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        溢油回收船電力推進系統(tǒng)功率限制功能設計

        2017-10-13 05:17:54李進科
        船電技術 2017年6期
        關鍵詞:溢油流程圖輸出功率

        黃 磊,李進科,邵 赟

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        溢油回收船電力推進系統(tǒng)功率限制功能設計

        黃 磊,李進科,邵 赟

        (武漢武船船舶設計有限公司,武漢 430060)

        變頻器功率限制功能是保證電力推進系統(tǒng)安全運行不可或缺的一環(huán),本文針對萬噸級溢油回收船電力推進系統(tǒng),設計了一種新的功率限制算法及相應硬件接口,最后通過實船驗證,表明該功能設計滿足萬噸級溢油回收船電力推進系統(tǒng)安全性要求。

        電力推進 變頻器 功率限制

        0 引言

        溢油回收船是溢油回收的專用船舶,是溢油污染事故有效控制和快速處置的重要工具。據(jù)報道,目前國內最大的溢油回收船是2015年武船為上海打撈局建造交付的大型溢油回收旗艦船“德澋號”,該船排水量4000噸。隨著我國石油需求的大幅增長,密集的海上石油運輸使得船舶溢油事故的風險日益增加,船舶溢油應急處理能力嚴重不足,水上溢油應急力量亟待加強,對萬噸級溢油回收船的需求已迫在眉睫。

        隨著溢油回收船噸位不斷增加,電站容量也不斷增大,對萬噸級溢油回收船電力推進系統(tǒng)的安全性也提出了更高的要求。當前電力推進船舶推進系統(tǒng)廣泛采用變頻驅動,其功率限制功能是保證電力推進系統(tǒng)安全運行不可或缺的一環(huán),因此有必要對其進行詳細研究設計[1,2]。

        1 系統(tǒng)組成

        圖1為本船系統(tǒng)單線圖,如圖所示,共設4臺690 V/2600 kW主發(fā)電機組,2套3000 kW主推進器,2套1300 kW側推進器,主側推進系統(tǒng)均采用變頻驅動控制系統(tǒng),電動機采用變頻器驅動,變頻器通過移相變壓器接入船舶電網(wǎng),構成虛擬24脈沖整流,可以有效減少系統(tǒng)諧波。另外系統(tǒng)配置1臺690 V/400 kW停泊發(fā)電機組及1臺400 V/150 kW應急發(fā)電機組。

        主配電板(MSB)內配置有功率管理系統(tǒng)(PMS),用于控制和管理本船的電網(wǎng)。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還可監(jiān)測停泊發(fā)電機的狀態(tài)和報警。

        圖1 電力推進系統(tǒng)單線圖

        2 功率限制功能概述

        電力推進船舶的主要負荷為推進功率消耗,其一般可以占到全船機組容量的70%以上,對于如此巨大的負荷,推進系統(tǒng)變頻器具備功率限制功能是必要的,這樣可以實現(xiàn)對機組的過載保護[3]。

        變頻器功率限制功能包括動態(tài)功率限制和快速功率限制。動態(tài)功率限制是指當機組可用功率不足(負荷率過高)時,推進系統(tǒng)能夠動態(tài)限制推進功率,防止機組過載停機等嚴重故障產(chǎn)生??焖俟β氏拗剖侵府斣诰W(wǎng)機組處于高負荷,某臺機組突然故障停機或主開關突然分閘等外部嚴重故障時,推進系統(tǒng)能夠快速限制推進功率,防止剩余在網(wǎng)機組過載停機,避免全船失電的發(fā)生。

        3 功率限制功能設計

        3.1 硬件接口設計

        為了實現(xiàn)功率限制功能,變頻器需要知道外部電力推進系統(tǒng)相關狀態(tài),硬件接口如圖2所示。

        變頻器功率限制功能實現(xiàn)的主體為變頻器和功率管理系統(tǒng)(PMS),其接口主要包括功率管理系統(tǒng)發(fā)送給變頻器的各機組負荷率(4~20 mA模擬量)和在網(wǎng)狀態(tài)(開關量),另外還有變頻器發(fā)送給操控系統(tǒng)的功率限制狀態(tài)(開關量)。

        變頻器控制單元通過采集所有機組負荷率及在網(wǎng)狀態(tài),根據(jù)變頻器功率單元當前的功率輸出值計算出功率限幅值發(fā)送到變頻器功率單元,實時調整變頻器輸出功率,同時發(fā)送功率限制狀態(tài)到推進操控系統(tǒng),以實現(xiàn)進一步的系統(tǒng)保護。

        圖2 變頻器功率限制功能接口

        3.2 軟件程序設計

        3.2.1 動態(tài)功率限制

        動態(tài)功率限制是指當船舶電力推進系統(tǒng)正常運行時,變頻器實時監(jiān)測機組負荷率,當監(jiān)測到某臺機組負荷率過高(例如95%)時,即時限制變頻器輸出功率,保證機組安全運行,具體流程圖如圖3所示。

        圖3 動態(tài)功率限制軟件流程圖

        如上圖所示(前提為所有機組之間有功分配良好,平衡度滿足船規(guī)要求),變頻器不間斷采集所有在網(wǎng)機組負荷率并進行判斷,當機組最大負荷率達到95%時,開始進行動態(tài)功率限制流程,逐漸降低變頻器輸出功率,同時機組最大負荷率也會隨之降低。直到機組最大負荷率下降到85%,變頻器功率限制釋放,然后繼續(xù)循環(huán)上述流程。

        功率限制值采用斜坡函數(shù)處理,所有功率限制生效的環(huán)節(jié),功率限制值垂直下降,所有功率限制釋放的環(huán)節(jié),功率限制值按固定斜率上升。

        3.2.2 快速功率限制

        快速功率限制主要用于當外部系統(tǒng)導致的嚴重故障,例如某機組故障停機、母聯(lián)開關分斷等,變頻器可以快速降低變頻器輸出功率,以保證剩余在網(wǎng)機組安全運行,防止全船失電等更嚴重事故發(fā)生,具體流程圖如圖4所示。

        圖4 快速功率限制軟件流程圖

        如上圖所示,變頻器不間斷采集所有機組在網(wǎng)狀態(tài)及在網(wǎng)機組負荷率并進行判斷,當負荷率大于50%的機組數(shù)量發(fā)生跳變時,根據(jù)嚴重程度分為三級快速降負荷,即在當前變頻器輸出功率的基礎上按不同系數(shù)進行快速功率限制。一級快速降負荷系數(shù)最小,三級快速降負荷系數(shù)最大,在兼顧機組安全的前提下,最大限度減少因快速降負荷而導致的推進功率跌落,具體系數(shù)需要按實際情況進行整定[4]。

        功率限制值采用斜坡函數(shù)發(fā)生器處理,快速功率限制生效的環(huán)節(jié),功率限制值垂直下降??焖俟β氏拗粕Ш笱訒r5 s轉動態(tài)功率限制程序。

        3.2.3 功率限制狀態(tài)判斷

        功率限制狀態(tài)判斷的主要依據(jù)是比較變頻器實際輸出功率和功率限制值,當變頻器實際輸出功率大于或等于功率限制值時,認為處于功率限制狀態(tài),置該位(硬線或通訊)為1,同時操控面板上“功率限制”狀態(tài)燈亮起。具體流程圖如圖5所示。

        4 理論分析及實船驗證

        圖5 功率限制狀態(tài)判斷軟件流程圖

        圖6 功率限制期間變頻器輸出功率曲線

        圖6所示為理論上功率限制時變頻器輸出功率隨時間變化的曲線。如圖所示,0~15 s時變頻器恒定功率輸出,第15 s時,機組主開關發(fā)生跳閘,變頻器進行快速降負荷,降低到某一較低水平。5 s后,轉為動態(tài)功率限制,變頻器輸出功率按一定斜率上升,同時機組最大負荷率同步上升,當機組最大負荷率達到95%時,變頻器按一定周期逐步減小輸出功率,直到機組最大負荷率降低到85%,然后變頻器輸出功率按一定斜率上升。

        上圖所示僅為本功率限制功能的過程分析,其動態(tài)功率限制對機組的負荷影響還是較大,存在不穩(wěn)定因素。動態(tài)功率限制過程依賴于變頻器控制單元本身的計算性能,其計算性能越強,循環(huán)周期越快,動態(tài)功率限制過程可以越精細,可以實現(xiàn)5%以內的機組負荷率波動(忽略其他船用負荷影響),大大減小對機組的負荷影響[5]。

        5 總結

        通過對變頻器功率限制功能軟硬件詳細設計分析及實際驗證,表明變頻器功率限制功能成功實現(xiàn),效果良好,為萬噸級溢油回收船的安全可靠運行提供了保證。

        [1] 王兆安, 黃俊. 電力電子技術(第四版). 北京: 機械工業(yè)出版社, 2000.

        [2] 鄧星鐘主編. 機電傳動控制(第三版). 武漢: 華中科技大學出版社, 2001.

        [3] 海定廣, 孫興旺編. 電氣拖動基礎(第二版). 北京:機械工業(yè)出版社, 1998.

        [4] 陳伯時主編. 電力拖動自動控制系統(tǒng)(第二版). 北京: 機械工業(yè)出版社, 1992.

        [5] 李華德, 楊永立. 異步電動機矢量控制系統(tǒng). 變頻器世界, 2007.

        Design of Power Limit Function of Electric Propulsion System for Oil-spill Recovery Ship

        Huang Lei, Li JinKe, Shao Yun

        (Wuhan Shipbuilding Design Co., Ltd., Wuhan 430060, China)

        U664.91

        A

        1003-4862(2017)06-0016-04

        2017-03-13

        黃磊(1974-),男,研究員級高級工程師。研究方向:電磁測量技術及儀表。E-mail: 591346513@qq.com

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