燈光圍網漁船電力推進系統

郝春學，姜鈺梁

燈光圍網漁船電力推進系統

郝春學，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的概況，分別介紹了各個系統，包括供電系統、推進系統、功率管理系統、推進操控系統，漁船采用電力推進系統是未來發展方向。

PMS 電力推進 操控系統

0 引言

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

1 電力推進系統概況

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

供電系統主要為全船提供電源，并提供必要的保護。供電系統的額定電壓為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（PMS）1套[1]。

推進系統為船舶航行提供推進動力，可完成船舶的圍網作業、進出港、航行等工況。推進系統的組成主要包括：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。

操控系統主要實現推進操控功能、電力推進系統監測報警功能，由駕控臺控制組件、推進控制單元、采集箱組成。

2 供電系統

供電系統主要為全船提供穩定、持續、高品質電源，通過配電板將全船的電能統一分配并啟動各種現場保護功能。

航行或圍網作業工況下，全船由主發電機組供電，4臺主發電機組并聯運行最大可為全船提供1600 kW電源，供推進、輔機、作業設備和日用負載使用，其中主發電機為3相4線制接法，可直接取相電壓為220 V誘魚燈供電，誘魚燈控制系統應保證各相負載平衡；錨泊工況下，全船由50 kW停泊發電機組供電，供輔機、作業設備和日用負載使用；停靠碼頭時，可接入岸電為船上用電設備供電。

主柴油發電機組為全船電源，本船設置4臺400 kW的柴油發電機組，機組的額定轉速為1500 rpm，額定電壓為400 V，額定頻率為50 Hz。主柴油發電機組滿足船舶電力推進系統對電站動態響應的要求，并能承受本船電網中的諧波電壓和諧波電流。主發電機中性點引出，組成3相4線制系統。

主配電板是連接發電機組和用電負荷的中間環節，根據全船用電設備的實時要求來合理分配電功率，為各發電機和用電設備提供保護功能，如過載、短路、欠壓、逆功等保護功能，并監測400 V電網和230 V電網的絕緣電阻。主配電板可以手動操作并車、負荷分配和負荷轉移。當停泊發電機供電時，只對部分負載供電。

圖1 電力推進系統單線圖

3 推進系統

推進系統為船舶航行提供推進動力。推進系統可完成船舶的圍網作業、進出港、航行等工況。推進系統中推進電機軸功率為1×1000 kW，轉速為1000 r/min。推進電機通過減速齒輪箱驅動螺旋槳。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。推進電機通過變頻器實現變頻調速，可在額定轉速范圍內平滑調速并長期運行。

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，當兩臺推進變壓器同時工作時，對于400 V交流電網相當于虛擬12 脈動整流，可大大降低電網的諧波。為了避免在變壓器投入時出現大沖擊電流，主推變壓器設有預充磁裝置。

推進變頻器是變頻驅動系統的控制核心，對不同工況下的推進負載變化進行最佳的動態控制和保護，從而保證推進系統的最佳性能和安全運行。推進變頻器將對推進電機進行轉速控制，使系統根據指令，連續調節推進電機的速度，驅動螺旋槳，使船舶平穩航行。推進變頻器的控制方式采用優化的脈寬調制方式。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、絕緣監測等保護。

2）功率控制功能

為了讓發電機的負載保持穩定，對推進負載進行功率控制、速度控制或轉矩控制。在功率控制模式下，推進電機的速度和轉矩能在最大限定值范圍內變化，控制系統將根據控制手柄給出的功率設定值，連續調節電機的速度和轉矩，保持功率的穩定。

3）功率限制功能

推進變頻器具備了發電機功率限制功能。如檢測到電網輸出功率達到某一限值（50%～100%，可設定），控制器將限制推進裝置的吸收功率，保證電網不會過載。同時，功率管理系統將起動備用發電機。當1臺或者數臺機組出現故障而跳閘時，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臺主發電機在網運行的情況下，也可起動推進裝置而不致造成電網過載。

4）預充磁控制功能

推進變頻器配備了預充磁控制功能。推進變壓器接通前，其控制預充磁變壓器向推進變壓器提供預充磁，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）預充電功能

推進變頻器配備了預充電功能，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，采用雙繞組設計，由變頻器驅動，能夠實現變頻調速，在轉速范圍內連續調節，在轉速范圍內均能長期運行，滿足推進系統對機械裝置和電氣設備的特殊要求。推進電動機各相繞組和軸承上都設置了溫度傳感器，可以連接到推進操控系統。

4 功率管理系統

功率管理系統對全船的功率實施統一優化管理，主要設備包括PMS主控制器、機組數據采集控制子站ET200M、發電機保護并車單元PPU及PMS人機界面等，通過現場總線PROFIBUS連接，組成功率管理系統（如圖2所示）。功率管理系統能根據負載的實時功率需求和電網的運行狀況對每臺柴油發電機組進行監控并協調各臺柴油發電機組的工作，動態調整對機組的控制指令，對供電分系統進行故障報警和處理，為電力推進系統及其他用電設備提供可靠、穩定及優化配置的電力能源[2]。

1) 機組的自動啟動

供電系統在網機組功率總和達到90%（可設定）額定功率總和，儲備功率不足，備用機組應自動啟動。備用機組的優先順序可人工設定。啟動成功達到投網電壓后自動投入的時間小于30 s。機組啟動指令的發出不超過三次，具有三次啟動失敗報警功能。當PMS收到一套機組啟動失敗信息后，則能自動將啟動指令轉至下一套備用機組，并發出報警信號。機組發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網絡連接圖

2) 機組投入和并聯運行

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。有預防措施，以避免兩個或兩個以上發電機組開關同時合閘。自動并聯后，具有有功功率自動分配功能。在機組正常工作時，保證任意發電機組長期并聯運行，當總負荷率在20%～100%和功率因數在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，頻率調節精度為50±0.5 Hz。當電網出現短路故障而造成在網發電機主開關脫扣時，在人工應答復位前防止各發電機組開關重新合閘。

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，均能平滑地自動轉移負荷。當解列發電機組經負荷轉移后，負荷率低于10%（可調），電流不超過30%In（可調）時發出分閘指令。被解列的發電機組在分斷發電機主開關并空載運行3 min后，按設定程序發出停機指令。

4) 發電機組起、停序列設定功能

通過母聯屏OP可設定供電系統各發電機組的自動起、停的優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備之前，用電設備應先向功率管理系統發出啟動請求，功率管理系統根據機組在網情況，判斷是否能滿足它們的用電和起動要求，若能夠滿足時，則發出啟動允許信號，允許啟動；若不能滿足時，則應在一臺備用發電機組啟動、并網且在網機組功率貯備足夠時，才發出啟動允許，允許它們投入電網用電。

6) 分級自動卸載功能

當電網在線負載的總用電量超過供電發電機的額定輸出能力，并持續一定的時間之后，應能自動將在線負載中的次要負載以四級的方式從電網分斷，以確保對重要負載的連續供電。

7) 人機界面監測功能

對電力系統重要參數的實時監控是實現PMS功能的前提保障（見圖3所示）。PMS可以根據電網的運行狀況、每套發電機組的運行情況，動態調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顯示：在母聯屏人機界面上動態實時監測柴油發電機組的運行狀態、母線的運行狀態、電能分配狀況等，同時可以在線修改PMS設置參數；

報警功能：對柴油發電機組進行動態實時故障報警監測，并對故障進行相應的處理；

圖形顯示：以動態圖形顯示電站系統，當情況異常時，予以變色或閃動；

報警窗口：當有報警時，彈出當前的報警信息小窗口。

圖3 功率管理系統主界面

5 推進操控系統

推進操控系統具備兩部分主要功能（見圖4所示），推進操控功能及監測報警功能。能夠同時控制每條推進支路，依靠優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、便捷地實現對船舶推進系統的各種操作。能夠監測推進系統內所有設備的運行狀態，確保推進系統的安全運行，并且將設備運行信息顯示給操作人員[4]。

推進操控系統能夠監測推進系統內所有設備（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，對冷卻風機等輔助設備進行相應的控制，同時結合推進控制功能，對系統設備進行相應的保護。

圖4 推進操控系統圖

6 結論

漁船多數采用單舵漿推進，從圖1可以看出，本系統采用兩臺變頻器同時驅動單臺雙繞組電機，機組的電制采用三相四線制，誘魚燈光系統和輔助系統無需采用單獨的輔助發電機組進行供電，而與主推進系統統一供電，實現了主推進、誘魚燈光系統和輔助系統電能的統一調配，使得漁船的裝機功率減少，造價降低。采用多臺機組組成發電系統，當某一臺發電機組故障時，其它發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，實現了船體布置結構靈活，實現了全船電力系統統一分配，有效解決了燈光圍網漁船動力性能差、節能環保性差、噪音和振動大等特點，為漁船動力系統的變革起到了指導意義。

[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PMS研究[J]. 中國航海, 2005，(3): 78－80.

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

[4] 鄭元璋, 冀路明, 李海量. 艦船綜合電力推進監控系統研究[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（1983－），男，碩士。專業方向：電力系統仿真、船舶電力推進系統技術。