郝春學(xué)，姜鈺梁

燈光圍網(wǎng)漁船電力推進(jìn)系統(tǒng)

郝春學(xué)，姜鈺梁

(武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064)

本文介紹了漁船綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的概況，分別介紹了各個(gè)系統(tǒng)，包括供電系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、功率管理系統(tǒng)、推進(jìn)操控系統(tǒng)，漁船采用電力推進(jìn)系統(tǒng)是未來發(fā)展方向。

PMS 電力推進(jìn) 操控系統(tǒng)

0 引言

近年來，大型燈光圍網(wǎng)漁船的問世，給漁業(yè)帶來新的發(fā)展，伴隨圍網(wǎng)漁船的增多和海洋資源的縮減，對(duì)噪音和振動(dòng)性能、高可靠性及環(huán)保節(jié)能船舶的要求也增加。漁船領(lǐng)域發(fā)展電力推進(jìn)從效益角度和長(zhǎng)遠(yuǎn)利益來看，勢(shì)在必行。

1 電力推進(jìn)系統(tǒng)概況

漁船綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)(單線圖見圖1)實(shí)現(xiàn)全船的供電、推進(jìn)及操控功能，根據(jù)功能劃分為3個(gè)分系統(tǒng)：供電系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、操控系統(tǒng)。

供電系統(tǒng)主要為全船提供電源，并提供必要的保護(hù)。供電系統(tǒng)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(jī)組4套、50 kW機(jī)組1套、主配電板1套、功率管理系統(tǒng)（PMS）1套[1]。

推進(jìn)系統(tǒng)為船舶航行提供推進(jìn)動(dòng)力，可完成船舶的圍網(wǎng)作業(yè)、進(jìn)出港、航行等工況。推進(jìn)系統(tǒng)的組成主要包括：2臺(tái)推進(jìn)變壓器、2套6脈水冷型推變頻器、1臺(tái)雙繞組推進(jìn)電動(dòng)機(jī)和1套減速齒輪箱。

操控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)推進(jìn)操控功能、電力推進(jìn)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)報(bào)警功能，由駕控臺(tái)控制組件、推進(jìn)控制單元、采集箱組成。

2 供電系統(tǒng)

供電系統(tǒng)主要為全船提供穩(wěn)定、持續(xù)、高品質(zhì)電源，通過配電板將全船的電能統(tǒng)一分配并啟動(dòng)各種現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)功能。

航行或圍網(wǎng)作業(yè)工況下，全船由主發(fā)電機(jī)組供電，4臺(tái)主發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行最大可為全船提供1600 kW電源，供推進(jìn)、輔機(jī)、作業(yè)設(shè)備和日用負(fù)載使用，其中主發(fā)電機(jī)為3相4線制接法，可直接取相電壓為220 V誘魚燈供電，誘魚燈控制系統(tǒng)應(yīng)保證各相負(fù)載平衡；錨泊工況下，全船由50 kW停泊發(fā)電機(jī)組供電，供輔機(jī)、作業(yè)設(shè)備和日用負(fù)載使用；?？看a頭時(shí)，可接入岸電為船上用電設(shè)備供電。

主柴油發(fā)電機(jī)組為全船電源，本船設(shè)置4臺(tái)400 kW的柴油發(fā)電機(jī)組，機(jī)組的額定轉(zhuǎn)速為1500 rpm，額定電壓為400 V，額定頻率為50 Hz。主柴油發(fā)電機(jī)組滿足船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)電站動(dòng)態(tài)響應(yīng)的要求，并能承受本船電網(wǎng)中的諧波電壓和諧波電流。主發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)引出，組成3相4線制系統(tǒng)。

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(shí)要求來合理分配電功率，為各發(fā)電機(jī)和用電設(shè)備提供保護(hù)功能，如過載、短路、欠壓、逆功等保護(hù)功能，并監(jiān)測(cè)400 V電網(wǎng)和230 V電網(wǎng)的絕緣電阻。主配電板可以手動(dòng)操作并車、負(fù)荷分配和負(fù)荷轉(zhuǎn)移。當(dāng)停泊發(fā)電機(jī)供電時(shí)，只對(duì)部分負(fù)載供電。

圖1 電力推進(jìn)系統(tǒng)單線圖

3 推進(jìn)系統(tǒng)

推進(jìn)系統(tǒng)為船舶航行提供推進(jìn)動(dòng)力。推進(jìn)系統(tǒng)可完成船舶的圍網(wǎng)作業(yè)、進(jìn)出港、航行等工況。推進(jìn)系統(tǒng)中推進(jìn)電機(jī)軸功率為1×1000 kW，轉(zhuǎn)速為1000 r/min。推進(jìn)電機(jī)通過減速齒輪箱驅(qū)動(dòng)螺旋槳。主推進(jìn)電機(jī)為雙繞組電機(jī)，每套繞組通過變頻器單獨(dú)控制，變頻器通過兩臺(tái)推進(jìn)變壓器連接至400 V電網(wǎng)。推進(jìn)電機(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(zhǎng)期運(yùn)行。

推進(jìn)變壓器為干式變壓器，單臺(tái)容量為700 kVA。兩臺(tái)變壓器接法分別為Dd0和Dy11，當(dāng)兩臺(tái)推進(jìn)變壓器同時(shí)工作時(shí)，對(duì)于400 V交流電網(wǎng)相當(dāng)于虛擬12 脈動(dòng)整流，可大大降低電網(wǎng)的諧波。為了避免在變壓器投入時(shí)出現(xiàn)大沖擊電流，主推變壓器設(shè)有預(yù)充磁裝置。

推進(jìn)變頻器是變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制核心，對(duì)不同工況下的推進(jìn)負(fù)載變化進(jìn)行最佳的動(dòng)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。推進(jìn)變頻器將對(duì)推進(jìn)電機(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)電機(jī)的速度，驅(qū)動(dòng)螺旋槳，使船舶平穩(wěn)航行。推進(jìn)變頻器的控制方式采用優(yōu)化的脈寬調(diào)制方式。2套推進(jìn)變頻器是相互獨(dú)立的，可分別控制推進(jìn)電機(jī)的兩套繞組。推進(jìn)變頻器采用水冷型推進(jìn)變頻器，可減小推進(jìn)變頻器的體積、噪聲和發(fā)熱量。變頻器具備以下功能：

1）保護(hù)功能

推進(jìn)變頻器具有過電壓、過電流、低電壓、過負(fù)載、超溫、絕緣監(jiān)測(cè)等保護(hù)。

2）功率控制功能

為了讓發(fā)電機(jī)的負(fù)載保持穩(wěn)定，對(duì)推進(jìn)負(fù)載進(jìn)行功率控制、速度控制或轉(zhuǎn)矩控制。在功率控制模式下，推進(jìn)電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩能在最大限定值范圍內(nèi)變化，控制系統(tǒng)將根據(jù)控制手柄給出的功率設(shè)定值，連續(xù)調(diào)節(jié)電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩，保持功率的穩(wěn)定。

3）功率限制功能

推進(jìn)變頻器具備了發(fā)電機(jī)功率限制功能。如檢測(cè)到電網(wǎng)輸出功率達(dá)到某一限值（50%～100%，可設(shè)定），控制器將限制推進(jìn)裝置的吸收功率，保證電網(wǎng)不會(huì)過載。同時(shí)，功率管理系統(tǒng)將起動(dòng)備用發(fā)電機(jī)。當(dāng)1臺(tái)或者數(shù)臺(tái)機(jī)組出現(xiàn)故障而跳閘時(shí)，推進(jìn)變頻器能夠快速降負(fù)荷，將輸出功率降至與可用機(jī)組功率相匹配，在保證剩余機(jī)組不會(huì)出現(xiàn)過負(fù)荷跳閘情況下，最大限度地利用機(jī)組可用功率。功率限制功能可保證僅1臺(tái)主發(fā)電機(jī)在網(wǎng)運(yùn)行的情況下，也可起動(dòng)推進(jìn)裝置而不致造成電網(wǎng)過載。

4）預(yù)充磁控制功能

推進(jìn)變頻器配備了預(yù)充磁控制功能。推進(jìn)變壓器接通前，其控制預(yù)充磁變壓器向推進(jìn)變壓器提供預(yù)充磁，使推進(jìn)變壓器繞組建立反電勢(shì)，減小變壓器投入時(shí)的沖擊電流。

5）預(yù)充電功能

推進(jìn)變頻器配備了預(yù)充電功能，在推進(jìn)變頻器投入前給直流電容充電建立電壓。

6）緊急停車功能

緊急停止功能是獨(dú)立于控制系統(tǒng)的，在任何時(shí)候推進(jìn)變頻器柜門上、駕控臺(tái)和其他操作部位上的緊急停止按鈕都同時(shí)有效。

推進(jìn)電動(dòng)機(jī)選用鼠籠異步水冷電動(dòng)機(jī)，采用雙繞組設(shè)計(jì)，由變頻器驅(qū)動(dòng)，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(zhǎng)期運(yùn)行，滿足推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)機(jī)械裝置和電氣設(shè)備的特殊要求。推進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相繞組和軸承上都設(shè)置了溫度傳感器，可以連接到推進(jìn)操控系統(tǒng)。

4 功率管理系統(tǒng)

功率管理系統(tǒng)對(duì)全船的功率實(shí)施統(tǒng)一優(yōu)化管理，主要設(shè)備包括PMS主控制器、機(jī)組數(shù)據(jù)采集控制子站ET200M、發(fā)電機(jī)保護(hù)并車單元PPU及PMS人機(jī)界面等，通過現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS連接，組成功率管理系統(tǒng)（如圖2所示）。功率管理系統(tǒng)能根據(jù)負(fù)載的實(shí)時(shí)功率需求和電網(wǎng)的運(yùn)行狀況對(duì)每臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行監(jiān)控并協(xié)調(diào)各臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組的工作，動(dòng)態(tài)調(diào)整對(duì)機(jī)組的控制指令，對(duì)供電分系統(tǒng)進(jìn)行故障報(bào)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[2]。

1) 機(jī)組的自動(dòng)啟動(dòng)

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(chǔ)備功率不足，備用機(jī)組應(yīng)自動(dòng)啟動(dòng)。備用機(jī)組的優(yōu)先順序可人工設(shè)定。啟動(dòng)成功達(dá)到投網(wǎng)電壓后自動(dòng)投入的時(shí)間小于30 s。機(jī)組啟動(dòng)指令的發(fā)出不超過三次，具有三次啟動(dòng)失敗報(bào)警功能。當(dāng)PMS收到一套機(jī)組啟動(dòng)失敗信息后，則能自動(dòng)將啟動(dòng)指令轉(zhuǎn)至下一套備用機(jī)組，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。機(jī)組發(fā)生超速或滑油失壓等嚴(yán)重故障時(shí)，使故障機(jī)組緊急停機(jī)，并啟動(dòng)備用機(jī)組投入。能對(duì)每套機(jī)組的自動(dòng)啟動(dòng)予以閉鎖，以便能安全地進(jìn)行維修。

圖2 PMS網(wǎng)絡(luò)連接圖

2) 機(jī)組投入和并聯(lián)運(yùn)行

母線無電時(shí)，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(shí)，待并機(jī)組可自動(dòng)同步，自動(dòng)合閘。有預(yù)防措施，以避免兩個(gè)或兩個(gè)以上發(fā)電機(jī)組開關(guān)同時(shí)合閘。自動(dòng)并聯(lián)后，具有有功功率自動(dòng)分配功能。在機(jī)組正常工作時(shí)，保證任意發(fā)電機(jī)組長(zhǎng)期并聯(lián)運(yùn)行，當(dāng)總負(fù)荷率在20%～100%和功率因數(shù)在0.6～0.9(滯后)范圍變化時(shí)，保證有功功率分配差度不大于5％，無功功率分配差度不大于10％。機(jī)組投入運(yùn)行后，頻率調(diào)節(jié)精度為50±0.5 Hz。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)短路故障而造成在網(wǎng)發(fā)電機(jī)主開關(guān)脫扣時(shí)，在人工應(yīng)答復(fù)位前防止各發(fā)電機(jī)組開關(guān)重新合閘。

3) 機(jī)組的解列和停機(jī)

若指定機(jī)組解列后其實(shí)時(shí)功率小于60%（可設(shè)定）的可用功率時(shí)，則指定機(jī)組自動(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)移負(fù)荷。當(dāng)解列發(fā)電機(jī)組經(jīng)負(fù)荷轉(zhuǎn)移后，負(fù)荷率低于10%（可調(diào)），電流不超過30%In（可調(diào)）時(shí)發(fā)出分閘指令。被解列的發(fā)電機(jī)組在分?jǐn)喟l(fā)電機(jī)主開關(guān)并空載運(yùn)行3 min后，按設(shè)定程序發(fā)出停機(jī)指令。

4) 發(fā)電機(jī)組起、停序列設(shè)定功能

通過母聯(lián)屏OP可設(shè)定供電系統(tǒng)各發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)起、停的優(yōu)先級(jí)并可在人機(jī)界面上修改。

5) 重載詢問功能

在啟動(dòng)大容量的用電設(shè)備之前，用電設(shè)備應(yīng)先向功率管理系統(tǒng)發(fā)出啟動(dòng)請(qǐng)求，功率管理系統(tǒng)根據(jù)機(jī)組在網(wǎng)情況，判斷是否能滿足它們的用電和起動(dòng)要求，若能夠滿足時(shí)，則發(fā)出啟動(dòng)允許信號(hào)，允許啟動(dòng)；若不能滿足時(shí)，則應(yīng)在一臺(tái)備用發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)、并網(wǎng)且在網(wǎng)機(jī)組功率貯備足夠時(shí)，才發(fā)出啟動(dòng)允許，允許它們投入電網(wǎng)用電。

6) 分級(jí)自動(dòng)卸載功能

當(dāng)電網(wǎng)在線負(fù)載的總用電量超過供電發(fā)電機(jī)的額定輸出能力，并持續(xù)一定的時(shí)間之后，應(yīng)能自動(dòng)將在線負(fù)載中的次要負(fù)載以四級(jí)的方式從電網(wǎng)分?jǐn)啵源_保對(duì)重要負(fù)載的連續(xù)供電。

7) 人機(jī)界面監(jiān)測(cè)功能

對(duì)電力系統(tǒng)重要參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控是實(shí)現(xiàn)PMS功能的前提保障（見圖3所示）。PMS可以根據(jù)電網(wǎng)的運(yùn)行狀況、每套發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行情況，動(dòng)態(tài)調(diào)整對(duì)機(jī)組的控制指令[3]。主要有以下功能：

彩色人機(jī)界面的動(dòng)態(tài)顯示：在母聯(lián)屏人機(jī)界面上動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(shí)可以在線修改PMS設(shè)置參數(shù)；

報(bào)警功能：對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)故障報(bào)警監(jiān)測(cè)，并對(duì)故障進(jìn)行相應(yīng)的處理；

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

報(bào)警窗口：當(dāng)有報(bào)警時(shí)，彈出當(dāng)前的報(bào)警信息小窗口。

圖3 功率管理系統(tǒng)主界面

5 推進(jìn)操控系統(tǒng)

推進(jìn)操控系統(tǒng)具備兩部分主要功能（見圖4所示），推進(jìn)操控功能及監(jiān)測(cè)報(bào)警功能。能夠同時(shí)控制每條推進(jìn)支路，依靠?jī)?yōu)化的人機(jī)操縱界面和完備的控制及保護(hù)策略，操縱人員能夠安全、可靠、便捷地實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶推進(jìn)系統(tǒng)的各種操作。能夠監(jiān)測(cè)推進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，確保推進(jìn)系統(tǒng)的安全運(yùn)行，并且將設(shè)備運(yùn)行信息顯示給操作人員[4]。

推進(jìn)操控系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)推進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備（包括主配電板、推進(jìn)變壓器、推進(jìn)變頻器、推進(jìn)電機(jī)）的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)冷卻風(fēng)機(jī)等輔助設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的控制，同時(shí)結(jié)合推進(jìn)控制功能，對(duì)系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)。

圖4 推進(jìn)操控系統(tǒng)圖

6 結(jié)論

漁船多數(shù)采用單舵漿推進(jìn)，從圖1可以看出，本系統(tǒng)采用兩臺(tái)變頻器同時(shí)驅(qū)動(dòng)單臺(tái)雙繞組電機(jī)，機(jī)組的電制采用三相四線制，誘魚燈光系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)無需采用單獨(dú)的輔助發(fā)電機(jī)組進(jìn)行供電，而與主推進(jìn)系統(tǒng)統(tǒng)一供電，實(shí)現(xiàn)了主推進(jìn)、誘魚燈光系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)電能的統(tǒng)一調(diào)配，使得漁船的裝機(jī)功率減少，造價(jià)降低。采用多臺(tái)機(jī)組組成發(fā)電系統(tǒng)，當(dāng)某一臺(tái)發(fā)電機(jī)組故障時(shí)，其它發(fā)電機(jī)組能夠正常供電；采用兩臺(tái)變頻器及雙繞組電機(jī)，單臺(tái)變頻器故障或推進(jìn)電機(jī)的單電樞故障時(shí)，仍可以維持單機(jī)正常運(yùn)行，因此，電力推進(jìn)系統(tǒng)漁船具有故障冗余，運(yùn)行可靠性高等特點(diǎn)。綜上所述，漁船采用電力推進(jìn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了船體布置結(jié)構(gòu)靈活，實(shí)現(xiàn)了全船電力系統(tǒng)統(tǒng)一分配，有效解決了燈光圍網(wǎng)漁船動(dòng)力性能差、節(jié)能環(huán)保性差、噪音和振動(dòng)大等特點(diǎn)，為漁船動(dòng)力系統(tǒng)的變革起到了指導(dǎo)意義。

[1] M.Chow, P.M.Mangun，and S.O.Yee. A Neural Network Approach to Real-Time Condition Monitoring of Induction Motors. IEEE Trans.OIE, DEC.1991, PP. 448- 453.

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Integrated Electric Propulsion System for Lamp Seining Fishing Boats

Hao Chunxue, Jiang Yuliang

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

U674.4

A

1003-4862（2014）10-0062-04

2013-09-04

郝春學(xué)（1983－），男，碩士。專業(yè)方向：電力系統(tǒng)仿真、船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)。