燈光圍網(wǎng)漁船電力推進系統(tǒng)

郝春學(xué)，姜鈺梁

燈光圍網(wǎng)漁船電力推進系統(tǒng)

郝春學(xué)，姜鈺梁

(武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064)

本文介紹了漁船綜合電力推進系統(tǒng)的概況，分別介紹了各個系統(tǒng)，包括供電系統(tǒng)、推進系統(tǒng)、功率管理系統(tǒng)、推進操控系統(tǒng)，漁船采用電力推進系統(tǒng)是未來發(fā)展方向。

PMS 電力推進 操控系統(tǒng)

0 引言

近年來，大型燈光圍網(wǎng)漁船的問世，給漁業(yè)帶來新的發(fā)展，伴隨圍網(wǎng)漁船的增多和海洋資源的縮減，對噪音和振動性能、高可靠性及環(huán)保節(jié)能船舶的要求也增加。漁船領(lǐng)域發(fā)展電力推進從效益角度和長遠利益來看，勢在必行。

1 電力推進系統(tǒng)概況

漁船綜合電力推進系統(tǒng)(單線圖見圖1)實現(xiàn)全船的供電、推進及操控功能，根據(jù)功能劃分為3個分系統(tǒng)：供電系統(tǒng)、推進系統(tǒng)、操控系統(tǒng)。

供電系統(tǒng)主要為全船提供電源，并提供必要的保護。供電系統(tǒng)的額定電壓為400 V、額定頻率為50 Hz，其組成主要包括：400 kW機組4套、50 kW機組1套、主配電板1套、功率管理系統(tǒng)（PMS）1套[1]。

推進系統(tǒng)為船舶航行提供推進動力，可完成船舶的圍網(wǎng)作業(yè)、進出港、航行等工況。推進系統(tǒng)的組成主要包括：2臺推進變壓器、2套6脈水冷型推變頻器、1臺雙繞組推進電動機和1套減速齒輪箱。

操控系統(tǒng)主要實現(xiàn)推進操控功能、電力推進系統(tǒng)監(jiān)測報警功能，由駕控臺控制組件、推進控制單元、采集箱組成。

2 供電系統(tǒng)

供電系統(tǒng)主要為全船提供穩(wěn)定、持續(xù)、高品質(zhì)電源，通過配電板將全船的電能統(tǒng)一分配并啟動各種現(xiàn)場保護功能。

航行或圍網(wǎng)作業(yè)工況下，全船由主發(fā)電機組供電，4臺主發(fā)電機組并聯(lián)運行最大可為全船提供1600 kW電源，供推進、輔機、作業(yè)設(shè)備和日用負載使用，其中主發(fā)電機為3相4線制接法，可直接取相電壓為220 V誘魚燈供電，誘魚燈控制系統(tǒng)應(yīng)保證各相負載平衡；錨泊工況下，全船由50 kW停泊發(fā)電機組供電，供輔機、作業(yè)設(shè)備和日用負載使用；?？看a頭時，可接入岸電為船上用電設(shè)備供電。

主柴油發(fā)電機組為全船電源，本船設(shè)置4臺400 kW的柴油發(fā)電機組，機組的額定轉(zhuǎn)速為1500 rpm，額定電壓為400 V，額定頻率為50 Hz。主柴油發(fā)電機組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。主發(fā)電機中性點引出，組成3相4線制系統(tǒng)。

主配電板是連接發(fā)電機組和用電負荷的中間環(huán)節(jié)，根據(jù)全船用電設(shè)備的實時要求來合理分配電功率，為各發(fā)電機和用電設(shè)備提供保護功能，如過載、短路、欠壓、逆功等保護功能，并監(jiān)測400 V電網(wǎng)和230 V電網(wǎng)的絕緣電阻。主配電板可以手動操作并車、負荷分配和負荷轉(zhuǎn)移。當(dāng)停泊發(fā)電機供電時，只對部分負載供電。

圖1 電力推進系統(tǒng)單線圖

3 推進系統(tǒng)

推進系統(tǒng)為船舶航行提供推進動力。推進系統(tǒng)可完成船舶的圍網(wǎng)作業(yè)、進出港、航行等工況。推進系統(tǒng)中推進電機軸功率為1×1000 kW，轉(zhuǎn)速為1000 r/min。推進電機通過減速齒輪箱驅(qū)動螺旋槳。主推進電機為雙繞組電機，每套繞組通過變頻器單獨控制，變頻器通過兩臺推進變壓器連接至400 V電網(wǎng)。推進電機通過變頻器實現(xiàn)變頻調(diào)速，可在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)平滑調(diào)速并長期運行。

推進變壓器為干式變壓器，單臺容量為700 kVA。兩臺變壓器接法分別為Dd0和Dy11，當(dāng)兩臺推進變壓器同時工作時，對于400 V交流電網(wǎng)相當(dāng)于虛擬12 脈動整流，可大大降低電網(wǎng)的諧波。為了避免在變壓器投入時出現(xiàn)大沖擊電流，主推變壓器設(shè)有預(yù)充磁裝置。

推進變頻器是變頻驅(qū)動系統(tǒng)的控制核心，對不同工況下的推進負載變化進行最佳的動態(tài)控制和保護，從而保證推進系統(tǒng)的最佳性能和安全運行。推進變頻器將對推進電機進行轉(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。推進變頻器的控制方式采用優(yōu)化的脈寬調(diào)制方式。2套推進變頻器是相互獨立的，可分別控制推進電機的兩套繞組。推進變頻器采用水冷型推進變頻器，可減小推進變頻器的體積、噪聲和發(fā)熱量。變頻器具備以下功能：

1）保護功能

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

2）功率控制功能

為了讓發(fā)電機的負載保持穩(wěn)定，對推進負載進行功率控制、速度控制或轉(zhuǎn)矩控制。在功率控制模式下，推進電機的速度和轉(zhuǎn)矩能在最大限定值范圍內(nèi)變化，控制系統(tǒng)將根據(jù)控制手柄給出的功率設(shè)定值，連續(xù)調(diào)節(jié)電機的速度和轉(zhuǎn)矩，保持功率的穩(wěn)定。

3）功率限制功能

推進變頻器具備了發(fā)電機功率限制功能。如檢測到電網(wǎng)輸出功率達到某一限值（50%～100%，可設(shè)定），控制器將限制推進裝置的吸收功率，保證電網(wǎng)不會過載。同時，功率管理系統(tǒng)將起動備用發(fā)電機。當(dāng)1臺或者數(shù)臺機組出現(xiàn)故障而跳閘時，推進變頻器能夠快速降負荷，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。功率限制功能可保證僅1臺主發(fā)電機在網(wǎng)運行的情況下，也可起動推進裝置而不致造成電網(wǎng)過載。

4）預(yù)充磁控制功能

推進變頻器配備了預(yù)充磁控制功能。推進變壓器接通前，其控制預(yù)充磁變壓器向推進變壓器提供預(yù)充磁，使推進變壓器繞組建立反電勢，減小變壓器投入時的沖擊電流。

5）預(yù)充電功能

推進變頻器配備了預(yù)充電功能，在推進變頻器投入前給直流電容充電建立電壓。

6）緊急停車功能

緊急停止功能是獨立于控制系統(tǒng)的，在任何時候推進變頻器柜門上、駕控臺和其他操作部位上的緊急停止按鈕都同時有效。

推進電動機選用鼠籠異步水冷電動機，采用雙繞組設(shè)計，由變頻器驅(qū)動，能夠?qū)崿F(xiàn)變頻調(diào)速，在轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，在轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)均能長期運行，滿足推進系統(tǒng)對機械裝置和電氣設(shè)備的特殊要求。推進電動機各相繞組和軸承上都設(shè)置了溫度傳感器，可以連接到推進操控系統(tǒng)。

4 功率管理系統(tǒng)

功率管理系統(tǒng)對全船的功率實施統(tǒng)一優(yōu)化管理，主要設(shè)備包括PMS主控制器、機組數(shù)據(jù)采集控制子站ET200M、發(fā)電機保護并車單元PPU及PMS人機界面等，通過現(xiàn)場總線PROFIBUS連接，組成功率管理系統(tǒng)（如圖2所示）。功率管理系統(tǒng)能根據(jù)負載的實時功率需求和電網(wǎng)的運行狀況對每臺柴油發(fā)電機組進行監(jiān)控并協(xié)調(diào)各臺柴油發(fā)電機組的工作，動態(tài)調(diào)整對機組的控制指令，對供電分系統(tǒng)進行故障報警和處理，為電力推進系統(tǒng)及其他用電設(shè)備提供可靠、穩(wěn)定及優(yōu)化配置的電力能源[2]。

1) 機組的自動啟動

供電系統(tǒng)在網(wǎng)機組功率總和達到90%（可設(shè)定）額定功率總和，儲備功率不足，備用機組應(yīng)自動啟動。備用機組的優(yōu)先順序可人工設(shè)定。啟動成功達到投網(wǎng)電壓后自動投入的時間小于30 s。機組啟動指令的發(fā)出不超過三次，具有三次啟動失敗報警功能。當(dāng)PMS收到一套機組啟動失敗信息后，則能自動將啟動指令轉(zhuǎn)至下一套備用機組，并發(fā)出報警信號。機組發(fā)生超速或滑油失壓等嚴重故障時，使故障機組緊急停機，并啟動備用機組投入。能對每套機組的自動啟動予以閉鎖，以便能安全地進行維修。

圖2 PMS網(wǎng)絡(luò)連接圖

2) 機組投入和并聯(lián)運行

母線無電時，待用機組在達到一定電壓和頻率后立即投入。母線有電時，待并機組可自動同步，自動合閘。有預(yù)防措施，以避免兩個或兩個以上發(fā)電機組開關(guān)同時合閘。自動并聯(lián)后，具有有功功率自動分配功能。在機組正常工作時，保證任意發(fā)電機組長期并聯(lián)運行，當(dāng)總負荷率在20%～100%和功率因數(shù)在0.6～0.9(滯后)范圍變化時，保證有功功率分配差度不大于5％，無功功率分配差度不大于10％。機組投入運行后，頻率調(diào)節(jié)精度為50±0.5 Hz。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)短路故障而造成在網(wǎng)發(fā)電機主開關(guān)脫扣時，在人工應(yīng)答復(fù)位前防止各發(fā)電機組開關(guān)重新合閘。

3) 機組的解列和停機

若指定機組解列后其實時功率小于60%（可設(shè)定）的可用功率時，則指定機組自動解列、停機。在解列過程中，除嚴重故障之外，均能平滑地自動轉(zhuǎn)移負荷。當(dāng)解列發(fā)電機組經(jīng)負荷轉(zhuǎn)移后，負荷率低于10%（可調(diào)），電流不超過30%In（可調(diào)）時發(fā)出分閘指令。被解列的發(fā)電機組在分斷發(fā)電機主開關(guān)并空載運行3 min后，按設(shè)定程序發(fā)出停機指令。

4) 發(fā)電機組起、停序列設(shè)定功能

通過母聯(lián)屏OP可設(shè)定供電系統(tǒng)各發(fā)電機組的自動起、停的優(yōu)先級并可在人機界面上修改。

5) 重載詢問功能

在啟動大容量的用電設(shè)備之前，用電設(shè)備應(yīng)先向功率管理系統(tǒng)發(fā)出啟動請求，功率管理系統(tǒng)根據(jù)機組在網(wǎng)情況，判斷是否能滿足它們的用電和起動要求，若能夠滿足時，則發(fā)出啟動允許信號，允許啟動；若不能滿足時，則應(yīng)在一臺備用發(fā)電機組啟動、并網(wǎng)且在網(wǎng)機組功率貯備足夠時，才發(fā)出啟動允許，允許它們投入電網(wǎng)用電。

6) 分級自動卸載功能

當(dāng)電網(wǎng)在線負載的總用電量超過供電發(fā)電機的額定輸出能力，并持續(xù)一定的時間之后，應(yīng)能自動將在線負載中的次要負載以四級的方式從電網(wǎng)分斷，以確保對重要負載的連續(xù)供電。

7) 人機界面監(jiān)測功能

對電力系統(tǒng)重要參數(shù)的實時監(jiān)控是實現(xiàn)PMS功能的前提保障（見圖3所示）。PMS可以根據(jù)電網(wǎng)的運行狀況、每套發(fā)電機組的運行情況，動態(tài)調(diào)整對機組的控制指令[3]。主要有以下功能：

彩色人機界面的動態(tài)顯示：在母聯(lián)屏人機界面上動態(tài)實時監(jiān)測柴油發(fā)電機組的運行狀態(tài)、母線的運行狀態(tài)、電能分配狀況等，同時可以在線修改PMS設(shè)置參數(shù)；

報警功能：對柴油發(fā)電機組進行動態(tài)實時故障報警監(jiān)測，并對故障進行相應(yīng)的處理；

圖形顯示：以動態(tài)圖形顯示電站系統(tǒng)，當(dāng)情況異常時，予以變色或閃動；

報警窗口：當(dāng)有報警時，彈出當(dāng)前的報警信息小窗口。

圖3 功率管理系統(tǒng)主界面

5 推進操控系統(tǒng)

推進操控系統(tǒng)具備兩部分主要功能（見圖4所示），推進操控功能及監(jiān)測報警功能。能夠同時控制每條推進支路，依靠優(yōu)化的人機操縱界面和完備的控制及保護策略，操縱人員能夠安全、可靠、便捷地實現(xiàn)對船舶推進系統(tǒng)的各種操作。能夠監(jiān)測推進系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備的運行狀態(tài)，確保推進系統(tǒng)的安全運行，并且將設(shè)備運行信息顯示給操作人員[4]。

推進操控系統(tǒng)能夠監(jiān)測推進系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備（包括主配電板、推進變壓器、推進變頻器、推進電機）的運行狀態(tài)，對冷卻風(fēng)機等輔助設(shè)備進行相應(yīng)的控制，同時結(jié)合推進控制功能，對系統(tǒng)設(shè)備進行相應(yīng)的保護。

圖4 推進操控系統(tǒng)圖

6 結(jié)論

漁船多數(shù)采用單舵漿推進，從圖1可以看出，本系統(tǒng)采用兩臺變頻器同時驅(qū)動單臺雙繞組電機，機組的電制采用三相四線制，誘魚燈光系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)無需采用單獨的輔助發(fā)電機組進行供電，而與主推進系統(tǒng)統(tǒng)一供電，實現(xiàn)了主推進、誘魚燈光系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)電能的統(tǒng)一調(diào)配，使得漁船的裝機功率減少，造價降低。采用多臺機組組成發(fā)電系統(tǒng)，當(dāng)某一臺發(fā)電機組故障時，其它發(fā)電機組能夠正常供電；采用兩臺變頻器及雙繞組電機，單臺變頻器故障或推進電機的單電樞故障時，仍可以維持單機正常運行，因此，電力推進系統(tǒng)漁船具有故障冗余，運行可靠性高等特點。綜上所述，漁船采用電力推進系統(tǒng)，實現(xiàn)了船體布置結(jié)構(gòu)靈活，實現(xiàn)了全船電力系統(tǒng)統(tǒng)一分配，有效解決了燈光圍網(wǎng)漁船動力性能差、節(jié)能環(huán)保性差、噪音和振動大等特點，為漁船動力系統(tǒng)的變革起到了指導(dǎo)意義。

[1] M.Chow, P.M.Mangun，and S.O.Yee. A Neural Network Approach to Real-Time Condition Monitoring of Induction Motors. IEEE Trans.OIE, DEC.1991, PP. 448- 453.

[2] 徐永法, 韓旗, 杜軍等. 船舶能量管理系統(tǒng)PMS研究[J]. 中國航海, 2005，(3): 78－80.

[3] 管小銘. 船舶電力系統(tǒng)及自動化[M]. 大連: 大連海事大學(xué)出版社,1999.

[4] 鄭元璋, 冀路明, 李海量. 艦船綜合電力推進監(jiān)控系統(tǒng)研究[J]. 中國航海, 2005, (4): 83－80.

Integrated Electric Propulsion System for Lamp Seining Fishing Boats

Hao Chunxue, Jiang Yuliang

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

U674.4

A

1003-4862（2014）10-0062-04

2013-09-04

郝春學(xué)（1983－），男，碩士。專業(yè)方向：電力系統(tǒng)仿真、船舶電力推進系統(tǒng)技術(shù)。