劉文達，郝衛(wèi)明

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6000HP深水平臺供應(yīng)船電力推進系統(tǒng)概述

劉文達，郝衛(wèi)明

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064;）

本文介紹了6000HP深水平臺供應(yīng)船電站，功率管理系統(tǒng)及電力推進系統(tǒng)組成及功能，并探討了系統(tǒng)的諧波及電磁兼容性問題,并給出了為避免電磁兼容問題在實際施工中的有效方法，電力推進作為一種新型的船舶推進方式，在未來海洋工程中的應(yīng)用中越來越成為一種趨勢。

PMS 電力推進 諧波 電磁兼容

0 引言

平臺供應(yīng)船，簡稱PSV(Platform Supply Vessel),是指專為石油平臺服務(wù)設(shè)計的具有供應(yīng)，拖拽，拋起錨，救助與守護，對外消防滅火等功能的船舶。本型船適用于南海所有海域和其他較深遠海域及一般海域的海洋石油勘探和開發(fā)，能為其運送生產(chǎn)物料（如鉆桿、套管、設(shè)備、固完井材料、散料、泥漿、燃油、基礎(chǔ)油、鉆井水、淡水、鹽水等）及生活物資、提供救助、守護、對外消防等服務(wù)。

本6000 HP深水平臺供應(yīng)船采用電力推進系統(tǒng)，并為本船負載進行配電與保護，滿足本船航行與進出港需求，并實現(xiàn)對電力推進系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備及其它重要設(shè)備的監(jiān)測報警功能。

1 系統(tǒng)介紹

本船設(shè)置主發(fā)電機4臺，在航行和作業(yè)時為全船供電。如圖1所示，主發(fā)電機額定功率為1100 kW，額定輸出電壓為AC690 V。4臺發(fā)電機可任意臺數(shù)長期并聯(lián)運行，最大可為本船提供4400 kW電能。主發(fā)電機的設(shè)計和制造能夠滿足四臺發(fā)電機長期并聯(lián)運行，同時能夠與停泊/應(yīng)急發(fā)電機組進行半自動/手動短時并聯(lián)運行轉(zhuǎn)移負載。主發(fā)電機的設(shè)計滿足電力推進和DP2動力定位的相關(guān)要求，滿足船舶電力推進系統(tǒng)對電站動態(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。

功率管理系統(tǒng)（PMS）保證電站在各種工況下長期穩(wěn)定并聯(lián)運行，滿足各種保護及其自動化要求。

本船采用電力推進技術(shù)，設(shè)有2套1600kW的全回轉(zhuǎn)舵槳推進器，每套推進器由1臺主推進電動機驅(qū)動，主推進電動機再由一個獨立的主推進變頻器供電和控制，每個主推進變頻器通過1臺主推進移相變壓器連接到船舶電網(wǎng)。主推進電動機2臺、主推進變頻器2臺、主推進移相變壓器2臺構(gòu)成了本船的2條主推進支路。

2 功率管理系統(tǒng)概述

本船在航行和作業(yè)時通過功率管理系統(tǒng)（簡稱PMS）控制和調(diào)節(jié)柴油發(fā)電機組實現(xiàn)電網(wǎng)管理，為全船供電。PMS的監(jiān)控對象為主發(fā)電機組及停泊/應(yīng)急發(fā)電機組及主配電板內(nèi)的主斷路器和母聯(lián)開關(guān)。PMS根據(jù)功率的需求對每臺主發(fā)電機及推進控制系統(tǒng)進行監(jiān)控并協(xié)調(diào)各發(fā)電機的工作，可以對供電系統(tǒng)進行故障報警和處理，為推進系統(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，盡可能保證對負載的連續(xù)供電，避免電站斷電，確保船舶的安全性。

PMS由2 組完全冗余設(shè)計PLC 組成，，PLC控制器采用SIEMENS的兩套S7-400H熱冗余控制器，S7-400H配置有2個同步模塊，通過光纖進行實時同步通訊，兩套S7-400H獨立運行并互為備用。在一組出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)能自動轉(zhuǎn)換到另一組自動運行，控制器的切換時間小于100 毫秒。PLC通過Y-link連接DEIF公司的PPU。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖如圖2。

PMS能管理4 臺主發(fā)電機組，并且能管理停泊/應(yīng)急發(fā)電機組，在DP 操作時，按下DP 模式，電站能在PMS 管理下母排自動分段、負荷自動分區(qū)，滿足DP 操作要求。

母聯(lián)開關(guān)配置有保護功能的同步模塊,為母聯(lián)開關(guān)提供保護、同步合閘、分閘控制等。在DP 操作時，按下DP模式，電站能在PMS管理下母排自動分段、負荷自動分區(qū)，滿足DP操作要求。

電力變壓器副端開關(guān)配置有保護功能的同步模塊,為變壓器副端開關(guān)提供保護、同步合閘、分閘控制等。待并機組，以停泊/應(yīng)急發(fā)電機屏為基準自動/手動并車操作，并車后做不間斷負載轉(zhuǎn)移。

本船工作在特殊工況（比如某臺柴油機工作在消防泵模式）時，PMS將執(zhí)行特殊的控制策略，適時調(diào)整發(fā)電機輸出功率，確保柴油機不會過載。

PMS配置單獨的UPS，容量滿足系統(tǒng)電源需求和CCS規(guī)范的要求。

3 推進系統(tǒng)概述

電力推進系統(tǒng)由推進變壓器，推進變頻器，推進電機組成。

3.1 主推進移相變壓器

主推進移相變壓器為三繞組整流變壓器，容量為1900 kVA。兩臺整流變壓器原邊有15°相角差，當兩條推進支路同時工作時，對于交流電網(wǎng)相當于虛擬24 脈動整流，可有效降低電網(wǎng)的諧波。為避免在變壓器投入時出現(xiàn)大沖擊電流，推變壓器設(shè)有預(yù)充磁裝置。

3.2 主推進變頻器

變頻器是主推進系統(tǒng)的控制核心，對推進電機進行轉(zhuǎn)速控制，使系統(tǒng)根據(jù)指令，連續(xù)調(diào)節(jié)推進電機的速度，驅(qū)動螺旋槳，使船舶平穩(wěn)航行。

推進變頻器具有過電壓、過電流、低電壓、過負載，超溫、自檢、屏蔽接地、絕緣監(jiān)測等保護。

變頻器內(nèi)部冷卻系統(tǒng)實時監(jiān)測冷卻水的溫度，一旦超出設(shè)定值，則會輸出報警信號；冷卻系統(tǒng)故障，變頻控制系統(tǒng)將停止工作。

變頻器配備了發(fā)電機功率限制控制器，保證電網(wǎng)不會過載。當一臺或者數(shù)臺機組出現(xiàn)故障而跳閘時，變頻器能夠瞬時將輸出功率降至與可用機組功率相匹配，在保證剩余機組不會出現(xiàn)過負荷跳閘情況下，最大限度地利用機組可用功率。

僅在一臺主發(fā)電機運行的情況下，便可起動主推進裝置而不致造成電網(wǎng)過載。

變頻器配備了預(yù)充磁控制系統(tǒng)，減小變壓器投入時的沖擊電流。配備了預(yù)充電電路，減小變頻器投入時的沖擊電流。

3.3 主推進電動機

推進電動機采用船用變頻調(diào)速交流異步電動機，由變頻器供電。推進電動機符合全回轉(zhuǎn)舵槳扭矩和轉(zhuǎn)速特性曲線，配合全回轉(zhuǎn)定距槳作為主推進動力并滿足推進系統(tǒng)對機械裝置和電氣設(shè)備的特殊要求。各相繞組和軸承上都設(shè)置了溫度傳感器，可以連接到電力推進監(jiān)測報警系統(tǒng)。

推進負荷的加載性能與柴油機的動態(tài)響應(yīng)時間和加載能力相匹配，該匹配性通過設(shè)置控制系統(tǒng)中標準軟件參數(shù)來實現(xiàn)。

4 系統(tǒng)的諧波及電磁兼容性問題

4.1 諧波計算

諧波問題是本項目重點考慮的問題之一，在正常航行工況下，低壓側(cè)不帶任何諧波濾波器的情況下，整個電網(wǎng)的總電壓諧波失真(THD)在任何工況下不超過5%，任何單次諧波不超過3%。采用電力推進技術(shù)的船舶在實際運行過程中，電網(wǎng)的諧波畸變程度及其治理方式取決于多方面因素，主要包括：

系統(tǒng)組成設(shè)備：主要包括發(fā)電機（Xd”）、變壓器（Z%）、移相變壓器的對稱性和移相精度、非線性負荷的參數(shù)特性（如變頻器的諧波頻譜等）；

系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：主要取決于采用多脈整流技術(shù)還是有源前端技術(shù)；

系統(tǒng)的運行方式：主要包括在網(wǎng)機組容量（kVA）、非線性負荷占總負荷比例、非線性負荷占電網(wǎng)容量的比例等；

其它因素：主要包括電網(wǎng)電壓的不平衡度、電網(wǎng)電壓的畸變度。

本項目采用虛擬24脈整流技術(shù)，在很大程度上達到了降低系統(tǒng)諧波的效果，系統(tǒng)正常運行時電網(wǎng)僅有24k±1次諧波，再加上對發(fā)電機和變壓器參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計，諧波計算結(jié)果表明，在不同工況下系統(tǒng)的諧波含量均能滿足CCS規(guī)范關(guān)于諧波含量的要求。

用MATLAB7.0進行諧波估算結(jié)果如下：

航行工況計算結(jié)果

圖3 航行工況690V電網(wǎng)諧波

進出港工況計算結(jié)果

圖4 進出港工況690V電網(wǎng)諧波

單側(cè)航行工況計算結(jié)果

圖5 單側(cè)航行工況690V電網(wǎng)諧波

本項目中的諧波源主要集中于電力推進負載。結(jié)果表明：在當前的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、設(shè)備參數(shù)配置以及運行工況下，電網(wǎng)的諧波能夠滿足船級社規(guī)范的要求。

4.2 電磁兼容問題及其解決措施

綜合全電力推進系統(tǒng)相對于直接推進系統(tǒng)來說，由于采用了大功率電力電子設(shè)備，電力推進系統(tǒng)中的電磁兼容性問題成為一個非常敏感的共性問題。

一般來說，電力推進船舶推進功率占船舶綜合電站總?cè)萘康?0%～80%，故由推進變頻器產(chǎn)生的諧波直接影響船舶電網(wǎng)的品質(zhì)、綜合電站的設(shè)計容量、整個系統(tǒng)的效率、系統(tǒng)和設(shè)備的電磁兼容性等，而且本船綜合性能要求高，電子設(shè)備相對較多，其電磁兼容性問題受到極大的關(guān)注和重視。

在設(shè)備安裝和電纜敷設(shè)過程中，應(yīng)重點注意采取適當?shù)碾姶偶嫒荽胧?，以使得各設(shè)備均能正?？煽康毓ぷ?。

對本系統(tǒng)主要從設(shè)備安裝及電纜鋪設(shè)入手。包括：

a)將主要的大功率干擾源設(shè)備如發(fā)電機、變壓器、變頻器和電動機等與船舶敏感設(shè)備在空間上分開布置；

b)對電力推進系統(tǒng)各設(shè)備的輔助電源采取必要的隔離和濾波措施，并避免與敏感電子設(shè)備采用同一電源；

c)各設(shè)備均采用機殼就近單點接地，并確保接地的可靠。所有接地點的接地線應(yīng)盡可能地短以使得接地阻抗最小。

d)功率電纜應(yīng)采用鎧裝屏蔽電纜，不同電壓等級的功率電纜分開敷設(shè)，如690V電纜、400V電纜和220V電纜分開敷設(shè)。

功率電纜和信號控制電纜應(yīng)分層隔離敷設(shè)，功率電纜應(yīng)遠離信號控制電纜。當控制電纜和電源電纜必須交叉走線時，應(yīng)使交叉角度為90度。

電纜槽之間以及電纜槽和地之間必須有良好的電氣連接。

功率電纜鎧裝層和屏蔽層在電纜兩端的接地必須良好。與變頻器無關(guān)的電纜不要經(jīng)過變頻器，以免受到變頻器輸出的干擾。

e)由于變頻器與推進電機之間的電纜傳輸?shù)氖歉哳l脈沖電壓波，因此應(yīng)重點注意其電纜敷設(shè)。電機電纜應(yīng)選用帶鎧裝和屏蔽層的多芯對稱電纜，且應(yīng)保證兩端實現(xiàn)360度接地。同時，電機電纜的未屏蔽部分應(yīng)盡可能短。電機電纜不應(yīng)采用單芯電纜。電機電纜應(yīng)獨立于其它電纜走線。電機電纜、輸入電源電纜和控制電纜應(yīng)安裝在不同的電纜槽中，以避免電機電纜和其它電纜長距離的并行走線，進而減少變頻器輸出電壓瞬變產(chǎn)生的電磁干擾。電動機電纜敷設(shè)時還應(yīng)注意電纜長度問題。電纜長度過長會導致電動機端產(chǎn)生尖峰過電壓，形成強烈的電磁干擾。

f)控制電纜應(yīng)盡量避免與功率電纜平行布線，以防止控制信號受到干擾。如果無法避免這種情況，則必須使控制電纜和主電纜之間保持足夠的距離。所有的模擬信號和低壓數(shù)字信號用控制電纜必須采用屏蔽型電纜。對于模擬信號，應(yīng)采用雙絞-雙屏蔽線，且對于每個信號采用單獨的屏蔽絞線，不同的模擬信號不能使用同一根公共返回線。低壓數(shù)字信號線最好使用雙屏蔽電纜線，也可以使用單屏蔽的多對雙絞線。電壓較高的開關(guān)量以及其他繼電器信號用雙絞線連接，并單獨走電纜管或電纜槽。模擬信號和數(shù)字信號應(yīng)使用分開的屏蔽電纜。

總結(jié)

電力推進技術(shù)在工程船舶的廣泛應(yīng)用，已經(jīng)非常成熟，為更多船舶設(shè)計師采納應(yīng)用。電力推進系統(tǒng)具有特點包括燃油更經(jīng)濟性，操作更便利，保養(yǎng)維修更方便快捷，噪音等級小從而提高船員舒適度，隨著人類不斷走向深海，對海洋平臺供應(yīng)船提出更多的功能要求，而電力推進系統(tǒng)的上述特點，使其更能滿足未來海洋平臺供應(yīng)船的應(yīng)用需求，更環(huán)保，經(jīng)濟的電推船，日益受到各船東的青睞，有非常廣闊的發(fā)展前景。

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Review of Electric Propulsion System of a 6000 HP Deepwater Platform Supply Vessel

Liu Wenda, Hao Weiming

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

TM922

A

1003-4862（2016）011-0027-04

2016-05-15

劉文達(1984-)，男，碩士。研究方向：電力推進系統(tǒng)。