“粵劇紅船”電網(wǎng)及電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

常紅艷 危成亮

摘 要：隨著節(jié)能減排要求的提高，船舶采用電力推進(jìn)將越來越普及。全回轉(zhuǎn)舵槳電力推進(jìn)具有舵槳一體化、操縱性能良好、振動(dòng)噪音小等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于內(nèi)河等機(jī)動(dòng)操縱受限的船舶?！盎泟〖t船”采用全回轉(zhuǎn)舵槳電力推進(jìn)裝置，大幅度提升了旅客觀光體驗(yàn)的舒適性。

關(guān)鍵詞：全回轉(zhuǎn)舵槳電力推進(jìn)；諧波控制

中圖分類號：U664.14 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： With increasingly demanding on environmental protection， the application of electric propulsion system will become more and more popular. Azimuth thruster & electric propulsion system with the function of steering gear and oar has good maneuverability， especially suitable for vessels in river with restricted maneuverability. Azimuth thruster & electric propulsion unit is used on the tourist boat named YUE JU HONG CHUAN， which effectively reduces the vibration noise and greatly improves the comfort of the tourists' sightseeing experience.

Key words： Azimuth thruster & electric propulsion； Harmonic control

1 引言

“粵劇紅船”為廣州市新型旅游表演觀光船，主要用于珠三角內(nèi)河航道日夜游中進(jìn)行粵劇表演、觀光等。本船設(shè)計(jì)圍繞“最大舞臺空間、最優(yōu)舞美效果、最佳乘坐體驗(yàn)、最好安全舒適”的目標(biāo)，通過技術(shù)創(chuàng)新與藝術(shù)創(chuàng)作深度融合，將“紅船”設(shè)計(jì)成為奇妙的水上劇場。

該船采用電力推進(jìn)除在經(jīng)濟(jì)性、操縱性、安全性、節(jié)能減排方面具有顯著優(yōu)勢外，最重要的是降低了推進(jìn)振動(dòng)噪音，為游客舒適的觀光體驗(yàn)創(chuàng)造了條件。

2 電力推進(jìn)系統(tǒng)組成

該船全回轉(zhuǎn)電力推進(jìn)系統(tǒng)主要由柴油發(fā)電機(jī)、主配電板、推進(jìn)變頻器、推進(jìn)電機(jī)、全回轉(zhuǎn)舵槳以及監(jiān)控系統(tǒng)等組成：

（1）柴油發(fā)電機(jī)（3臺）：型號為D16MG-HE；電制為 AC400 V、3相、50 Hz、400 kW；

（2）主配電板（1座）：含發(fā)電機(jī)屏/3屏；屏聯(lián)絡(luò)開關(guān)&同步屏/1屏；推進(jìn)電機(jī)供電&AC380V; 負(fù)載屏/2 屏；AC220 V 負(fù)載屏/1 屏）；

（3）推進(jìn)變頻器（2套）：型號為ACS800-37LC-350-3；額定輸出電流 480 A、供電電壓 400 VAC± 10%；供電頻率/輸出頻率 50± 2 Hz/0～50 Hz；

（4）推進(jìn)電機(jī)（2套）：型號為M3BP 355；輸出軸功率 230 kW、額定轉(zhuǎn)速 1 488 r/min；電制為 3相、AC380 V、448 A；

（5）全回轉(zhuǎn)舵槳（2套）：型號為SZP30A；額定輸入功率 230 kW、額定輸入轉(zhuǎn)速 1 500 r/min；變頻電機(jī)帶動(dòng)蝸輪蝸桿360°轉(zhuǎn)舵；

（6）主要監(jiān)控系統(tǒng)：推進(jìn)控制及監(jiān)測系統(tǒng)（PCS）；電站管理系統(tǒng)（PMS）；UPS等。

3 供配電系統(tǒng)

相對其他游覽船而言，該船除正常航行設(shè)備用電外，還搭載有升降舞臺、海盜船、移動(dòng)馬道、移動(dòng)戲樓、移動(dòng)戲臺、舞臺燈光、音響及室外裝飾照明等約二十種專用演出設(shè)備。為保證上述演出設(shè)備在不同工況下正常使用，經(jīng)多次和導(dǎo)演組協(xié)商，最終確定了演出設(shè)備按五種演出工況計(jì)算用電量（最大演出工況用電量約240 kW），并按需配置相應(yīng)的電站容量。此外，由于舞臺機(jī)械、燈光系統(tǒng)采用三相五線制配電系統(tǒng)，同時(shí)考慮推進(jìn)變頻器和演出設(shè)備電網(wǎng)影響，舞臺機(jī)械、燈光照明采用變壓器隔離后經(jīng)區(qū)域配電板供配電系統(tǒng)。

根據(jù)上述用電設(shè)備特點(diǎn)，采用三臺AC400 V、3相、50 Hz、400 kW柴油發(fā)電機(jī)組成的公共電站。全船供配電系統(tǒng)圖，見圖1。

從圖1中看出，主配電板內(nèi)AC400 V匯流排通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)分成二段：第一段（Bus_A）對應(yīng)1#柴油發(fā)電機(jī)組和2#柴油發(fā)電機(jī)組；第二段（Bus_B）對應(yīng)3#柴油發(fā)電機(jī)組。AC400 V匯流排的主要負(fù)載為全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器、空調(diào)裝置、1～2#舞美用變壓器、裝飾照明用變壓器以及日用變壓器等。正常航行時(shí)，AC400 V匯流排二段通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)連接：當(dāng)其中一段故障，斷開聯(lián)絡(luò)開關(guān)，以保證另一段匯流排上的設(shè)備正常運(yùn)行，同時(shí)保證推進(jìn)功率的最低需求。

主配電板內(nèi)AC230 V匯流排通過二套400 V/230 V變壓器供電，負(fù)責(zé)向全船的照明等AC230 V負(fù)荷供電。

此外，主配電板內(nèi)設(shè)有電站監(jiān)控系統(tǒng)（PMS），該系統(tǒng)除設(shè)有自動(dòng)增減機(jī)外，還設(shè)有柴油發(fā)電機(jī)組黑起動(dòng)、功率限制、工作模式（航行、停泊和舞臺）選擇、與舵槳控制接口等功能。

4 電力推進(jìn)控制

該船按內(nèi)河A級游覽船4類客船進(jìn)行設(shè)計(jì)，推進(jìn)控制系統(tǒng)控制部位設(shè)置在舵槳艙及駕駛室，以舵槳艙控制優(yōu)先。

該船設(shè)有二套全回轉(zhuǎn)舵槳電力推進(jìn)系統(tǒng)，每套系統(tǒng)主要由機(jī)旁控制箱（含推進(jìn)變頻器）、駕駛室遙控板等單元組成，正常在駕駛室遙控板通過混合式控制手柄對舵槳的回轉(zhuǎn)隨動(dòng)控制和推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制?；旌鲜娇刂剖直睫D(zhuǎn)動(dòng)可以對單個(gè)螺旋槳進(jìn)行360°的回轉(zhuǎn)操作，前后扳動(dòng)可以對推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行操控。在遙控手柄故障情況下，可采用遙控面板備用按鈕實(shí)施對舵漿旋轉(zhuǎn)角度及推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行應(yīng)急控制，必要時(shí)控制部位可轉(zhuǎn)為機(jī)旁。

4.1全回轉(zhuǎn)舵槳

全回轉(zhuǎn)舵槳是一種Z型傳動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)舵槳一體化，主要功能是將推進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力通過高彈性連接軸及舵槳上下齒輪箱內(nèi)兩對螺旋錐齒輪傳遞到螺旋槳產(chǎn)生推力，同時(shí)可以指令電控系統(tǒng)來控制帶螺旋槳的下齒輪箱轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到向左或向右回轉(zhuǎn)，因此螺旋槳的全部推力可以作用于任何方向，從而獲得推進(jìn)和推力方向的最佳配合。全回轉(zhuǎn)舵槳傳動(dòng)形式如圖2所示。

從圖2可以看出，本船全回轉(zhuǎn)舵槳轉(zhuǎn)速通過推進(jìn)電機(jī)（推進(jìn)變頻器）控制，轉(zhuǎn)舵舵角由轉(zhuǎn)舵電動(dòng)機(jī)（轉(zhuǎn)舵變頻器）控制。因此，舵槳設(shè)有轉(zhuǎn)舵電機(jī)啟動(dòng)、停機(jī)、舵角正反轉(zhuǎn)控制功能，同時(shí)按規(guī)范要求還設(shè)有舵槳滑油液位低、滑油溫度高、電源故障、轉(zhuǎn)舵電機(jī)過載、隨動(dòng)操舵故障等報(bào)警。此外，舵槳還配有舵機(jī)反饋裝置，并具有遠(yuǎn)程顯示信號接口。

4.2 推進(jìn)變頻器

推進(jìn)變頻器用于推進(jìn)電機(jī)的控制，通常由控制單元、整流單元、逆變單元及水冷單元等組成：控制單元用于變頻器起動(dòng)、停止、調(diào)速、制動(dòng)，并具有逆變啟停、轉(zhuǎn)矩（功率）控制等輔助功能；整流單元用于將整流變壓器一組或多組三相交流電源變換成直流，再向逆變電源提供直流電源；逆變單元用于直流逆變成交流，向推進(jìn)電機(jī)提供頻率可變的交流電源，并具備一定的保護(hù)功能；水冷單元用于整流及逆變單元功率模塊的冷卻。

推進(jìn)變頻器功能組成結(jié)構(gòu)圖，如圖3所示。

1）為主開關(guān)和充電單元，2）為EMC 濾波器，3）為LCL 濾波器，4）為供電模塊，5）為制動(dòng)斬波器，6）、7）為制動(dòng)電阻，8）為逆變模塊，9）正弦波濾波器。

此外，按規(guī)范要求推進(jìn)變頻器還應(yīng)設(shè)有輸入電壓、電流及冷卻介質(zhì)溫度高顯示、過載、接地故障、逆變及整流綜合報(bào)警等。

5 諧波控制

諧波來源于電網(wǎng)的非線性負(fù)載，當(dāng)諧波分量達(dá)到一定程度時(shí)用電設(shè)備將出現(xiàn)過電流、絕緣老化加速、噪音等異?，F(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致電網(wǎng)保護(hù)失效，影響船舶安全。而對“粵劇紅船”而言，諧波如不加以治理將導(dǎo)致舞臺機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)不正常，影響正常演出。

基于專業(yè)機(jī)構(gòu)仿真計(jì)算及總諧波失真率分析，影響日常負(fù)載及舞臺機(jī)械正常工作的諧波源主要有：推進(jìn)變頻器、舞臺機(jī)械、燈光照明等。因此按規(guī)范及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，本船在配電系統(tǒng)各處的電壓波形總諧波失真（THD）應(yīng)不超過5%和任何單次電壓諧波畸變應(yīng)不超過3%，以確保電網(wǎng)的品質(zhì)滿足全船設(shè)備安全可靠運(yùn)行。

設(shè)計(jì)時(shí)，通過以下措施進(jìn)行諧波控制：

（1）在設(shè)備選型上：由于常規(guī)DFE型變頻器（ 12 脈波）會(huì)產(chǎn)生特征電流或電壓畸變，需要額外考慮諧波治理。而AFE型變頻器由于采用了IGBT功率元件，并能同 LCL濾波器集成一起，可以有效降低電源端的諧波干擾，節(jié)省設(shè)備布置空間，經(jīng)綜合考慮本船選用AFE型變頻器；

（2）在配電方式上：由于舞臺機(jī)械、燈光照明大部分為非線性負(fù)載，經(jīng)計(jì)算區(qū)域配電板諧波分量超出規(guī)定限值，因此在區(qū)域配電系統(tǒng)增設(shè)有源濾波器，以實(shí)現(xiàn)對局部諧波源就地消除。經(jīng)試驗(yàn)測定，區(qū)域配電板（舞美配電箱DDB1、DDB2、DDB3）電壓波形總諧波失真（UTHD）治理前后對比，見表1。

從表1中看出，任何單次電壓諧波畸變在濾波器治理后不超過3%，滿足規(guī)定要求。同時(shí)通過有源濾波器治理，電流諧波畸變、有功功率因數(shù)均有改善，電能使用效率也有所提高。

6 結(jié)論

對于電力推進(jìn)的船舶，為將諧波影響降到最低，設(shè)計(jì)時(shí)除完成推進(jìn)電網(wǎng)設(shè)計(jì)、變頻器選型等外，還需對推進(jìn)電纜、推進(jìn)發(fā)電機(jī)直軸瞬態(tài)電抗（Xd）、超瞬態(tài)電抗（X”d）、推進(jìn)電機(jī)繞組溫度等因素綜合考慮。

“粵劇紅船”電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，一方面降低了船舶推進(jìn)振動(dòng)噪音，另一方面通過推進(jìn)裝置及配電系統(tǒng)優(yōu)化，并對諧波進(jìn)行有效治理，在保證正常推進(jìn)的同時(shí)，為劇場演出用電提供了保障。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，本船實(shí)現(xiàn)了推進(jìn)控制與配電安全統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1]ABB ACS800-37 （LC）低諧波柜體式（水冷）傳動(dòng)硬件手冊.

[2]GB/T1303-2009 船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)條件.