基于共直流母線技術(shù)的軸發(fā)PTO/PTH系統(tǒng)應(yīng)用

沈 愷，陳建清

(中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰 214400)

0 引言

近年來，為了滿足和適應(yīng)船舶綜合推進(jìn)以及軸帶發(fā)電的需求，在化學(xué)品船舶上率先使用了具備軸發(fā)供電模式/軸發(fā)電動模式(PTO/PTI)功能的船舶電站。該電站既能通過軸帶發(fā)電機(jī)向全船航行設(shè)備供電，又能在緊急情況下通過電力推進(jìn)系統(tǒng)輔助主推進(jìn)系統(tǒng)，大大提高了船舶動力的冗余度和可靠性[1]。

同時，隨著電力電子的發(fā)展，變頻技術(shù)在船舶上的應(yīng)用越來越多，將永磁軸帶發(fā)電機(jī)與變頻器相結(jié)合，使可調(diào)槳推進(jìn)器的速度和螺距角可獨(dú)立變化，在優(yōu)化發(fā)動機(jī)和推進(jìn)器效率方面取得最大靈活性。推進(jìn)器轉(zhuǎn)速和螺距角的最佳組合最大限度地降低了油耗。船舶航速越低，優(yōu)點(diǎn)就越顯著。即使在開放海域航行，在可調(diào)槳推進(jìn)器中降低發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時使用較小的螺距角，也可節(jié)約大量的燃料消耗[2]。

另外，在軸帶發(fā)電機(jī)變頻系統(tǒng)中引入公共直流母線技術(shù)，將多傳動貨油泵、大功率側(cè)推等變頻設(shè)備采用直流電源輸入，可以簡化變頻整流模塊數(shù)量，減少諧波污染，提高電網(wǎng)質(zhì)量，對于船舶節(jié)能和減少碳排放具有重要意義，但是多種新技術(shù)的應(yīng)用會使系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)控制變得更加復(fù)雜。整個系統(tǒng)涉及柴油發(fā)電機(jī)組、主機(jī)、離合器、軸帶發(fā)電機(jī)、推進(jìn)控制系統(tǒng)(PCS)、可調(diào)槳、功率管理系統(tǒng)(PMS)、總配電板(MSB)以及共直流母排(DC-LINK)，幾乎涉及了全船的所有主要設(shè)備，一旦控制有誤可能造成全船失電和失去動力的嚴(yán)重結(jié)果，因此，對于基于共直流母線技術(shù)的永磁軸帶發(fā)電機(jī)PTO/PTH系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制是個值得深入研究的問題。

本文將從18 600載重噸化學(xué)品船的系統(tǒng)配置、硬件構(gòu)成、變頻系統(tǒng)架構(gòu)、接口分析等幾個方面進(jìn)行研究。

1 系統(tǒng)主要配置

PTO/PTH系統(tǒng)配置見圖1。整個系統(tǒng)以模塊化、功能化的單元形式集成，易于實(shí)現(xiàn)定制化和多樣化的PTO/PTH系統(tǒng)集成要求。另外，還有大功率側(cè)推、可變頻率的岸電系統(tǒng)、多傳動貨油泵、壓載泵等設(shè)備接入相應(yīng)軸發(fā)變頻系統(tǒng)。

與常規(guī)軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)不同，本船軸帶發(fā)電機(jī)(簡稱“軸發(fā)”)安裝在主軸上，采用抱軸直接驅(qū)動的方式。在PTI時，軸發(fā)作為電動機(jī)，提供動力給螺旋槳。本文提及的PTI模式是指主機(jī)和離合器脫開的推進(jìn)模式，主機(jī)是不運(yùn)行的，全船推進(jìn)動力由軸帶提供，該模式被稱作PTH(軸發(fā)電動模式)；在PTO時，主機(jī)經(jīng)離合器驅(qū)動調(diào)距槳和軸帶發(fā)電機(jī)。

2 系統(tǒng)設(shè)計與分析

本系統(tǒng)采用了新型的軸發(fā)變頻系統(tǒng)，接口信號及控制要求極為復(fù)雜，所以一定要理清分析思路。主機(jī)、軸帶發(fā)電機(jī)、離合器、發(fā)電機(jī)、螺旋槳等動力部分是模式運(yùn)行的動力承擔(dān)者；主配電板和共直流母排是模式運(yùn)行的供配電方式；PMS、PCS是模式運(yùn)行的各種控制[3]。

圖1 PTO/PTH系統(tǒng)配置圖

2.1 軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的選用

從發(fā)電機(jī)效率的角度來看，采用低速電勵磁同步軸帶發(fā)電機(jī)并非最佳解決方案，由于其低速運(yùn)行導(dǎo)致效率較低。在傳統(tǒng)的高速發(fā)電方案中，同步發(fā)電機(jī)可實(shí)現(xiàn)高達(dá)98%至99%的效率。然而在低速軸帶發(fā)電機(jī)應(yīng)用中，其效率僅為92%至94%，如果再加上變頻器的功率損耗，總電源轉(zhuǎn)換效率將低于90%。隨著燃料成本的不斷上升，更有效的解決方案也被不斷提出，其中最有前景的解決方案之一是用更高效的永磁發(fā)電機(jī)替代電勵磁發(fā)電機(jī)。

該軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)同時采用了PWM變頻控制技術(shù)。由于采用PWM變頻器,電站不需要同步補(bǔ)償器,減少了設(shè)備組件和體積，降低了重量,從而降低了成本。同時,降低了噪聲，提高了主電源的品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字式控制，節(jié)省了電纜,使產(chǎn)生的能源更經(jīng)濟(jì)、高效[4]。該系統(tǒng)既可提供給主配電板有功功率和無功功率,也可承受短路電流。由于變頻軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的輸出電壓和頻率響應(yīng)可以微調(diào),因此,能保證在任何動態(tài)負(fù)載和靜態(tài)負(fù)載情況下與柴油發(fā)電機(jī)組長期并聯(lián)運(yùn)行。

2.2 共直流母線技術(shù)

共用直流母線技術(shù)是將變頻器的整流單元和逆變單元分開，多臺設(shè)備共用一套整流裝置，單臺設(shè)備配套逆變器進(jìn)行調(diào)控的一種技術(shù)，實(shí)質(zhì)是一種變頻調(diào)控技術(shù)。這種技術(shù)經(jīng)常應(yīng)用于同一系統(tǒng)的多臺設(shè)備，同時存在發(fā)電和電動運(yùn)行狀態(tài)的情況。當(dāng)同一生產(chǎn)系統(tǒng)中一個或多個電動機(jī)處于反發(fā)電狀態(tài)時，由于共用直流母線，其再生能量可以被同一系統(tǒng)中的其他電動機(jī)以電動的方式消耗掉，從而達(dá)到節(jié)能降耗的作用[5]。這種技術(shù)對于采用較多變頻電機(jī)的船舶有很好的適用性，特別是采用電動貨油泵的油化船。

2.3 共直流母線的引入及單線圖的確定

根據(jù)技術(shù)規(guī)格書要求，列出下列主要問題：

(1)側(cè)推除了需要由軸發(fā)單獨(dú)供電及與柴發(fā)并車供電外，還要求主發(fā)電機(jī)(簡稱“主發(fā)”)單獨(dú)供電，常規(guī)配電系統(tǒng)很難實(shí)現(xiàn)，需考慮雙向供電方式。

(2)岸電需要電站不斷電供電。同時，根據(jù)船東要求，岸電頻率可以采用50 Hz和60 Hz，這個要求等于岸電需要經(jīng)過變頻系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)。

(3)本船貨油壓載系統(tǒng)采用的是電動深井泵，必須配置相應(yīng)的變頻器，以便進(jìn)行調(diào)速控制。全船共有12臺貨油泵、2臺污油泵、2臺壓載泵和1臺洗艙水泵。

考慮到上述要求及軸發(fā)變頻系統(tǒng)本身的特點(diǎn)，本船引入了共直流母線系統(tǒng)。

全船主要設(shè)備供電工況見表1。從表中可以發(fā)現(xiàn)，貨油泵、岸電和軸發(fā)是不會同時運(yùn)行的，因此可以根據(jù)共直流母線系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，利用軸發(fā)變頻系統(tǒng)整流模塊來代替幾臺貨油泵的小整流器，也可以代替?zhèn)韧频恼髂K。同時，岸電通過3號變頻器實(shí)現(xiàn)與主發(fā)并車及不斷電要求。該方案節(jié)省了側(cè)推、貨油壓載系統(tǒng)等近20個設(shè)備的大功率整流模塊，有效地降低了采購成本，且大整流器保護(hù)功能較多，大大改善了變頻設(shè)備對電網(wǎng)的諧波污染，省去輸入側(cè)濾波器的投資。整個傳動系統(tǒng)的元器件數(shù)量大大減少，工作效率和設(shè)備的可靠性可大大提高，結(jié)構(gòu)也更加緊湊。

表1 全船主要設(shè)備供電工況

另外，為防止變頻器發(fā)生故障，保證用電設(shè)備供電連續(xù)性，本船采用全方面冗余設(shè)計。根據(jù)PWM變頻器的特點(diǎn)，可以將原先軸發(fā)一個大的整流模塊改成2個相對較小的整流模塊(1號和2號)，并且分別從主配電板匯流排兩側(cè)進(jìn)行供電。即便其中一個模塊損壞，另外一個也能繼續(xù)供電；即便兩個都損壞，也可以通過3號變頻器供電給直流母排。最終設(shè)計的單線圖見圖2。圖中，Q1～Q10為開關(guān)。

2.4 軸發(fā)變頻與PMS接口分析

2.4.1 軸發(fā)系統(tǒng)模式與電站模式

由于軸發(fā)變頻系統(tǒng)引入了共直流母線系統(tǒng)，所以比軸發(fā)系統(tǒng)復(fù)雜。軸發(fā)PTO的控制模式與主電站模式將融合在一個系統(tǒng)中，并將通過PMS統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制，為此，要明確該系統(tǒng)模式與整個電站模式的匹配，特別是接口與邏輯的分析，思路必須清晰。

根據(jù)規(guī)格書和規(guī)范要求，電站的運(yùn)行模式包括海上航行模式、機(jī)動模式、裝卸貨、PTH、岸電模式。

軸發(fā)變頻自身的模式有以下幾種：

(1)岸電模式：此時，岸電通過3號變頻器向直流母排供電，也可以再經(jīng)過1號和2號變頻器向主配電板供電。該模式既可以獨(dú)立供電，也可以與發(fā)電機(jī)同步運(yùn)行。

圖2 軸發(fā)變頻系統(tǒng)單線圖

(2)軸發(fā)模式：此時，軸發(fā)通過3號變頻器向直流母排及側(cè)推供電，也可以再經(jīng)過1號和2號變頻器向主配電板供電。該模式既可以獨(dú)立供電，也可以與發(fā)電機(jī)同步運(yùn)行。

(3)發(fā)電機(jī)模式：此時，柴油發(fā)電機(jī)通過1號和2號變頻器向直流母排及側(cè)推供電。如果此時需要進(jìn)入PTH模式,則柴發(fā)電力電源經(jīng)1號、2號、3號變頻器提供給軸發(fā)。

(4)貨油系統(tǒng)備用模式： 此時，柴油發(fā)電機(jī)經(jīng)Q9Q4開關(guān)通過3號變頻器向直流母排供電。

結(jié)合整船的電站模式，由于PMS不能直接參與軸發(fā)變頻系統(tǒng)包括直流母排的控制，所以很多信號需要整合，通過這些信號間接進(jìn)入全船的相關(guān)電站模式。同時,某些電站模式也需要相應(yīng)修改。

2.4.2 電站模式分析與確定

下面結(jié)合PMS與軸發(fā)變頻系統(tǒng)的控制接口信號及運(yùn)行模式來確定最終的全船電站模式，主要控制接口信號見圖3。

圖3 軸發(fā)變頻系統(tǒng)與PMS接口

(1)海上航行模式：該模式下的軸發(fā)變頻系統(tǒng)分為軸發(fā)模式與發(fā)電機(jī)模式。這里的發(fā)電機(jī)模式就是柴油發(fā)電機(jī)供電模式，與PMS的主要接口是圖23中的“發(fā)電機(jī)供電模式”請求信號,這個信號由PMS至軸發(fā)變頻系統(tǒng)，是為了告知圖2中1號和2號兩個變頻器的供電方向。而在軸發(fā)模式下，又分為軸發(fā)向直流母排獨(dú)立供電和軸發(fā)向主配板及直流母排同時供電這兩種供電方式。如果只有“軸發(fā)供電模式”請求信號至軸發(fā)變頻系統(tǒng)，則整個電站不能進(jìn)入海上航行模式，必須同時提供“主配電板分配電模式”請求信號，以便告知1號和2號變頻器供電方向是向上至主配電板，這個與發(fā)電機(jī)模式正好相反。所以，海上航行模式必須分為軸發(fā)海上航行模式和柴發(fā)海上航行模式。

(2)裝卸貨模式：該模式對應(yīng)的就是軸發(fā)變頻系統(tǒng)中的“發(fā)電機(jī)模式”。進(jìn)入這個模式，PMS需要輸出“發(fā)電機(jī)供電模式”請求信號，來告知軸發(fā)變頻系統(tǒng)進(jìn)入“發(fā)電機(jī)模式”，以便柴油發(fā)電機(jī)經(jīng)1號和2號變頻器提供電力給貨油壓載系統(tǒng)，這里與柴發(fā)海上航行模式的區(qū)別在于柴發(fā)的運(yùn)行數(shù)量。

(3)PTH模式：該模式就是PMS 發(fā)“PTH 模式”請求信號給軸發(fā)變頻系統(tǒng)，收到該信號后，軸發(fā)將切換成電動機(jī)模式驅(qū)動螺旋槳運(yùn)行。

(4)岸電模式：該模式跟海上航行軸發(fā)模式一樣，需要“岸電供電模式”和“主配電板分配電模式”這兩個信號。

(5)機(jī)動模式：在該模式下，艏側(cè)推可以分別在軸發(fā)變頻系統(tǒng)的軸發(fā)模式與發(fā)電機(jī)模式下運(yùn)行。為了區(qū)分這兩種模式，分別命名為機(jī)動/分離模式及機(jī)動模式，主要區(qū)別在于艏側(cè)推的供電來源是軸發(fā)還是柴發(fā)。所謂機(jī)動/分離模式就是軸發(fā)給艏側(cè)推供電時，只提供電力至直流母排，不提供電力至主配板。主配板上的用戶由柴發(fā)提供電力，此時1號和2號兩個變頻器處于斷開狀態(tài)，主配與直流母排相互獨(dú)立供電給各自用戶。而機(jī)動模式就是在軸發(fā)變頻系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)模式下，柴發(fā)經(jīng)主配電板向直流母排上的艏側(cè)推用戶進(jìn)行供電。

最終全船自動電站的模式確定為：軸發(fā)海上航行模式、柴發(fā)海上航行模式、機(jī)動模式、裝貨模式、卸貨模式、PTH、岸電模式、機(jī)動模式/分離模式。

從中可以看出，共直流母線供電的動力源是關(guān)鍵，弄清1號和2號兩個變頻器的供電方向，就很容易理清整個電站的運(yùn)行模式，而這個供電方向主要依靠的就是“發(fā)電機(jī)供電模式”和“主配電板分配電模式”這個兩個信號的輸出。

2.5 PTO/PTH模式運(yùn)行的接口分析

本船采用的變頻驅(qū)動和調(diào)距槳，使得主機(jī)的轉(zhuǎn)速和螺距的仰角及機(jī)槳的匹配就更為復(fù)雜。PCS總共有3個模式：組合模式、恒速模式和分離模式。經(jīng)過計算，最終在PCS的組合模式下運(yùn)行軸發(fā)更為經(jīng)濟(jì)。組合模式下，控制桿同時控制主機(jī)轉(zhuǎn)速和螺距，來按照預(yù)先編程的組合曲線運(yùn)行。

2.5.1 軸發(fā)的轉(zhuǎn)速范圍

軸發(fā)的轉(zhuǎn)速曲線見圖4。從圖中看出，軸發(fā)：起動轉(zhuǎn)速范圍為50～78 r/min，運(yùn)行的轉(zhuǎn)速范圍為50～89 r/min，正常運(yùn)行的轉(zhuǎn)速范圍為71.2～89.0 r/min。由于主機(jī)存在轉(zhuǎn)速禁區(qū)(44～57 r/min)，軸發(fā)不能在此范圍內(nèi)運(yùn)行。所以，最終本船軸帶發(fā)電機(jī)運(yùn)行的主機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為58～89 r/min。

圖4 軸發(fā)轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍曲線

2.5.2 PTO運(yùn)行流程分析

PTO運(yùn)行流程為：首先,PMS向主機(jī)和PCS發(fā)出PTO請求信號,主機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整至58～78 r/min后發(fā)出“PTO 準(zhǔn)備”信號至PMS；然后，由PMS發(fā)出“軸發(fā)供電模式”和“主配電板分配電模式”相關(guān)信號至軸發(fā)。這個過程中，需要注意以下幾點(diǎn)：

(1)在軸發(fā)進(jìn)入PTO前，主機(jī)轉(zhuǎn)速必須調(diào)整在58～78 r/min范圍內(nèi)，這是軸發(fā)的啟動轉(zhuǎn)速范圍。

(2)一旦進(jìn)入PTO模式，主機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍將限制在71.2～89.0 r/min范圍內(nèi)，也就是PCS組合模式(帶軸發(fā))下的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍。

(3)主機(jī)轉(zhuǎn)速要保持在58 r/min以上，盡量遠(yuǎn)離主機(jī)的轉(zhuǎn)速禁區(qū)。

(4)從圖4中可以看出，軸發(fā)在轉(zhuǎn)速71.2 r/min以上將保持額定功率輸出，這一點(diǎn)在電力負(fù)荷分配計算時需要注意。

(5)PTO時，推進(jìn)系統(tǒng)的自動減載處理也需注意。自動減載既包括減載，也包括降低發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速。對于軸發(fā)，需采取特殊的預(yù)防措施，以防止全船失電，從而導(dǎo)致主機(jī)停止工作。在使用軸發(fā)時，減速程序會按以下步驟執(zhí)行：

①首先，一個減負(fù)荷預(yù)警信號被激活，提醒操作員注意。同時，向PMS發(fā)送信號，啟動柴油發(fā)電機(jī)，斷開軸帶發(fā)電機(jī)供電。大約10 s的預(yù)警時間后，螺旋槳螺距自動降低到40%左右；

②當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)啟動，軸發(fā)與主配電板斷開連接后，主機(jī)將被減慢到MCR速度的40%左右。當(dāng)主機(jī)轉(zhuǎn)速降低時，螺距又會增加；

③如果軸帶發(fā)電機(jī)在卸荷啟動后仍與主配電板連接超過2 min時間，則將向主機(jī)安全系統(tǒng)發(fā)出停車請求；

④此時主機(jī)的最小轉(zhuǎn)速信號將被提供。從圖4中可以看到，在71.2 r/min時軸發(fā)保持額定功率輸出，但低于該值時將降功率運(yùn)行。PMS需要根據(jù)電站在線的負(fù)荷算出主機(jī)減負(fù)荷運(yùn)行時的最小功率，以便主機(jī)轉(zhuǎn)速降至該值，以免引起全船斷電。這點(diǎn)在設(shè)計自動化電站時尤其需要注意的。

2.5.3 PTH運(yùn)行流程分析

進(jìn)入PTH模式前，首先要脫開主機(jī)，將離合器脫開信號送至PCS。同時，結(jié)合零螺距信號，將“PTH 準(zhǔn)備”信號送至PMS。此時，可以從PCS發(fā)出PTH啟動命令至PMS，PMS接收到該信號后向軸發(fā)變頻系統(tǒng)發(fā)出PTH請求信號。這個過程中，需要注意以下幾點(diǎn)：

(1)進(jìn)入PTH模式前，主機(jī)必須停止工作，將可調(diào)槳調(diào)整至0螺距。

(2)在應(yīng)急情況下，離合器可以在主機(jī)轉(zhuǎn)速低于25 r/min下進(jìn)行脫排。

3 實(shí)船驗(yàn)證

(1)試驗(yàn)內(nèi)容：PTO 模式下各個模式的切換

試驗(yàn)結(jié)果：系泊和試航期間的模式轉(zhuǎn)換都平穩(wěn)可靠，切換的時間也符合相關(guān)要求。

(2)試驗(yàn)內(nèi)容：PTO 模式下失復(fù)電試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果：在全船軸發(fā)失電情況下，主發(fā)23 s內(nèi)合閘供電，試驗(yàn)結(jié)果滿足規(guī)范要求的30 s。

(3)試驗(yàn)內(nèi)容：PTH試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果：從主機(jī)切換到PTH運(yùn)行，時間只花了約7 min；航速穩(wěn)定在8.1 kn左右。挪威DNV 船級社AP-1入級符號的要求是主機(jī)推進(jìn)切換到軸發(fā)電動推進(jìn)的時間要小于30 min，航速不小于7 kn。本船PTH模式的性能指標(biāo)完全滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論

基于共直流母線技術(shù)的永磁軸發(fā)PTO/PTH系統(tǒng)應(yīng)用，主要有如下幾個特點(diǎn)：

(1)相比常規(guī)軸帶發(fā)電機(jī)，使用永磁發(fā)電機(jī)會使效率提高3%～4%，達(dá)到94%，包括變頻器的損耗，從而大大降低了燃料成本。降低燃料消耗有助于實(shí)現(xiàn)減排法規(guī)。

(2)永磁軸帶發(fā)電機(jī)連接變頻器可輕松滿足現(xiàn)在所有對于軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的傳統(tǒng)要求，例如同步、與其他發(fā)電機(jī)并行操作，無功功率控制和發(fā)電機(jī)故障診斷。

(3)在軸發(fā)變頻系統(tǒng)中引入共直流母線系統(tǒng)大大減少了變頻器的數(shù)量，優(yōu)化了設(shè)備布置空間，擴(kuò)大了PTO模式時主機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍，提升了發(fā)電效率及電網(wǎng)質(zhì)量。

總之，以永磁軸發(fā)與共直流母線變頻技術(shù)的結(jié)合方案將成為當(dāng)前船舶發(fā)電與推進(jìn)系統(tǒng)新一代創(chuàng)新應(yīng)用。