高志光

（上海南車漢格船舶工程有限公司，上海 200433）

電力推進系統(tǒng)功率限制控制策略在實船項目中的應(yīng)用

高志光

（上海南車漢格船舶工程有限公司，上海 200433）

采用電力推進的船舶中，推進系統(tǒng)是作為主要負載直接連接在船舶電網(wǎng)上，推進負荷的突變和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的突變可能引起柴發(fā)機組過載、電網(wǎng)震蕩甚至全船失電，此時船舶會面臨失控的危險，甚至?xí)A覆，因此推進控制系統(tǒng)必須要與船舶電站進行協(xié)調(diào)控制，確保船舶電站的穩(wěn)定和安全。本文針對以上存在的問題通過案例來引入功率限制的控制策略，并分析其實現(xiàn)過程和可行性，最后通過一些試驗證明此方案確實可行。

功率限制；電力推進；變頻器；船舶電站

0 概述

采用電力推進方式的船舶中，推進系統(tǒng)是整個船舶電站系統(tǒng)中主要的負荷。在惡劣海況下航行時，當船舶電站所有負荷同時滿功率運行，由于外部環(huán)境的不確定性及負載的異常出現(xiàn)，可能會造成在網(wǎng)發(fā)電機組的瞬時超負荷運行，這種狀態(tài)的反復(fù)出現(xiàn)可能會引起整個船舶電站的振蕩甚至崩潰。系統(tǒng)正常滿負荷運行過程中可能會出現(xiàn)某 1臺或幾臺發(fā)電機組的自身故障所引起突然的非正常脫扣或停機而導(dǎo)致船舶電站瞬時運行在超負荷狀態(tài)，這種狀態(tài)也同樣會引起整個船舶電站系統(tǒng)的崩潰[1]。為了確保船舶電站的穩(wěn)定和安全，避免出現(xiàn)在惡劣海況下造成船舶傾覆等重大海難，推進控制系統(tǒng)必須要與船舶電站之間進行協(xié)調(diào)控制，其主要控制策略就是引入推進功率限制功能。該控制策略通過基于可用功率的推進系統(tǒng)功率限制技術(shù)[2]，配合發(fā)電機組異常跳閘等異常事件監(jiān)測為基礎(chǔ)，進行快速功率限制設(shè)計，確保船舶電站供電連續(xù)性，避免船舶動力喪失?；诳捎霉β实墓β氏拗萍夹g(shù)以下簡稱“動態(tài)功率限制”，而基于發(fā)電機組異常跳閘等事件的快速降負荷設(shè)計以下簡稱“快速功率限制”。

1 項目背景

本文以一艘40t浮吊救援工作船（簡稱浮吊船）項目為例對“功率限制”技術(shù)進行闡述，該電力推進系統(tǒng)由上海南車漢格船舶工程有限公司集成并提供。本船是由國家安全總局出資，委托重慶長航東風(fēng)船舶工業(yè)有限公司設(shè)計并制造的一艘具備自航能力的起重救援工作船，內(nèi)河航行，吊機起吊能力40t，主要用于三峽庫區(qū)的救援。本船總長59.8m、型寬18.0m、型深3.2m、設(shè)計吃水1.6m，采用的雙機雙槳電力推進形式，由變頻器來驅(qū)動異步電機進行變頻調(diào)速驅(qū)動減速齒輪箱，經(jīng)由減速齒輪箱改變螺旋槳的轉(zhuǎn)向。電力推進系統(tǒng)中變壓器、變頻器、變頻電機、遠程電力推進PLC控制柜及遠程操作站的設(shè)計制造符合中國船級社（CCS）的最新規(guī)范要求。

1.1 電力推進系統(tǒng)單線圖

電力推進系統(tǒng)單線圖，如圖1所示。

本船配置2臺600kW主發(fā)電機組和1臺30kW的停泊發(fā)電機組。船上的主要負載有2臺500kW電力推進；1臺300kW變頻驅(qū)動的40t吊機；錨絞機、泵、風(fēng)機、照明、助航設(shè)備和其它小負載共計150KW。

圖1 40t浮吊船電力推進系統(tǒng)單線圖

1.2 工況

本船工況如表1所示。

表1 40t浮吊船工況說明

由表1可知，在停泊工況和船舶拋錨起重工況，推進系統(tǒng)停止工作，無需進行船舶電站功率限制；航行工況下吊機不會工作，2臺發(fā)電機組總功率為1200kW，總負載為1000kW+150kW，正常情況不會存在過載情況，但是當 1臺發(fā)電機組出現(xiàn)異常跳閘時，有可能引起船舶電站過載甚至重載，此時需要推進系統(tǒng)進行“快速功率限制”，即快速限制輸入功率，減少對船舶電站能量的需求，以確保船舶電站安全和穩(wěn)定；當單臺發(fā)電機組向全船負荷供電時，電力推進系統(tǒng)輸入功率限定值設(shè)置為某一固定值，當實際輸出功率值超過此固定值時將被限制輸出，將避免輸出功率過大引起電站超載。而在吊機工作且需要穩(wěn)船狀態(tài)下，母排處于并聯(lián)運行，“快速功率限制”和“動態(tài)功率限制”隨時可能由于船舶航行環(huán)境及負荷的變化而發(fā)生，需要通過一定的控制策略進行限制性保護。

2 功率限制控制策略

圖2是本船功率限制控制等相關(guān)設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。電力推進控制系統(tǒng)作為功率限制控制中心，接受來自配電板功率管理系統(tǒng)（簡稱PMS）的可用功率信號和快速限制信號，通過綜合計算，輸出功率限制值給變電力推進控制系統(tǒng)執(zhí)行功率限制策略。

圖2 推進功率限制拓撲結(jié)構(gòu)示意圖

動態(tài)功率限制原理是，在電力推進系統(tǒng)所需輸出功率發(fā)生變化或其它船用輔助設(shè)備負荷發(fā)生變化時，PMS實時監(jiān)測船舶電站可用功率，若可用功率為零，則需對推進輸出功率進行限制，推進功率將限制在一定固定值保證可用功率大于零，單船舶電站可用功率超過一下限值后，取消推進功率限制。

電力推進控制系統(tǒng)控制程序流程圖如圖3所示。當收到PMS過來的快速限制信號時，則系統(tǒng)優(yōu)先采取“快速功率限制”方法，如快速限制信號消失或沒有接收到快速限制信號則采取“動態(tài)功率限制”方法。

3 試驗波形

3.1 動態(tài)功率限制

根據(jù)圖3所示程序流程圖，將PMS檢測到的實時可用功率（-600kW～+1200kW）與通過傳感器檢測到的電機實際輸出功率作為電機可輸出的最大功率，即電機功率限制值。例如某一時刻，可用功率為-100kW，電機實際功率為300kW，則電機輸出最大功率應(yīng)該限制為200kW，使得船舶電站可用功率增加100kW，不再為負值。很明顯，當系統(tǒng)處于動態(tài)功率限制狀態(tài)，推進功率將不隨司控器操作指令的增加而增加，直到可用功率變?yōu)檎登夜β氏拗乒δ芡顺鲞\行。

考慮到推進功率時刻隨船舶航行的環(huán)境（風(fēng)、浪、流等）變化而變化，且船舶電站供電的其他船舶輔助設(shè)備負載也可能頻繁變化[3]，致使可用功率信號頻繁在調(diào)整和波動，如果動態(tài)功率限制直接依據(jù)此信號調(diào)節(jié)，勢必導(dǎo)致推進功率的波動，而推進功率波動反過來又使可用功率波動，可能引起船舶電站震蕩。對于此現(xiàn)象，在實際應(yīng)用中采取了對限制功率值進行濾波[4]，使得動態(tài)功率限制調(diào)節(jié)的頻度降低，保證系統(tǒng)穩(wěn)定性。如圖4所示為限制功率值濾波前后對照，其中黃色線代表濾波后曲線，相比綠線代表的濾波前曲線震蕩減少，明顯平滑。

圖3 電力推進系統(tǒng)功率限制控制流程圖

圖4 限制功率值濾波前后對照

3.2 快速功率限制

在船舶發(fā)電機組并網(wǎng)運行過程中，如果某一套發(fā)電機組斷路器由于異?；蚬收习l(fā)生跳閘現(xiàn)象，就會引起剩余并網(wǎng)發(fā)電機組瞬時出現(xiàn)超負荷現(xiàn)象，這就要求必須快速減少船舶電站電力系統(tǒng)載荷，電站管理系統(tǒng)為避免剩余發(fā)電機組跳閘而引起整個發(fā)電站組解列，發(fā)生不可預(yù)期的后果。由于要求電力系統(tǒng)保護響應(yīng)的快速性，前面所述的動態(tài)功率限制難以在非常短的時間內(nèi)降低電力推進系統(tǒng)的輸出功率，以緩解整個船舶電站的負荷壓力，不夠快速原因有兩個：其一，正如提及動態(tài)功率限制功能中增加了濾波模塊，它的應(yīng)用導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)延遲；其二，電力推進控制接受可用功率信號存在延時，約500ms-600ms，這么大的延時足以使發(fā)電機組由于超于其過載能力而出現(xiàn)宕機。因此在這種情況下必須采用更為有效的功率限制方式，即快速功率限制策略。

根據(jù)圖5所示，快速功率限制作用過程為：當某一套發(fā)電機組斷路器發(fā)生跳閘現(xiàn)象時，PMS通過硬連接線將一個對應(yīng)的快速限制信號傳輸給電力推進控制系統(tǒng)，此時電力推進控制系統(tǒng)將直接對變頻器給出輸出功率180kW（147500ms時刻）的限制值，延遲10s后（157500ms時刻），限制值將以1000kW/min的速度上升至250kW（從157500ms時刻至161500ms時刻約4s），保持穩(wěn)定，直到快速限制信號消失。

從圖5中還可得出一些有益的數(shù)據(jù)：

1）變頻器在功率管理和控制方面具有高度的靈活性，能夠在50ms到100ms內(nèi)增加或減少功率消耗，例如電壓源型逆變器的動態(tài)響應(yīng)時間小于50ms，而可控硅整流器（SCR）、周波變頻器和電流源逆變器的動態(tài)響應(yīng)時間約100ms左右。從圖6左圖中可看出變頻器功率從450kW降到180kW時間大概為20ms。

2）變頻器接受到的可用功率滯后于實際值500ms～600ms。從圖6右圖中可看出可用功率變化滯后于實際功率變化500ms左右，而實際的可用功率應(yīng)該和實際功率同步。

圖5 快速功率限制時可用功率、實際功率和功率限制值波形

圖6 快速功率限制局部放大圖

3.3 試驗結(jié)論

通過以上一些試驗數(shù)據(jù)和試驗結(jié)果，關(guān)鍵有以下幾點需要說明：1）限制值的設(shè)定和選擇，快速限制初始值分別設(shè)定在180kW和250kW，根據(jù)對不同設(shè)定值的試驗結(jié)果來看，過大容易使系統(tǒng)不穩(wěn)定，過小達不到快速功率限制的目的，影響船舶航行安全；最終通過試驗和實際航行的數(shù)據(jù)分析，快速限制最終值設(shè)定在 250kW，考慮極端情況下，船舶電站會在一臺發(fā)電機組運行情況下持續(xù)為全船提供電力，此時電站總功率為600kW，兩臺推進電機共可輸出500kW推進功率，保證船舶低速航行并就近安全靠港，預(yù)留100kW電力供其它輔助設(shè)備使用，從實際應(yīng)用上較為合理；2）延遲10s的設(shè)定，主要考慮防止過快恢復(fù)造成電網(wǎng)的振蕩，其時間多少根據(jù)發(fā)電機組特性可在實際調(diào)試過程中酌情調(diào)整。3）限制值上升速率 1000kW/min，從180kW上升至250kW約4s時間，同樣考慮減少對船舶電站的沖擊或防止振動。

4 總結(jié)

電力推進系統(tǒng)在船舶電站中作為主要負荷，它的快速性和響應(yīng)直接影響著船舶的安全，特別是功率限制功能的應(yīng)用更是關(guān)鍵，本文通過實際項目的實施和大量的航行試驗，充分驗證了所實施的方法和控制策略的有效性和可靠性，在確保船舶電站能夠穩(wěn)定運行以及船舶的可靠航行方面提供了非常重要的保障，在同類型應(yīng)用中達到了國內(nèi)先進水平，得到了客戶的充分認可和很高的評價，有望在國內(nèi)電力推進系統(tǒng)項目中得到推廣和應(yīng)用。

[1]方萌,史濤,吳斐文.電力推進系統(tǒng)技術(shù)分析與評價方法.船舶,2002(6):52-54.

[2]高海波,高孝洪,陳輝.船舶電力推進幾種典型方式的比較 航海技術(shù)2006(6):54-57.

[3]沈愛弟,褚建新,康偉.內(nèi)河船舶電力推進系統(tǒng)設(shè)計.上海海事大學(xué)學(xué)報,2009(6):20-24.

[4]李京煒.淺談船舶電站自動化系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn).科技創(chuàng)新與應(yīng)用2012(8):95.

Application of Power Limitation Control Strategy in Electric Propulsion System On Real Ship

GAO Zhi-guang
(Shanghai CSR Hange Shipping Engineering Co.Ltd,Shanghai 200433,China)

The electric propulsion system is directly connected with the ship power station as the main load.Discontinuous propulsion load and the abnormal power station can lead to generator set overload,grid turbulence and even the whole ship power-loss.Now the ship will face the risk of out of control,even capsized,so the propulsion control system must be coordinated control with ship power station,ensure security and stability of ship power station.In this paper,power limit control strategy is introduced to solve the above mentioned problem,and its implementation procedure and feasibility are analyzed.Finally,this scheme is proved to be feasible by some experiments.

power limitation; electric propulsion; variable-frequency drive; ship power station

U664

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.04.005

高志光（1977-），男，碩士研究生，研究方向：電力傳動系統(tǒng)在船舶推進系統(tǒng)及甲板機械中應(yīng)用。