電力推進(jìn)系統(tǒng)在某試驗(yàn)船上的應(yīng)用

曾慶東

（武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢430063）

船舶推進(jìn)系統(tǒng)的選擇與很多因素有關(guān)，船型、航速、操縱性、機(jī)艙布置等是主要考慮因素。對(duì)于某些特種船舶，由于對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)的特殊有要求，選擇時(shí)就更需全面考慮。

近年來(lái)，電力推進(jìn)的市場(chǎng)份額增長(zhǎng)很快，這主要?dú)w功于大功率電子技術(shù)和集成電路、自動(dòng)控制技術(shù)的飛速發(fā)展，交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)隨著功率電子器件和各種調(diào)速變換器技術(shù)的進(jìn)步，也取得了重大突破，永磁電動(dòng)機(jī)進(jìn)入實(shí)用階段，使電力推進(jìn)作為大功率船舶的動(dòng)力成為可能。

電力推進(jìn)自身有許多優(yōu)點(diǎn)，特別是操縱靈活、營(yíng)運(yùn)成本低、噪音和振動(dòng)低、安裝靈活等。電力推進(jìn)越來(lái)越廣泛地使用在工程船、破冰船、滾裝船、渡船、調(diào)查船以及豪華游船等民用特種船舶上。本文介紹電力推進(jìn)系統(tǒng)在一艘試驗(yàn)船上的應(yīng)用。

1 概況

該船為小水線面雙體船，具有雙層連續(xù)甲板，設(shè)計(jì)排水量為2 500t，船總長(zhǎng)約60m，設(shè)計(jì)水線長(zhǎng)50m，設(shè)計(jì)吃水約6.5m，設(shè)計(jì)靜水航速15kn，經(jīng)濟(jì)航速11kn，最小航速2kn。該船對(duì)操縱機(jī)動(dòng)性要求較高，零航速下能原地回轉(zhuǎn)，全速回轉(zhuǎn)半徑不超過(guò)5.5倍船長(zhǎng)。

小水線面雙體船要求將推進(jìn)裝置安裝在尺寸很小的水下潛體中，此時(shí)電力推進(jìn)系統(tǒng)柔性連接的優(yōu)勢(shì)完全顯現(xiàn)出來(lái)，并因此成為惟一選擇。采用電力推進(jìn)系統(tǒng)可將電動(dòng)機(jī)布置在尺寸較小的潛體中，其它設(shè)備可布置在其它寬敞的艙室中，達(dá)到合理利用空間和適應(yīng)特殊要求的目的。

該船試驗(yàn)作業(yè)航行時(shí)，要求有穩(wěn)定的低航速，采用電力推進(jìn)系統(tǒng)能滿足這樣航速要求，并且運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性好。這是由于電力推進(jìn)系統(tǒng)的動(dòng)力由多臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組供應(yīng)，可以根據(jù)航行工況的變化調(diào)整運(yùn)行發(fā)電機(jī)組的數(shù)量，使運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組保持較高的負(fù)載率，具有最佳的效率，則其油耗可達(dá)最低，不僅經(jīng)濟(jì)性好而且柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)好，可減少維修量，降低成本。

該船試驗(yàn)時(shí)要求水下背景噪聲盡可能低，采用電力推進(jìn)系統(tǒng)后，推進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為一個(gè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械，其振動(dòng)、噪聲要比柴油機(jī)低幾個(gè)等級(jí)，并且采用低速傳動(dòng)，省去減速齒輪箱，又減少了一個(gè)產(chǎn)生噪聲的因素，靜音效果更好。

該特種船要求船舶具有起動(dòng)快、反轉(zhuǎn)快、能無(wú)級(jí)調(diào)速、低速穩(wěn)定等優(yōu)良的操縱性能。電力推進(jìn)系統(tǒng)完全滿足這一操縱機(jī)動(dòng)性要求，同時(shí)簡(jiǎn)化了許多復(fù)雜的機(jī)械裝置而代之以電氣裝置，冗余度更高，使推進(jìn)系統(tǒng)的可靠性得到極大的提高。

該船采用交流變頻調(diào)速電力推進(jìn)系統(tǒng)，設(shè)置三臺(tái)主發(fā)電機(jī)組提供主電源，動(dòng)力傳動(dòng)型式為雙推進(jìn)電機(jī)、雙軸系和雙槳形式。

2 推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用方案

該船選擇電力推進(jìn)系統(tǒng)時(shí)，除了關(guān)注功率范圍、推進(jìn)效率、起動(dòng)電流、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、功率因數(shù)、功率損耗、諧波等指標(biāo)外，設(shè)備尺寸和重量也是重要考慮因素。同時(shí)，由于近年來(lái)全球船舶市場(chǎng)繁榮，設(shè)備供貨周期及價(jià)格也成為選型的一個(gè)決定性因素。

世界著名的電氣集團(tuán)ABB、SIEMENS、ALSTOM等大公司都研制出船舶交流電力推進(jìn)的成套裝置，功率從幾百千瓦到幾十兆瓦，并紛紛形成系列，基本壟斷了全球電力推進(jìn)市場(chǎng)。

綜合各方面因素，最終選擇ABB公司作為電力推進(jìn)系統(tǒng)主要供應(yīng)商。

ABB公司提供的電力推進(jìn)系統(tǒng)主要設(shè)備由電站、配電系統(tǒng)、電能管理系統(tǒng)PMS、變頻器、推進(jìn)電動(dòng)機(jī)、諧波抑制器、推進(jìn)控制系統(tǒng)等組成。

電站為三臺(tái)1 600kW柴油發(fā)電機(jī)組，電壓690V，提供全船主電力。

配電系統(tǒng)主要由配電板組成，配電板框架的構(gòu)造采用C型截面，底部框架采用易于運(yùn)輸?shù)腢型截面。配電板共8屏，包括發(fā)電機(jī)輸入屏3屏、母線開(kāi)關(guān)屏1屏、推進(jìn)變頻器輸出供電屏2屏和配電負(fù)載屏2屏。

電能管理系統(tǒng)（PMS）是基于ABB最新的控制平臺(tái)AC800系列。作為一個(gè)緊湊型系統(tǒng)，可以根據(jù)功率需求以及故障情況控制和監(jiān)視發(fā)電機(jī)和柴油機(jī)，防止發(fā)生全船失電的情況。電能管理系統(tǒng)包括了每臺(tái)發(fā)電機(jī)的各自的控制器，控制器與主配電板分開(kāi)布置。

變頻器為6脈沖ACS800W系列水冷式船用變頻器，采用直接轉(zhuǎn)矩控制方法（DTC），是交流變頻調(diào)速傳動(dòng)的一種獨(dú)特控制形式。

推進(jìn)電動(dòng)機(jī)為永磁電動(dòng)機(jī)，效率高、尺寸小、重量輕，額定輸出功率1 700kW，轉(zhuǎn)速200r／min。

諧波濾波器連接于400V低壓配電板上。濾波器的設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)是可將400V低壓網(wǎng)上的總的電壓諧波干擾值（THD）控制在小于5%的范圍內(nèi)。所有連接到主推進(jìn)配電板上的設(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí)都要考慮到能夠承受由推進(jìn)變頻器所產(chǎn)生的諧波干擾。

每套推進(jìn)控制系統(tǒng)由兩臺(tái)微處理器控制，分別是應(yīng)用控制器和變頻器控制器（配置UPS）。

應(yīng)用控制器的主要任務(wù)是功率限定控制，監(jiān)測(cè)推進(jìn)裝置和速度參考鏈管理。功率限定控制通過(guò)必要時(shí)降低推進(jìn)功率的輸出來(lái)防止電站和推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的過(guò)載。基于選擇的速度參考值，應(yīng)用控制器計(jì)算需要的轉(zhuǎn)矩參考值以保持所需的電機(jī)轉(zhuǎn)速，同時(shí)轉(zhuǎn)矩參考值發(fā)送到變頻器控制器上。

變頻器控制器負(fù)責(zé)變頻器的內(nèi)部控制。它計(jì)算所需要的電動(dòng)機(jī)電流以保持需要的轉(zhuǎn)速，相應(yīng)地控制變頻器的工作狀態(tài)。變頻器控制器也包括變頻器的保護(hù)和故障診斷功能。

該船電力推進(jìn)系統(tǒng)原理見(jiàn)圖1。

圖1 電力推進(jìn)系統(tǒng)原理圖

3 技術(shù)特點(diǎn)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)

ABB電力推進(jìn)系統(tǒng)除了具有電力推進(jìn)系統(tǒng)本身的優(yōu)勢(shì)外，作為國(guó)際領(lǐng)先的設(shè)備供應(yīng)商，還具有獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

主要技術(shù)特點(diǎn)在于該方案采用了6脈沖的ACS800W系列的變頻器，省去了推進(jìn)變壓器，減輕了系統(tǒng)重量，在400V電網(wǎng)安裝了濾波器，保證400V電網(wǎng)電壓畸變率小于5%，此外變頻器的控制柜還配備了UPS，保證在突發(fā)的電源故障情況下，變頻器能繼續(xù)工作。

6脈沖的ACS800W系列的變頻器具有下列諸多優(yōu)勢(shì)：

1）ACS800W船用變頻器是緊湊的靜態(tài)變頻器。直接采用液體冷卻，因此使得變頻器格外的緊湊和安靜。液體冷卻減少了在安裝艙室配置高功率的清潔空氣冷卻裝置。直接液體冷卻在擁有高效率的同時(shí)，也保證了低噪音和容易的熱量交換，而沒(méi)有空氣過(guò)濾的問(wèn)題，同時(shí)也帶來(lái)鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)省。

2）可省卻移相變壓器，從而經(jīng)濟(jì)性更好；無(wú)需考慮移相變壓器瞬間起峰電流的影響；因而可允許即使電網(wǎng)中只有一臺(tái)發(fā)電機(jī)工作，也可直接連接變頻器，驅(qū)動(dòng)推進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作。

3）ACS800W變頻器使用DTC控制法（直接轉(zhuǎn)矩控制法）。直接轉(zhuǎn)矩控制是交流變頻傳動(dòng)中的一種獨(dú)特的電機(jī)控制方法。逆變器的觸發(fā)是根據(jù)電動(dòng)機(jī)定子鐵芯的磁通變量和轉(zhuǎn)矩來(lái)直接控制的。與使用磁通矢量控制或脈寬調(diào)制（PWM）的傳統(tǒng)控制方法相比，DTC控制法允許的響應(yīng)時(shí)間要快十倍。由于采用直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）方法，不需要速度反饋編碼器進(jìn)行控制，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和位置編碼器可以省略，因此可以節(jié)省維護(hù)費(fèi)用，同時(shí)保證很高的可靠性。此外，快速的直接轉(zhuǎn)距控制可以保證較小的轉(zhuǎn)距波動(dòng)，從而導(dǎo)致最小的電機(jī)軸的機(jī)械磨損。

4）高效率，在整個(gè)轉(zhuǎn)速控制范圍內(nèi)，功率因數(shù)保持0.95恒定，提高了網(wǎng)絡(luò)的功率因素。

5）推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)，電動(dòng)機(jī)的電流從零開(kāi)始，從而避免產(chǎn)生對(duì)電網(wǎng)的沖擊電流，低電動(dòng)機(jī)噪聲。

4 結(jié)束語(yǔ)

雖然目前電力推進(jìn)尚需要比傳統(tǒng)推進(jìn)較高的初始投資，技術(shù)維護(hù)難度也較大，但在某些特種船舶上，電力推進(jìn)的優(yōu)勢(shì)是決定性的。可以預(yù)見(jiàn)，隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)不斷發(fā)展、進(jìn)步、成熟，電力推進(jìn)系統(tǒng)將具有更加廣闊的市場(chǎng)，將成為船舶推進(jìn)裝置的主要發(fā)展方向。

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