式三：適用于四點錨泊定位起重作業工況。此時需同時使用2臺起重機，用電負荷很高，2臺主發電機無法滿足全船用電量的需求，需同時開起輔助發電機。930 V直流配電板由2臺主發電機供電，輔助發電機和主電動機發電機組（M2A）同時并聯運行給輔助配電板供電。

供電模式四：適用于停泊工況。由輔助發電機給輔助配電板供電，閉合開關S4經輔助電動機發電機組（A2M）給930 V直流配電板供電。

表1 各供電模式下斷路器的狀態

3.2 推進電網的供電模式

推進配電板的匯流排分成3段，把連接的負載按DP相關負載和非DP相關負載分成兩類，分別連接在BUS-B和BUS-C匯流排上。圖3為推進電網示意圖以及在不同模式下的各斷路器狀態。

圖3 推進電網示意圖及各斷路器的狀態

當在DP模式下作業時，斷開B、C匯流排之間的母聯開關，閉合推進發電機的主開關和A、B匯流排之間的母聯開關，形成B匯流排上的負載（DP相關負載）由推進發電機供電，C匯流排上的負載（非DP相關負載）由主發電機供電，形成分區供電的模式。

在非DP模式下，此時斷開推進發電機的主開關以及A、B匯流排之間的母聯開關，閉合B、C匯流排之間的母聯開關，同時閉合推進配電板與輔助配電板之間的聯絡開關，形成由主發電機經輔助配電板對推進配電板供電的模式。

4 功率管理系統

該船的主發電機數量少并且在主要作業工況下均需要2臺主發電機同時投入運行，沒有常規自動電站中備用機組的概念，所以根據電網負載情況自動增加和解列發電機的功能在本項目上并無太大意義。

“GULLIVER”號關鍵的施工作業設備都為變頻驅動，提高電站供電的可靠性和持續性是實現穩定、持續、安全施工作業的關鍵。本船PMS的重點在于可靠、穩定的功率分配，對全船的變頻驅動設備進行實時的監測和管理。PMS功能除了具備常規船舶中自動并車、負載轉移、重載問詢、分級卸載和斷電恢復等功能外，還需具有配合變頻控制系統完成設備的功率限制、速度限制及主配電板再生能源的監測等功能。

為有效防止發電機過載而引起整個電站斷電，PMS會精確計算當前實際用電量和電站可供電量的差距，根據電站的運行趨勢進行判斷，通過向變頻控制系統發送最大功率信號來實現功率限制［6］，以便將電站負荷控制在合理的范圍內；當主配電板中產生的再生能源無法被利用或者被制動電阻消耗掉時，PMS還會向變頻控制系統發送速度限制命令。

5 結 語

“GULLIVER”號已于去年成功交付，并逐漸在海上施工領域嶄露頭角。近日在對挪威最大軍艦的打撈過程中發揮了舉足輕重的作用，更是出現在國內各大新聞媒體的報道中。

該船電力系統的設計思路具有某些特點，對日后海洋工程船舶的電力系統設計具有極重要的參考價值。

多項技術的應用被證實是成功的，諸如公共直流母線的應用很出色地滿足了起重機的控制要求；強大而快速的壓載系統能準確跟蹤起重作業，使起重作業能夠快速、穩定、連續完成，這都離不開該技術的應用。電動機發電機組以及LCL濾波器的應用，在構建清潔電網、諧波抑制方面也取得了成功。