黃溫赟，黃文超，黎建勛，趙新穎

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深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖平臺(tái)的電力推進(jìn)應(yīng)用研究

黃溫赟，黃文超，黎建勛，趙新穎

（中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海200092）

在海洋捕撈產(chǎn)量逐年減少的情況下，海洋品的供應(yīng)將主要依賴水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展。我國(guó)近岸海域水土資源有限且受水質(zhì)狀況的限制，深遠(yuǎn)海水域卻擁有著優(yōu)質(zhì)的水源、適宜的洋流性水溫等得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，是發(fā)展現(xiàn)代水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)和海洋經(jīng)濟(jì)的新空間，也是推進(jìn)國(guó)家海洋戰(zhàn)略的重要組成部分。深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖平臺(tái)是一種集深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖、魚苗培育、科考研究、漁獲物初加工，漁船補(bǔ)給等功能于一身的整體解決方案。根據(jù)養(yǎng)殖平臺(tái)的運(yùn)行要求，結(jié)合電力推進(jìn)系統(tǒng)的特點(diǎn)，創(chuàng)新性地將電力推進(jìn)應(yīng)用在這種大噸位、無(wú)動(dòng)力定位、需跨洋作業(yè)的工作母船上。首先分析了電力推進(jìn)在該養(yǎng)殖平臺(tái)上應(yīng)用的優(yōu)劣勢(shì)；并根據(jù)其實(shí)際運(yùn)行工況，對(duì)在其上的電力推進(jìn)系統(tǒng)配備設(shè)計(jì)方案；最后通過(guò)使用ETAP軟件分析驗(yàn)證該方案的潮流、短路電流以及諧波，確定方案的可行性。

深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖平臺(tái) 電力推進(jìn) ETAP

0 引言

人們對(duì)水產(chǎn)品的需求也在不斷提高，而我國(guó)陸上水產(chǎn)養(yǎng)殖的潛力已經(jīng)挖空，以及對(duì)海洋漁業(yè)資源養(yǎng)護(hù)的需求，海洋捕撈產(chǎn)品又逐年減少，海上養(yǎng)殖已經(jīng)成為人們獲取海洋水產(chǎn)品的主要方式。相比近海養(yǎng)殖，深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖憑借多樣的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)成為世界各國(guó)養(yǎng)殖發(fā)展重點(diǎn)，而安全可靠的養(yǎng)殖設(shè)施裝備成為了深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖發(fā)展的關(guān)鍵。通過(guò)深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖平臺(tái)這樣的載體，實(shí)現(xiàn)海上定居與生產(chǎn)，對(duì)我國(guó)海域資源的保護(hù)和開發(fā)，以及海域疆土的長(zhǎng)期守護(hù)，具有戰(zhàn)略意義[1]。

電力推進(jìn)系統(tǒng)在船舶行業(yè)的應(yīng)用越來(lái)越多，它不僅在海洋油氣平臺(tái)、海洋工作船等海工領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，而且在郵輪、客船等商船領(lǐng)域也顯示出越來(lái)越寬闊的應(yīng)用前景。本文是對(duì)電力推進(jìn)方式在深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖平臺(tái)的應(yīng)用進(jìn)行研究。

1 電力推進(jìn)系統(tǒng)的特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的機(jī)械直接推進(jìn)方式相比，電力推進(jìn)系統(tǒng)在深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖平臺(tái)的應(yīng)用主要有以下突出的特點(diǎn)：

1)機(jī)動(dòng)性能好、更適合復(fù)雜工況

電力推進(jìn)系統(tǒng)采用電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳，扭矩響應(yīng)速度快，螺旋槳由全速正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換到全速反轉(zhuǎn)的時(shí)間短。配置了全回轉(zhuǎn)槳及艏側(cè)推的船舶都可以在原地掉頭，機(jī)動(dòng)性能好。對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間漂浮于某海域作業(yè)的漁業(yè)養(yǎng)殖平臺(tái)來(lái)說(shuō)，動(dòng)力系統(tǒng)需要長(zhǎng)時(shí)間低負(fù)荷運(yùn)行以保證不被漂移出某海域；相比于常規(guī)機(jī)械推進(jìn)，電力推進(jìn)系統(tǒng)靈活的運(yùn)行方式更適合低負(fù)荷、復(fù)雜工況下運(yùn)行。

2)系統(tǒng)冗余、生命力更高

電力推進(jìn)系統(tǒng)使用多臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組，多套推進(jìn)器，變頻器的模塊化和推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的多繞組形式，個(gè)別機(jī)組的故障不會(huì)導(dǎo)致整船喪失動(dòng)力，仍可能降功率運(yùn)行，動(dòng)力系統(tǒng)有了冗余。對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間在不靠港的漁業(yè)養(yǎng)殖平臺(tái)來(lái)說(shuō)，增強(qiáng)了整船的生命力。

3)布局靈活、有效空間更多

與常規(guī)機(jī)械推進(jìn)相比，電力推進(jìn)船舶省卻了傳動(dòng)軸系、減速齒輪箱，系統(tǒng)設(shè)備更多，但單臺(tái)設(shè)備體積更小，可以在船上分散靈活布置，因此可以合理有效的利用空間。對(duì)于漁業(yè)養(yǎng)殖平臺(tái)來(lái)說(shuō)，可以增加漁艙艙容，提高經(jīng)濟(jì)效益。

4)振動(dòng)噪聲小、環(huán)境更舒適[2]

電力推進(jìn)系統(tǒng)的電站中柴油機(jī)等工作在恒速狀態(tài)下，振動(dòng)比變速推進(jìn)主機(jī)小，而且可以安裝在水線以上，可以通過(guò)分散、封閉布置，采用較好的隔振裝置，增加隔音罩等措施降低振動(dòng)噪聲。深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖平臺(tái)需要在變化多端的海況下給養(yǎng)殖創(chuàng)造一個(gè)安靜低振的環(huán)境，電力推進(jìn)船舶比常規(guī)機(jī)械推進(jìn)船舶的振動(dòng)噪音都有著良好的改善，更適合漁業(yè)養(yǎng)殖，同時(shí)住艙環(huán)境也得到改善。

5)減少排放物，更節(jié)能環(huán)保

深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖平臺(tái)運(yùn)行工況復(fù)雜，變速較為頻繁、推進(jìn)負(fù)荷變化區(qū)間大。電力推進(jìn)系統(tǒng)配置有多臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組用于發(fā)電，可根據(jù)用電負(fù)荷選擇投入運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組臺(tái)數(shù)，使運(yùn)行機(jī)組始終運(yùn)行于高效工作區(qū)，保持燃油消耗率和碳氧化物、氮氧化物的排放最低，實(shí)現(xiàn)最大的燃油經(jīng)濟(jì)性，提高續(xù)航力，降低運(yùn)行成本，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保[3]。

6)首次投資大，維護(hù)工作少

電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)備多，自動(dòng)化程度高，價(jià)格也高，整船的建造成本會(huì)被推高。但同時(shí)由于靜止部件多，維護(hù)工作量小：推進(jìn)柴油機(jī)組的維護(hù)工作量比常規(guī)機(jī)械推進(jìn)的柴油機(jī)少的多；推進(jìn)電機(jī)一般只需要對(duì)軸承進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)。大量電氣元件的使用需要更高要求的電氣設(shè)計(jì)，比如電力推進(jìn)系統(tǒng)需考慮整船電力系統(tǒng)的諧波；同時(shí)也對(duì)操作船員提出了新的要求。

2 推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)設(shè)計(jì)書的要求，深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖平臺(tái)設(shè)計(jì)為長(zhǎng)期在遠(yuǎn)離陸地、水溫水質(zhì)適宜的深海海域進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性魚類養(yǎng)殖，同時(shí)可為平臺(tái)周邊作業(yè)漁船進(jìn)行收鮮加工、物資補(bǔ)給等；平臺(tái)需在惡劣海況下安全生產(chǎn)，應(yīng)具有良好抗沉性的要求；平臺(tái)有游弋式航行要求、躲避惡劣海況的航速要求和機(jī)動(dòng)靈活的操縱性要求。本平臺(tái)總體設(shè)定載重噸約為十萬(wàn)噸，設(shè)計(jì)有兩種工況：一種是在定位于某特定的作業(yè)區(qū)域內(nèi)，調(diào)整平臺(tái)的位置及姿態(tài)，艏側(cè)推可能需要全負(fù)荷運(yùn)行，主推進(jìn)器功率則無(wú)需滿負(fù)荷運(yùn)行，平臺(tái)具備一定的抗風(fēng)浪能力，經(jīng)濟(jì)航速5 kn；另一種是作業(yè)區(qū)域轉(zhuǎn)移，和商船一樣，平臺(tái)由A地駛往B地，艏側(cè)推未投入使用，主推進(jìn)器全功率運(yùn)行，最大航速10 kn。

電力推進(jìn)電機(jī)有不同的類型，直流電動(dòng)機(jī)，交流同步電動(dòng)機(jī)和交流異步電動(dòng)機(jī)。變頻器也有電流型變頻器，電壓型變頻器等類型，其中電壓型變頻器應(yīng)用范圍比較廣，其有兩種整流前端，DFE和AFE。

DFE前端使用的功率器件是二極管。二極管單向?qū)щ姡遣豢煽仄骷?。變頻器中的整流器一般為三相全控整流，即6脈沖整流，會(huì)產(chǎn)生5、7、11、13等次諧波，諧波含量很大，造成輸入功率因數(shù)降低和電流諧波增高。在采用雙機(jī)雙槳的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中，常見的是配備2套12脈波移相變壓器來(lái)減少諧波；對(duì)于整船電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于配置了虛擬24脈沖變頻器[4]。

AFE整流前端使用的是可控型電力電子器件IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管)，利用PWM整流器實(shí)現(xiàn)AC／DC的電能變換。利用相應(yīng)的控制方式可以使輸入電壓和電流保持同相或反相，從而使前端整流器工作在逆變或者整流狀態(tài)。進(jìn)而可以消除諧波，提高功率因數(shù)，回饋能量，保持直流母線電壓恒定。

根據(jù)養(yǎng)殖平臺(tái)總體初步的型線及阻力，推進(jìn)系統(tǒng)估計(jì)需要提供6800 kW功率以達(dá)到10 kn航速?？紤]推進(jìn)器價(jià)格及冗余設(shè)計(jì)，主推進(jìn)器選擇兩個(gè)3500 kW的全回轉(zhuǎn)Z型推進(jìn)器，提供船舶航行主動(dòng)力；船首配置了兩個(gè)1250 kW的艏側(cè)推，以提供船舶側(cè)向推力。

為了減少整船電力系統(tǒng)諧波干擾和設(shè)備數(shù)量及尺寸，Z型推進(jìn)器采用AFE變頻器驅(qū)動(dòng)。推進(jìn)電機(jī)采用交流異步電動(dòng)機(jī)，選全淡水冷卻方式以縮小電動(dòng)機(jī)體積并增強(qiáng)冷卻效果；由于電站容量足夠，艏側(cè)推選用軟啟動(dòng)器啟動(dòng)，以節(jié)省成本。

3 電力一次系統(tǒng)圖

根據(jù)初步電力負(fù)荷計(jì)算書的估算，考慮同時(shí)使用系數(shù)，平臺(tái)系統(tǒng)負(fù)載總功率為2000 kW，加上推進(jìn)功率，整船電站總功率可達(dá)1 MW。為了經(jīng)濟(jì)性考慮，平臺(tái)推進(jìn)電壓選用中壓6.6 kV；考慮平臺(tái)需要給作業(yè)漁船補(bǔ)給，其余負(fù)載電壓選用380 V，同時(shí)也配備220 V輸出；頻率選擇和國(guó)內(nèi)漁船相同的50 Hz。

中性點(diǎn)接地系統(tǒng)為絕大多數(shù)中壓電力系統(tǒng)所采用，本平臺(tái)選用中性點(diǎn)高電阻接地方式，其原因是：中壓系統(tǒng)對(duì)地電容電流較大，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，不接地系統(tǒng)可能引發(fā)火災(zāi)。接地系統(tǒng)能自動(dòng)檢測(cè)出故障點(diǎn)，并可自動(dòng)切除故障；中壓電力設(shè)備的絕緣水平較低，當(dāng)運(yùn)行中產(chǎn)生的過(guò)電壓超過(guò)設(shè)備的耐受電壓標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，安全運(yùn)行性能將會(huì)受到破壞[5]。在電力推進(jìn)系統(tǒng)中，變頻器、推進(jìn)電機(jī)之間加裝接地電纜，實(shí)現(xiàn)可靠接地。

電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中未考慮動(dòng)力定位，但體現(xiàn)了冗余。系統(tǒng)采用4臺(tái)2500 kW發(fā)電機(jī)；包含一套6.6 kV主配電板，一套380 V主配電板，一套220 V主配電板，一套380 V應(yīng)急配電板，一套220 V應(yīng)急配電板，每套主配電板均為由兩段匯流排組成；6.6 kV主配電板中間聯(lián)絡(luò)開關(guān)設(shè)置為常閉，以均衡分配各發(fā)電機(jī)的功率，380 V和220 V主配電板中間聯(lián)絡(luò)開關(guān)設(shè)置為常開。6.6 kV轉(zhuǎn)380 V選用兩套額定為1500 kVA雙繞組變壓器，選用較大容量是為了防止一臺(tái)變壓器故障不會(huì)引起整個(gè)系統(tǒng)癱瘓，平臺(tái)依舊能保持正常運(yùn)行；380 V轉(zhuǎn)220 V變壓器容量同理配置。見圖1。

4 基于ETAP的電力系統(tǒng)分析

ETAP軟件是美國(guó)OTI公司研發(fā)的全圖形化的電力系統(tǒng)仿真分析、計(jì)算高級(jí)應(yīng)用軟件。ETAP計(jì)算軟件是包括電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和測(cè)試功能的綜合分析工具，可實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的潮流分析、短路分析、諧波分析等，以幫助設(shè)計(jì)人員對(duì)其設(shè)計(jì)的電力系統(tǒng)可行性進(jìn)行估算[6]。

表1 DFE和AFE整流前端比較

計(jì)算前需要在ETAP軟件中建立單線圖模型。建模分為兩步：一是建立單線圖，二是輸入數(shù)據(jù)。將添加的各電氣元件的端子連接起來(lái)即可建立起單線圖；然后對(duì)各個(gè)電氣元件的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，ETAP元件庫(kù)中集成了知名廠家電氣元件的數(shù)據(jù)模型，可根據(jù)需求直接選擇，如未選擇到所需數(shù)據(jù)也可手動(dòng)輸入各項(xiàng)參數(shù)。

4.1 潮流分析

ETAP潮流分析程序計(jì)算母線電壓、支路功率因數(shù)、電流、和整個(gè)電力系統(tǒng)的潮流。該程序中允許進(jìn)行調(diào)節(jié)平衡節(jié)點(diǎn)電壓，不調(diào)節(jié)多個(gè)電源與等效電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)的連接。程序還可以計(jì)算傳輸電纜電壓降。

ETAP默認(rèn)設(shè)置中包含臨界和邊界兩類警報(bào)，低于95%和高于105%將觸發(fā)臨界報(bào)警，相應(yīng)的電氣元件飄紅，低于98%和高于102%將觸發(fā)邊界警報(bào)，但顯示在報(bào)警視窗中。

作業(yè)工況下，主推進(jìn)器功率限定在其額定功率的60%。由上圖可獲知該電站在作業(yè)工況下發(fā)電機(jī)及電路上的有功功率，無(wú)功功率；各匯流排電壓值；各電纜壓降值等。系統(tǒng)無(wú)飄紅元件，滿足要求；MCC2匯流排由于位置距離380 V配電板遠(yuǎn)，電纜壓降大，電壓微低；220 V應(yīng)急配電板由于電力經(jīng)過(guò)多道的轉(zhuǎn)移，損失較大，電壓偏低。發(fā)電機(jī)有功功率計(jì)算值為2363 kW，使用率達(dá)94.5%，滿足電力推進(jìn)系統(tǒng)的要求。

圖1作業(yè)工況潮流計(jì)算

轉(zhuǎn)場(chǎng)工況下，艏側(cè)推未使用，尾推滿負(fù)荷運(yùn)行。由上圖可獲知該電站在作業(yè)工況下發(fā)電機(jī)及電路上的有功功率，無(wú)功功率；各匯流排電壓值；各電纜壓降值等。系統(tǒng)無(wú)飄紅元件，滿足要求；MCC2匯流排由于位置距離380 V配電板遠(yuǎn)，電纜壓降大，電壓微低；220 V應(yīng)急配電板由于電力經(jīng)過(guò)多道的轉(zhuǎn)移，損失較大，電壓偏低。發(fā)電機(jī)有功功率計(jì)算值為2317 kW，使用率達(dá)92.7%，滿足電力推進(jìn)系統(tǒng)的要求。

4.2 短路電流分析

ETAP 短路電流計(jì)算模塊提供了IEC、ANSI和GOST三種短路電流計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。本文選擇IEC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行短路電流計(jì)算。由于主推進(jìn)器采用AFE變頻控制方式，對(duì)主電網(wǎng)并不貢獻(xiàn)短路電流，所以作業(yè)工況下的短路電流比轉(zhuǎn)場(chǎng)工況下的短路電流要大。本文只計(jì)算作業(yè)工況下的短路電流，如圖4所示。各配電板開關(guān)選擇ETAP庫(kù)中ABB的中壓/低壓開關(guān)，計(jì)算結(jié)果顯示系統(tǒng)中最大的短路電流出現(xiàn)在380 V主配電板上（40.0 kA），低于之前選用的短路電流為65 kA的低壓斷路器；6.6 V主配電板短路電流計(jì)算值為9.5 kA，低于之前選擇的短路電流為25 kA的中壓斷路器，滿足要求。系統(tǒng)中380 V主配電板和應(yīng)急配電板負(fù)載開關(guān)飄紅，顯示為短時(shí)耐受電流超過(guò)負(fù)載開關(guān)的額定值，表明當(dāng)380 V主配電板短路時(shí)其上的負(fù)載開關(guān)均跳閘。

圖3作業(yè)工況下短路電流計(jì)算

圖4各主配電板諧波計(jì)算

4.3 諧波分析

ETAP諧波分析基于IEEE5l9標(biāo)準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)諧波分析、諧波共振和頻率掃描分析，對(duì)電壓電流總RMS值、電壓電流總合成峰值、諧波失真度進(jìn)行分析[7]。ETAP中諧波源有模擬電壓諧波源和電流諧波源，軟件元件庫(kù)已經(jīng)自帶知名廠家如Rockwell、ABB等各種諧波源類型及用戶可擴(kuò)展的諧波源庫(kù)，也可以自定義添加。

本系統(tǒng)由于選用了ABB的AFE作為主推進(jìn)器的控制方式，主推進(jìn)器變頻器造成的電網(wǎng)諧波畸變很??；發(fā)電機(jī)功率因素選擇0.8，超瞬態(tài)電抗選擇25%，計(jì)算后系統(tǒng)內(nèi)諧波畸變很小，2%以內(nèi)，可滿足各大船級(jí)社的諧波要求。

5 結(jié)論

通過(guò)以上分析可知，電力推進(jìn)在深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖平臺(tái)的應(yīng)用具有可行性，也有著一系列的優(yōu)勢(shì)；但電力系統(tǒng)設(shè)備繁多、系統(tǒng)復(fù)雜、初期投入大、船員要求高等原因有著一定的制約。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電力推進(jìn)在經(jīng)濟(jì)和實(shí)踐上有著更有利的條件。另外，永磁電機(jī)、超導(dǎo)技術(shù)、燃料電池、超級(jí)電容器等研究也已經(jīng)有了一定的進(jìn)展。這些技術(shù)一旦有所突破將使電力推進(jìn)形成對(duì)原動(dòng)機(jī)直接推進(jìn)的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。電力推進(jìn)的性價(jià)比越來(lái)越高，在未來(lái)資源的短缺，環(huán)保要求逐年提高的大環(huán)境下，將可能成為主流推進(jìn)方式。

[1] 徐皓, 諶志新, 蔡計(jì)強(qiáng), 等. 我國(guó)深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖工程裝備發(fā)展研究[J]. 漁業(yè)現(xiàn)代化, 2016, 43(3): 1-6.

[2] 張志強(qiáng), 馬繼坤, 鹿志祥, 等. 漁業(yè)科考船電力推進(jìn)系統(tǒng)概述與分析[J]. 船電技術(shù), 2015, 35(8): 70-75.

[3] 何章峰. 電力推進(jìn)系統(tǒng)在PSV的應(yīng)用和實(shí)踐[J]. 中國(guó)水運(yùn), 2015, 15(8): 141-143.

[4] 王平陽(yáng), 賴曉陽(yáng), 徐紅成. 電力推進(jìn)船舶電網(wǎng)諧波控制[J]. 船電技術(shù), 2015, 35(3): 48-51.

[5] 劉波, 陳明, 候錦福, 等. 船舶綜合電力推進(jìn)應(yīng)用探討[J]. 廣東造船, 2014, (6): 81-82.

[6] OTI公司.ETAP 12.6 用戶指南[Z]. 2014.

[7] 柯常國(guó), 吳春吉, 李莉紅. 基于ETAP的電力推進(jìn)系統(tǒng)仿真分析[J]. 船電技術(shù), 2016, 36(2): 71-77.

Application of Electric Propulsion System to Deep Sea Aquacultural Platform

Huang Wenyun, Huang Wenchao, Li Jianxun, Zhao Xinying

(Fishery Machinery and Instrument Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences, Shanghai 20092, China)

U662.3

A

1003-4862（2017）04-0015-05

2016-09-15

上海市科委項(xiàng)目“大型海上深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖平臺(tái)總體設(shè)計(jì)研究”（15DZ1202100）

黃溫赟（1985-），男，碩士，電氣設(shè)計(jì)員/工程師。研究方向：船舶電力推進(jìn)。