劉文達(dá)，竇曉峰

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

0 引言

當(dāng)前世界漁業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中仍以近海捕撈為主，但許多已開發(fā)多年的老漁場越來越擁擠，資源日益枯竭。不少發(fā)展中國家由于人口多，資源少，漁業(yè)發(fā)展陷入魚越捕越少、越少越限制、越限制越窮的惡性循環(huán)中，因此不得不尋找新的漁場。盡管世界漁業(yè)的資源量在衰退，而漁獲量卻在增加，這主要得益于科學(xué)技術(shù)的推進(jìn)。另一方面，那些發(fā)達(dá)國家，即使本國近海的漁業(yè)資源仍較豐富，其資源量也能保證捕撈業(yè)較長時期持續(xù)利用，但為了保護(hù)了本國資源，也紛紛轉(zhuǎn)向了遠(yuǎn)洋漁業(yè)，利用它國資源和公海、大洋資源。

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

隨著捕撈作業(yè)精細(xì)化和遠(yuǎn)洋化發(fā)展，致使海洋資源一定程度的縮減，圍網(wǎng)作業(yè)對漁業(yè)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(yè)精細(xì)化、可靠性、環(huán)保節(jié)能等，自動化程度高，操作簡便。采用電力推進(jìn)的高科技漁業(yè)船舶開始有了市場，電力推進(jìn)方式越來越顯示出其優(yōu)越性，成為未來船舶動力裝置的發(fā)展方向。

1 系統(tǒng)組成

漁船綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)實現(xiàn)全船的供電、推進(jìn)及操控功能，根據(jù)功能劃分為2個分系統(tǒng)：供電系統(tǒng)、推進(jìn)控制系統(tǒng)。一般電力推進(jìn)系統(tǒng)的大致組成參見如下示意圖：

圖1 電力推進(jìn)系統(tǒng)的組成示意圖

1.1 供電系統(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)組一套、主配電板1套、功率管理系統(tǒng)（Power Management System PMS）1套。PMS是供電系統(tǒng)的控制核心，根據(jù)功率的需求對每臺柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行監(jiān)控并協(xié)調(diào)各柴油發(fā)電機(jī)組的工作，并可以對供電系統(tǒng)進(jìn)行故障報警和處理，確保船舶的安全性。PMS主要實現(xiàn)以下功能：

1.1.1 機(jī)組的自動啟動

供電系統(tǒng)在網(wǎng)機(jī)組功率總和達(dá)到90%（可在PMS系統(tǒng)的OP面板上設(shè)定，見軟件設(shè)計）額定功率總和，儲備功率不足，備用機(jī)組應(yīng)自動啟動。備用機(jī)組的優(yōu)先順序可人工設(shè)定。啟動成功達(dá)到投網(wǎng)電壓后自動投入的時間小于30 s。

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

1.1.2 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)組可自動同步，自動合閘。

自動并車主要技術(shù)指標(biāo)：合閘頻差可調(diào)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(hù)

漁船上使用金屬鹵化物燈作為誘魚燈，220 V供電，功率達(dá)320 kW。為了降低投資和節(jié)省艙室空間，本供電系統(tǒng)采用了三相四線制，誘魚燈直接從發(fā)電機(jī)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(dǎo)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(jìn)而可能影響機(jī)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(shè)計中，實時監(jiān)測三相電流、電壓，進(jìn)行三相不平衡報警，在三相不平衡時，適當(dāng)提高電站功率儲備，降低在線機(jī)組的負(fù)荷率，確保機(jī)組各相均不過載，確保電站供電連續(xù)性。

1.2 推進(jìn)控制系統(tǒng)

推進(jìn)系統(tǒng)為船舶航行提供推進(jìn)動力。推進(jìn)系統(tǒng)可完成船舶的進(jìn)出港、航行和捕魚作業(yè)等工況。推進(jìn)系統(tǒng)由推進(jìn)變壓器，推進(jìn)電機(jī)，推進(jìn)變頻器組成。為保證系統(tǒng)的安全可靠性，推進(jìn)系統(tǒng)的還具有如下限制：

1）力矩限制

力矩限制一般在轉(zhuǎn)速控制模式下進(jìn)行，即當(dāng)實際轉(zhuǎn)速np小于給定轉(zhuǎn)速時推進(jìn)電機(jī)力矩可以上升；一旦過載，立即進(jìn)行力矩限制。

2）功率限制

推進(jìn)電機(jī)運(yùn)行過程中，輸出功率必須小于最大功率，且在運(yùn)行過程中保證電網(wǎng)實際功率限制在電網(wǎng)可用功率的90%之內(nèi)。所以功率限制不僅在推進(jìn)電機(jī)實施功率過載情況下實施保護(hù)，而且保證電力推進(jìn)實驗系統(tǒng)的供電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定。

3）轉(zhuǎn)速限制

推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與螺旋槳匹配，一旦轉(zhuǎn)速超過電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，立即限制轉(zhuǎn)速。

電力推進(jìn)系統(tǒng)機(jī)械特性圖如下：

圖2 電力推進(jìn)系統(tǒng)機(jī)械特性圖

可以看出，電推系統(tǒng)特別適應(yīng)漁船拖網(wǎng)運(yùn)行工況下的低速大轉(zhuǎn)矩負(fù)荷要求。

2 設(shè)計過程中的計算

為滿足系統(tǒng)推進(jìn)功率要求，本船電力推進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備間的參數(shù)匹配非常關(guān)鍵。為此進(jìn)行了短路電流計算、諧波計算等對系統(tǒng)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(shè)施短路電流計算》依照CCS規(guī)范進(jìn)行計算，計算電力系統(tǒng)圖如下。

圖3 短路計算模型

表1 0.5 T計算結(jié)果匯總

2.2 諧波計算

表2 諧波計算結(jié)果

3 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)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(shè)計用WinCC Flexible軟件設(shè)計。IPC軟件采用Visual C++編制。

3.1 PMS監(jiān)控系統(tǒng)PLC軟件設(shè)計

PMS程序結(jié)構(gòu)如下：

圖4 PMS控制程序結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 控制系統(tǒng)的PLC軟件

PCS控制系統(tǒng)的PLC軟件設(shè)計按照如下的狀態(tài)圖跳轉(zhuǎn)作為控制方法編寫。

圖5 狀態(tài)圖跳轉(zhuǎn)

圖6 單線圖

3.3 觸摸屏人機(jī)界面軟件

本系統(tǒng)設(shè)計了人性化的觸摸屏人機(jī)界面，方便船員操作和實時掌握推進(jìn)系統(tǒng)及供電系統(tǒng)各設(shè)備信息，頁面包括單線圖，機(jī)組，電氣參，數(shù)參數(shù)設(shè)置，報警信息。

3.4 工控機(jī)軟件界面

工控機(jī)人機(jī)界面如下：

圖7 工控機(jī)人機(jī)界面

4 結(jié)束語

本燈光圍網(wǎng)漁船電力推進(jìn)系統(tǒng)是個高度自動化的系統(tǒng)，在電站管理方面集人工經(jīng)驗，電力系統(tǒng)自動化和檢測技術(shù)于一體，推進(jìn)變頻器的功率控制功能使得船舶在惡劣的海況及復(fù)雜作業(yè)條件下保護(hù)船舶動力裝置的安全，并保證船舶有穩(wěn)定可靠的電力來源。電推系統(tǒng)操縱靈活，正車倒車無縫切換，轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速響應(yīng)快，適應(yīng)動力定位需求，在較低航速工況下比較節(jié)能減排，且在全壽命周期運(yùn)營費(fèi)用低，這一系列優(yōu)點(diǎn)使得電力推進(jìn)系統(tǒng)成為越來越多包括漁船在內(nèi)的民用船舶較優(yōu)選擇。

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