混合推進(jìn)漁船電站模擬試驗(yàn)系統(tǒng)

Power Station Simulation Test System of Hybrid Propulsion Fishing Vessel

楊帆1鄒義1李?yuàn)?陳琳1程武2

(1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七〇四研究所，上海，200031;

2.上海衡拓實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司，上海，200031)

FanYang1YiZou1ShanLi1LinChen1WuCheng2

(No.704ResearchInstitute,CSIC,Shanghai200031,China;

ShanghaiHunterIndustryDevelopmentCorp.,Ltd.)

[摘要]混合推進(jìn)漁船電站包括兩臺(tái)柴油發(fā)機(jī)組和一臺(tái)可逆軸帶電機(jī)，搭建了縮比試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)，進(jìn)行了四工況轉(zhuǎn)換試驗(yàn)，并驗(yàn)證了系統(tǒng)整體系能及控制策略。

Abstract[]Hybrid propulsion fishing vessel includes two diesel generator sets and one reversible shaft motor. Small scale test system is used in four working condition test, and it is verificated of system performance and control strategy.

關(guān)鍵詞：混合推進(jìn)漁船可逆軸帶電機(jī)動(dòng)力輸入輸出控制策略

文章編號(hào)：1006-8244(2015)03-043-05

中圖分類號(hào)：U463.212

基金項(xiàng)目*國(guó)家863高技術(shù)(2009AA045002)

作者簡(jiǎn)介：楊帆，中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七〇四研究所(200031)，工程師。

Key words: hybrid propulsion fishing vesselreversible shaftPTI/PTOcontrol strategy

1　概述

大型遠(yuǎn)洋拖網(wǎng)加工漁船需要長(zhǎng)期遠(yuǎn)離陸地連續(xù)作業(yè)，采用混合推進(jìn)的方式可以綜合利用能效。具體形式是：主柴油機(jī)(中速柴油機(jī))通過動(dòng)力輸入輸出(Power Take In/Power Take Off，PTI/PTO)可逆切換齒輪箱帶動(dòng)可調(diào)螺距螺旋槳，并且通過PTI/PTO可逆切換齒輪箱帶一臺(tái)大功率可逆軸帶電機(jī)。正常情況下采用主柴油機(jī)推進(jìn)；在主柴油機(jī)故障的情況下，可逆軸帶電機(jī)逆變?yōu)殡妱?dòng)機(jī)，此時(shí)輔助柴油機(jī)作為動(dòng)力源進(jìn)行電力推進(jìn)；在船舶捕魚作業(yè)時(shí)電站系統(tǒng)由可逆軸帶電機(jī)和輔助柴油發(fā)電機(jī)組向全船分區(qū)供電；當(dāng)全速航行時(shí)，可采用可逆軸帶電機(jī)逆變?yōu)殡妱?dòng)機(jī)，與主柴油機(jī)聯(lián)合推進(jìn)。采用這種混合動(dòng)力控制方式，可以充分發(fā)揮PTO模式下綜合利用主機(jī)剩余功率、減少原動(dòng)機(jī)設(shè)備成本、節(jié)省空間、降低機(jī)艙噪音的優(yōu)勢(shì)；同時(shí)也可在PTI模式的電力推進(jìn)和聯(lián)合推進(jìn)等不同工況下的綜合發(fā)揮能效。[1]

由于是國(guó)內(nèi)首次結(jié)合863課題進(jìn)行混合推進(jìn)船舶電站系統(tǒng)的設(shè)備國(guó)產(chǎn)化研制及實(shí)船應(yīng)用，為滿足遠(yuǎn)洋漁船電站的設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證設(shè)備性能及控制策略，我們搭建了一套混合推進(jìn)漁船電站模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，采用小比例樣機(jī)的形式進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證；小比例試驗(yàn)驗(yàn)證后，針對(duì)試驗(yàn)中遇到的問題進(jìn)行設(shè)備改進(jìn)，進(jìn)而研制工程樣機(jī)裝船應(yīng)用。

2　系統(tǒng)概況

2.1電站模擬試驗(yàn)系統(tǒng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

漁船電站模擬試驗(yàn)系統(tǒng)由2臺(tái)30 kW的柴油發(fā)電機(jī)組DG1、DG2和1臺(tái)60 kW的可逆軸帶機(jī)組SG組成，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2混合推進(jìn)模式

系統(tǒng)可以工作在PTI/PTO模式下，主要包括以下四種推進(jìn)模式：

a) 軸帶電機(jī)單獨(dú)推進(jìn)模式

當(dāng)船舶低速航行或推進(jìn)主機(jī)發(fā)生故障時(shí)，采用軸帶電機(jī)單獨(dú)推進(jìn)模式。軸帶電機(jī)處于“電動(dòng)”狀態(tài)，受推進(jìn)控制系統(tǒng)控制，電站控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)移控制權(quán)限。

b) 主機(jī)推進(jìn)帶軸帶電機(jī)發(fā)電模式

當(dāng)船舶巡航時(shí)，如航速較低，軸帶電機(jī)可充分利用推進(jìn)主機(jī)的功率儲(chǔ)備裕量向全船供電，使推進(jìn)主機(jī)高效率低能耗運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。軸帶電機(jī)處于“發(fā)電狀態(tài)”，受電站控制系統(tǒng)控制。

圖1　漁船電站模擬試驗(yàn)系統(tǒng)單線圖

c) 主機(jī)單獨(dú)推進(jìn)模式

當(dāng)船舶巡航時(shí)，若航速較高，多采用主機(jī)單獨(dú)推進(jìn)模式。軸帶電機(jī)與主機(jī)離合器脫開，處于“待機(jī)”狀態(tài)，不受任何控制系統(tǒng)控制。

d) 聯(lián)合推進(jìn)模式

當(dāng)船舶需要最高航速航行時(shí)，軸帶電機(jī)與主機(jī)并聯(lián)，共同作為船舶主動(dòng)力。軸帶電機(jī)處于“電動(dòng)”狀態(tài)，受推進(jìn)控制系統(tǒng)控制，電站控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)移控制權(quán)限。

3　設(shè)備組成

根據(jù)混合推進(jìn)漁船電站的實(shí)際配置，混合推進(jìn)漁船電站模擬試驗(yàn)系統(tǒng)由小比例電動(dòng)發(fā)電機(jī)組及其控制系統(tǒng)、主配電板、電站監(jiān)控系統(tǒng)、負(fù)載系統(tǒng)等設(shè)備組成，各部分功能分述如下：

3.1電動(dòng)發(fā)電機(jī)組及其控制系統(tǒng)

如圖 2所示，漁船電站1#、2#發(fā)電機(jī)組為常規(guī)柴油發(fā)電機(jī)組，模擬試驗(yàn)系統(tǒng)采用電動(dòng)發(fā)電機(jī)組模擬柴油發(fā)電機(jī)組的方式，可降低試驗(yàn)成本，并減少?gòu)U氣排放。具體方式為電網(wǎng)接1#、2#變頻器，1#、2#變頻器輸出至電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)帶同軸發(fā)電機(jī)發(fā)電。通過機(jī)組控制器模擬柴油機(jī)特性曲線，從而完成變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制，進(jìn)而影響發(fā)電機(jī)的輸出波形。如圖 3所示，3#發(fā)電機(jī)為可逆軸帶電機(jī)，在可逆軸帶電機(jī)變頻器、控制器的控制下，可工作在發(fā)電或電動(dòng)狀態(tài)下。

圖2　采用電動(dòng)發(fā)電機(jī)組模擬常規(guī)柴油發(fā)電機(jī)組

圖3　軸帶電機(jī)和模擬負(fù)載電機(jī)

3.2主配電板

試驗(yàn)系統(tǒng)主配電板采用常規(guī)400 V、50 Hz交流配電板，包括1屏母聯(lián)屏、1屏輔助發(fā)電機(jī)屏、1屏軸發(fā)及負(fù)載屏。

圖4　可逆軸帶電機(jī)變頻器

圖5　主配電板

圖6　電站監(jiān)控系統(tǒng)

3.3電站監(jiān)控系統(tǒng)

電站監(jiān)控系統(tǒng)由控制主站、控制從站1、控制從站2、控制從站3、人機(jī)界面、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)組成，控制主站包括主站控制器和電量變送裝置，控制從站i(i=1，2，3)包括從站控制器、同步裝置和電量變送裝置。

電站監(jiān)控系統(tǒng)主要采用以下網(wǎng)絡(luò)形式，具體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖4、圖5、圖6。

a) 以太網(wǎng)通訊

控制主站、控制從站1、2、3之間通過以太網(wǎng)交換機(jī)形成以太網(wǎng)通訊，通訊協(xié)議采用MODBUS TCP。

b) RS485通訊

控制主站分別與電量變送裝置4、電量變送裝置5采用RS485通訊，控制從站1、2、3分別與電量變送裝置1、2、3采用RS485通訊，通訊協(xié)議MODBUS 485。

圖7　電站監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖8　控制主站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖9　控制從站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3.4負(fù)載系統(tǒng)

系統(tǒng)采用與軸帶電機(jī)同軸的電機(jī)提供反向扭矩，從而模擬螺旋槳負(fù)載；采用阻抗負(fù)載模擬電站常規(guī)負(fù)載。

圖10　通訊網(wǎng)絡(luò)

4　控制功能與控制策略

電站監(jiān)控系統(tǒng)具有“手動(dòng)”、“半自動(dòng)”和“自動(dòng)”三種控制方式，可以通過方式轉(zhuǎn)換開關(guān)相互切換：“手動(dòng)”優(yōu)先于“半自動(dòng)”，“半自動(dòng)”優(yōu)先于“自動(dòng)”。

在手動(dòng)控制方式下，電站監(jiān)控系統(tǒng)具有對(duì)電網(wǎng)與各發(fā)電機(jī)組的參數(shù)顯示與監(jiān)測(cè)報(bào)警功能，電站監(jiān)控系統(tǒng)不對(duì)電網(wǎng)及各發(fā)電機(jī)組發(fā)送動(dòng)作指令，對(duì)電網(wǎng)或發(fā)電機(jī)組的操作需操作人員利用配電板或機(jī)旁控制箱的操作按鈕進(jìn)行手動(dòng)操作。

在半自動(dòng)控制方式下，操作人員在操作面板上對(duì)設(shè)備發(fā)布操作指令，由電站監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行該功能。主要包括調(diào)頻調(diào)載、半自動(dòng)機(jī)組啟動(dòng)、停機(jī)、半自動(dòng)斷路器合閘(同步)、分?jǐn)?解列)等功能。

在自動(dòng)控制方式下，電站監(jiān)控系統(tǒng)可以自動(dòng)完成對(duì)系統(tǒng)的控制。主要包括優(yōu)先級(jí)切換、失電自啟動(dòng)、功率增機(jī)、功率減機(jī)、故障換機(jī)、重載控制、分級(jí)卸載等功能。

駕控臺(tái)用于發(fā)出整個(gè)漁船的控制指令，通過四種混合推進(jìn)模式下的切換，并將控制指令及軸帶電機(jī)的電動(dòng)/發(fā)電狀態(tài)傳遞給電站監(jiān)控系統(tǒng)：當(dāng)軸帶電機(jī)為發(fā)電機(jī)時(shí)，由電站監(jiān)控系統(tǒng)控制；當(dāng)軸帶電機(jī)為電動(dòng)機(jī)時(shí)，由推進(jìn)控制系統(tǒng)控制。過渡過程由原控制系統(tǒng)控制軸帶電機(jī)降功率直至0 kW，然后將控制權(quán)限交還。

5　電站監(jiān)控系統(tǒng)與推進(jìn)控制系統(tǒng)的交互

考慮到系統(tǒng)的安全性，電站監(jiān)控系統(tǒng)需要計(jì)算電站的有功功率裕量，并將該數(shù)值通過4~20 mA電流信號(hào)實(shí)時(shí)傳遞給推進(jìn)控制系統(tǒng)。在并車推進(jìn)模式下，推進(jìn)控制系統(tǒng)根據(jù)電站的有功功率裕量可加大/減小推進(jìn)功率的輸出，如果發(fā)電機(jī)組應(yīng)急停機(jī)或斷路器突然跳閘，此時(shí)有功功率裕量可能為0，甚至是負(fù)值。雖然其他在網(wǎng)的發(fā)電機(jī)組具有一定的過載能力，但此時(shí)屬于不安全運(yùn)行狀態(tài)，隨時(shí)有可能因?yàn)檫^載保護(hù)或過流保護(hù)停機(jī)或跳閘。為防止剩余在網(wǎng)發(fā)電機(jī)組過載保護(hù)停機(jī)導(dǎo)致全船失電，推進(jìn)控制系統(tǒng)應(yīng)迅速限制變頻器的輸出，降低推進(jìn)功率，保證系統(tǒng)有充足的功率裕量。同時(shí)，供電系統(tǒng)應(yīng)啟用備用機(jī)組并網(wǎng)，為系統(tǒng)提供充足的功率裕量。

有功功率裕量的計(jì)算方法如下：

a) 可逆軸帶電機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)

P總=P1+P2

P總N=P1N+P2N

P裕=P總N+P總

b) 可逆軸帶電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)

P總=P1+P2+P3

P總N=P1N+P2N+P3N

P裕=P總N-P總

P總：并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組總實(shí)際有功功率；

P總N：并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組總額定有功功率；

P裕：有功功率裕量；

Pi：第i臺(tái)機(jī)組實(shí)際有功功率；

P1N：第i臺(tái)機(jī)組額定有功功率。

6　總結(jié)

針對(duì)國(guó)家863高技術(shù)基金課題 “大型遠(yuǎn)洋拖網(wǎng)加工船綜合推進(jìn)及自動(dòng)電站集成系統(tǒng)”項(xiàng)目(2009AA045002)電站系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)難題，項(xiàng)目組在柴油機(jī)功率、電網(wǎng)負(fù)載結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，搭建了可以滿足電站系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證需求的漁船電站模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，從系統(tǒng)角度、設(shè)備角度以及控制需求、控制策略等方面對(duì)該電站進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)驗(yàn)證，改進(jìn)了原有設(shè)計(jì)不合理之處，從而為研制的工程樣機(jī)后續(xù)在實(shí)船上的應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]祁亮.多機(jī)并車聯(lián)合動(dòng)力裝置綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2012.亮.多機(jī)并車聯(lián)合動(dòng)力裝置綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2012.