王海軍

(黑龍江航道局，哈爾濱 150026)

0 引言

隨著變頻調(diào)速技術(shù)的迅速發(fā)展，變頻器、推進(jìn)電機(jī)等電力設(shè)備也在船舶行業(yè)被廣泛的使用[1]。作為艦船未來發(fā)展方向的綜合電力推進(jìn)技術(shù)在國內(nèi)也得到了飛速發(fā)展。船舶電力推進(jìn)技術(shù)已經(jīng)在運(yùn)輸船、海洋開發(fā)用船、工程船、漁業(yè)船舶、拖帶船舶、港務(wù)船、布纜船、風(fēng)電安裝船等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

1 綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)概況

根據(jù)組成設(shè)備的功能，整個系統(tǒng)可劃分為5個子系統(tǒng)：發(fā)電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、功率管理系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、推進(jìn)操控系統(tǒng)。

發(fā)電系統(tǒng)由2臺800 kW/AC 400 V/50 Hz主發(fā)電機(jī)組和1臺150 kW/AC 400 V/50 Hz停泊發(fā)電機(jī)組組成。

配電系統(tǒng)由主配電板與功率管理系統(tǒng)組成，它將全船的電能統(tǒng)一分配并啟動各種現(xiàn)場保護(hù)功能。

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

功率管理系統(tǒng)（簡稱PMS）根據(jù)功率的需求對每臺柴油發(fā)電機(jī)組及推進(jìn)操控系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控并協(xié)調(diào)各柴油發(fā)電機(jī)組的工作，可以對供電系統(tǒng)進(jìn)行故障報警和處理，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。在發(fā)電、配電系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，PMS會采取各種措施，盡可能保證對負(fù)載的連續(xù)供電，避免電站斷電，確保船舶的安全性。

推進(jìn)系統(tǒng)包括主推進(jìn)系統(tǒng)及推進(jìn)操控系統(tǒng)。主推進(jìn)系統(tǒng)主要完成該船主推進(jìn)功能的實(shí)現(xiàn)。主要由2臺主推進(jìn)變壓器、2臺主推進(jìn)變頻器(含制動電阻)以及2臺主推進(jìn)電機(jī)組成。推進(jìn)操控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各航行工況下，主推進(jìn)系統(tǒng)的集中啟/?？刂?、主推進(jìn)系統(tǒng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速控制等功能，它主要由駕駛室推進(jìn)控制器組成。

監(jiān)測報警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全船綜合監(jiān)測報警功能。

2 發(fā)電系統(tǒng)

挖泥船共設(shè)2臺主發(fā)電機(jī)，額定功率800kW，額定轉(zhuǎn)速1500 r/min。主發(fā)電機(jī)由柴油機(jī)驅(qū)動，發(fā)出電能為全船供電。2臺主發(fā)電機(jī)組可任意單機(jī)或并聯(lián)運(yùn)行，按照CCS的要求，對電力系統(tǒng)進(jìn)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(fù)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(tǒng)和全船日用負(fù)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(fā)電機(jī)的設(shè)計和制造滿足船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)對電站動態(tài)響應(yīng)的要求，能承受本船電網(wǎng)中的諧波電壓和諧波電流[2]。

3 配電系統(tǒng)

配電系統(tǒng)主要將全船的電能統(tǒng)一分配并啟動各種現(xiàn)場保護(hù)功能。配電系統(tǒng)由主配電板與功率管理系統(tǒng)(PMS)組成，功率管理系統(tǒng)內(nèi)置于主配電板內(nèi)。

航行工況下，全船由主發(fā)電機(jī)組供電，正常情況下機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行兩臺，主發(fā)電機(jī)組可并聯(lián)運(yùn)行為全船供推進(jìn)、輔機(jī)、日用負(fù)載使用。

錨泊工況下，全船由任意一套發(fā)電機(jī)組供電，供輔機(jī)和日用負(fù)載使用；應(yīng)急情況下，全船由備用發(fā)電機(jī)組供電，供重要負(fù)載（比如通訊系統(tǒng)和應(yīng)急照明）使用。

停泊工況下，啟動停泊機(jī)組為船上用電設(shè)備供電。

主配電板是連接發(fā)電機(jī)組和用電負(fù)荷的中間環(huán)節(jié)，根據(jù)全船用電設(shè)備的實(shí)時要求來合理分配電功率，為各用電設(shè)備提供監(jiān)測和保護(hù)，隔離故障，并監(jiān)測400 V電網(wǎng)和220 V電網(wǎng)的絕緣電阻。

當(dāng)岸電向主配電板匯流排供電時，如有任何一臺發(fā)電機(jī)主開關(guān)合閘向匯流排供電時，應(yīng)先行斷開岸電回路。二臺照明變壓器互鎖。發(fā)電機(jī)運(yùn)行時，對應(yīng)發(fā)電機(jī)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(shù)表、絕緣監(jiān)測表等監(jiān)視儀表，還設(shè)置有明顯的狀態(tài)指示和報警指示等。主配電板共分10屏，組成如下表：

主發(fā)電機(jī)組控制屏主要設(shè)有主發(fā)電機(jī)出口斷路器及自動調(diào)頻調(diào)載裝置，實(shí)現(xiàn)柴油發(fā)電機(jī)組的自動啟動、停機(jī)、手動啟動、手動停機(jī)、保護(hù)、及機(jī)組調(diào)頻調(diào)載。并提供柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)參數(shù)顯示、檢測和對發(fā)電機(jī)提供保護(hù)功能。

母聯(lián)及功率管理屏將400 V匯流排分段，實(shí)現(xiàn)并車及功率管理。屏內(nèi)主要裝有400 V匯流排母聯(lián)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(jiān)控儀表，以及功率管理單元操作面板。

推進(jìn)及負(fù)載屏連接匯流排與主推進(jìn)變壓器以及側(cè)推變頻器，實(shí)現(xiàn)主、側(cè)推進(jìn)系統(tǒng)的饋電和保護(hù)以及船上380 V負(fù)載的的饋電和保護(hù)。

AC 220 V負(fù)載屏實(shí)現(xiàn)船上220 V負(fù)載的饋電和保護(hù)。

組合起動屏主要由多路起動器單元組成，對機(jī)艙主要電動機(jī)進(jìn)行集中管理。

4 功率管理系統(tǒng)

功率管理系統(tǒng)（簡稱PMS）根據(jù)功率的需求對每臺柴油發(fā)電機(jī)組及推進(jìn)操控系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控并協(xié)調(diào)各柴油發(fā)電機(jī)組的工作，可以對供電系統(tǒng)進(jìn)行故障報警和處理，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[3]。在供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，PMS會采取各種措施，盡可能保證對負(fù)載的連續(xù)供電，避免電站斷電，確保船舶的安全性。PMS系統(tǒng)配置一臺UPS，UPS容量滿足要求。PMS系統(tǒng)包括功率管理系統(tǒng)控制器與主配電板內(nèi)的子站及發(fā)電機(jī)組多功能保護(hù)控制單元。PMS基本結(jié)構(gòu)如下圖2所示。

功率管理系統(tǒng)能根據(jù)負(fù)載的實(shí)時功率需求和電網(wǎng)的運(yùn)行狀況對每臺柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行監(jiān)控并協(xié)調(diào)各臺柴油發(fā)電機(jī)組的工作，動態(tài)調(diào)整對機(jī)組的控制指令，對供電分系統(tǒng)進(jìn)行故障報警和處理，為電力推進(jìn)系統(tǒng)及其他用電設(shè)備提供可靠、穩(wěn)定及優(yōu)化配置的電力能源[4]。在供電分系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，盡可能保證對負(fù)載的連續(xù)供電，避免電站斷電以確保船舶的安全性。

1) PMS設(shè)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(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)，與綜合監(jiān)測報警系統(tǒng)通訊，不執(zhí)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(shí)現(xiàn)以下功能：機(jī)組啟動、機(jī)組停機(jī)、主開關(guān)合閘、主開關(guān)分?jǐn)?；在自動模式下，PMS自動對供電系統(tǒng)進(jìn)行管理。

2) 機(jī)組的自動啟動：

當(dāng)運(yùn)行機(jī)組發(fā)生嚴(yán)重故障時，備用機(jī)組自動啟動；

供電系統(tǒng)在網(wǎng)機(jī)組功率總和達(dá)到90%（可設(shè)定）額定功率總和，儲備功率不足，備用機(jī)組應(yīng)自動啟動；

當(dāng)在網(wǎng)運(yùn)行機(jī)組因柴油機(jī)滑油壓力低、冷卻水溫度高、繞組過熱等報警時，經(jīng)延時后能自動起動備用機(jī)組，備用機(jī)組并入電網(wǎng)成功后，逐步卸去故障機(jī)組負(fù)荷并對故障機(jī)組發(fā)出停機(jī)指令，并發(fā)出報警信號；

能對每臺機(jī)組的自動和遙控啟動予以閉鎖，以便能安全地進(jìn)行維修。機(jī)組的啟動和運(yùn)行在發(fā)電機(jī)控制屏和功率管理及并車屏有指示。

3) 機(jī)組投入和并聯(lián)運(yùn)行

母線無電時，待用機(jī)組在達(dá)到一定電壓和頻率后立即投入；

母線有電時，待并機(jī)組自動同步，自動合閘；

有預(yù)防措施，以避免兩個或兩個以上發(fā)電機(jī)組開關(guān)同時合閘；

自動并聯(lián)后，具有有功功率自動分配功能。保證任意發(fā)電機(jī)組長期并聯(lián)運(yùn)行，保證有功分配差度滿足要求。

4) 機(jī)組的解列和停機(jī)

若指定機(jī)組解列后，實(shí)時負(fù)載功率仍小于60%（可設(shè)定）的剩余機(jī)組可用功率時，則指定機(jī)組自動解列、停機(jī)；

在解列過程中，除嚴(yán)重故障之外，均能平滑地自動轉(zhuǎn)移負(fù)荷。當(dāng)解列發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷轉(zhuǎn)移至剩余負(fù)荷不超過該發(fā)電機(jī)組額定輸出功率的10%（可設(shè)定），電流不超過30%In（可設(shè)定）時發(fā)出分閘指令；

機(jī)組發(fā)生超速或滑油失壓等嚴(yán)重故障時，自動進(jìn)入緊急停機(jī)程序，并起動備用機(jī)組投入；

當(dāng)負(fù)荷減少而自動減機(jī)時，在網(wǎng)機(jī)組按設(shè)定的順序減少機(jī)組；

發(fā)電機(jī)組起、停序列設(shè)定功能。

通過功率管理及并車屏HMI可設(shè)定各發(fā)電機(jī)組的自動起、停的優(yōu)先級，并可在線修改。

5) 重載問詢功能

功率較大的負(fù)載在啟動時需進(jìn)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(hù)電網(wǎng)可靠供電及穩(wěn)定運(yùn)行，針對機(jī)組過載、電網(wǎng)過載及突發(fā)事件而設(shè)定，根據(jù)各類負(fù)載的重要性分級，分兩級進(jìn)行卸載。

7) 人機(jī)界面監(jiān)測功能

HMI對電力系統(tǒng)重要參數(shù)的實(shí)時監(jiān)控是實(shí)現(xiàn)PMS功能的前提保障。PMS可以根據(jù)電網(wǎng)的運(yùn)行狀況、每臺發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行情況，動態(tài)調(diào)整對機(jī)組的控制指令。主要有以下功能：

彩色人機(jī)界面的動態(tài)顯示：在人機(jī)界面上動態(tài)實(shí)時監(jiān)測柴油發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)、母線的運(yùn)行狀態(tài)、電能分配狀況等，同時可以在線修改PMS設(shè)置參數(shù)；

報警功能：對柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行動態(tài)實(shí)時故障報警監(jiān)測，并對故障進(jìn)行相應(yīng)的處理；

圖形顯示：以動態(tài)圖形顯示電站系統(tǒng)，當(dāng)情況異常時，予以變色或閃動；

頁面顯示：含參數(shù)頁、報警頁；

報警窗口：當(dāng)有報警時，彈出當(dāng)前的報警信息小窗口。

5 推進(jìn)系統(tǒng)

主推進(jìn)系統(tǒng)中2臺推進(jìn)電動機(jī)功率500 kW，轉(zhuǎn)速為1500 r/min。主推進(jìn)系統(tǒng)有兩條推進(jìn)支路，每條推進(jìn)支路由1臺主推進(jìn)變壓器、2臺推進(jìn)變頻器（含制動電阻柜）、2臺推進(jìn)電動機(jī)組成。推進(jìn)電動機(jī)通過變頻器實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，可在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)平滑調(diào)速并長期運(yùn)行。每條推進(jìn)支路都采用12脈沖整流方式，兩條支路構(gòu)成虛擬24脈沖整流，減少了推進(jìn)支路對電網(wǎng)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(wǎng)THD不大于5%[4]。

主推進(jìn)變壓器為三繞組整流變壓器，容量適應(yīng)主推進(jìn)變頻器需求，冷卻方式為強(qiáng)制風(fēng)冷。兩臺主推進(jìn)變壓器原邊相角差15°，當(dāng)兩條推進(jìn)支路同時工作時，對于400 V交流電網(wǎng)相當(dāng)于虛擬24 脈動整流，可降低電網(wǎng)的諧波，使400 V電網(wǎng)THD不大于5%，滿足CCS規(guī)范要求[5]。

主推進(jìn)變頻器是主推進(jìn)系統(tǒng)的控制核心，對不同推進(jìn)工況下的負(fù)載變化進(jìn)行最佳的動態(tài)控制和保護(hù)，從而保證推進(jìn)系統(tǒng)的最佳性能和安全運(yùn)行。主推進(jìn)變頻器對推進(jìn)電動機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，使系統(tǒng)根據(jù)指令，連續(xù)調(diào)節(jié)推進(jìn)電動機(jī)的速度，使船舶平穩(wěn)航行。

主推進(jìn)變頻器設(shè)置了置功率閉環(huán)，根據(jù)電網(wǎng)上的最大可用功率，可限制推進(jìn)負(fù)荷的功率。在推進(jìn)系統(tǒng)降速或停車過程，推進(jìn)電動機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，為防止發(fā)出的電能回饋到電網(wǎng)影響電網(wǎng)質(zhì)量，主推進(jìn)變頻器設(shè)置了制動電阻，將推進(jìn)電動機(jī)發(fā)出的電能消耗在制動電阻上。主推進(jìn)變頻器包含了一個接地故障監(jiān)測單元，對推進(jìn)支路進(jìn)行接地監(jiān)測。一旦發(fā)生接地故障，變頻器將發(fā)出報警信號。

主推進(jìn)變頻器面板上設(shè)有操作面板，帶有LCD顯示，顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)、參數(shù)設(shè)定值、實(shí)際值、故障分析等信息。主推進(jìn)變頻器柜門上還設(shè)置有就地/遙控轉(zhuǎn)換開關(guān)和起動/停止按鈕及應(yīng)急停止按鈕。

變頻器提供與監(jiān)測報警系統(tǒng)的模擬量、數(shù)字量和網(wǎng)絡(luò)通訊接口。

主推進(jìn)電動機(jī)由變頻器供電，能夠?qū)崿F(xiàn)變頻調(diào)速，在轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，在轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)均能長期運(yùn)行，滿足推進(jìn)系統(tǒng)對機(jī)械裝置和電氣設(shè)備的特殊要求。主推進(jìn)電動機(jī)各相繞組上都設(shè)置了溫度傳感器，可以連接到綜合監(jiān)測報警系統(tǒng)。

6 推進(jìn)操控系統(tǒng)

推進(jìn)操控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各航行工況下，主推和側(cè)推系統(tǒng)的集中啟/?？刂?、電機(jī)轉(zhuǎn)速控制等功能[6]，它主要由駕駛室推進(jìn)控制器組成。

操控系統(tǒng)操控在推進(jìn)操作面板上完成，可在HMI上顯示推進(jìn)系統(tǒng)狀態(tài)，變頻柜的就地控制面板提供簡單的就地控制人機(jī)接口。

操控系統(tǒng)的操控模式如下：駕控室控制臺遙控模式；機(jī)旁控制模式。

按優(yōu)先級從高到低排序：機(jī)旁、駕駛室。

在駕控室控制臺遙控模式下，在推進(jìn)操作面板上每個推進(jìn)控制手柄通過硬線獨(dú)立控制每個主推進(jìn)變頻器從而控制各臺主推進(jìn)電動機(jī)在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)；

在機(jī)旁控制模式下，在推進(jìn)操作面板上通過應(yīng)急車鐘發(fā)令給主推進(jìn)變頻器傳令，由機(jī)旁操作人員操作變頻器控制各臺主推進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)速；

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

7 結(jié)束語

隨著變頻調(diào)速技術(shù)的迅速發(fā)展，對工程船舶的操控性及先進(jìn)性也提出了更高要求，所以電力推進(jìn)系統(tǒng)也就成為船舶未來發(fā)展方向。本文對黑龍江航道局500方耙吸式挖泥船電力推進(jìn)系統(tǒng)的系統(tǒng)組成及功能進(jìn)行了總體的概述，與常規(guī)動力系統(tǒng)相比,船舶的操控性能和節(jié)能經(jīng)濟(jì)性得到了較大提升。

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