燈光圍網漁船電力推進系統(tǒng)設計

劉文達，竇曉峰

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

0 引言

當前世界漁業(yè)產業(yè)結構中仍以近海捕撈為主，但許多已開發(fā)多年的老漁場越來越擁擠，資源日益枯竭。不少發(fā)展中國家由于人口多，資源少，漁業(yè)發(fā)展陷入魚越捕越少、越少越限制、越限制越窮的惡性循環(huán)中，因此不得不尋找新的漁場。盡管世界漁業(yè)的資源量在衰退，而漁獲量卻在增加，這主要得益于科學技術的推進。另一方面，那些發(fā)達國家，即使本國近海的漁業(yè)資源仍較豐富，其資源量也能保證捕撈業(yè)較長時期持續(xù)利用，但為了保護了本國資源，也紛紛轉向了遠洋漁業(yè)，利用它國資源和公海、大洋資源。

圍網作業(yè)是根據(jù)捕撈對象集群的特性，利用長帶形或一囊兩翼的網具包圍魚群，采用圍捕或結合圍張、圍拖等方式，迫使魚群集中于取魚部或網囊，從而達到捕撈目的。當今圍網作業(yè)是開發(fā)中上層魚類資源的主要漁具之一，世界圍網漁業(yè)的年漁獲量約占海洋捕撈總漁獲量的 20%～30%，在海洋漁業(yè)中占有重要地位。20世紀70年代以來圍網漁船發(fā)展總趨勢是采用大型漁船，航程遠，功率大，航速快。

隨著捕撈作業(yè)精細化和遠洋化發(fā)展，致使海洋資源一定程度的縮減，圍網作業(yè)對漁業(yè)船舶便提出了更高的要求，主要包括振動噪音要求、捕撈作業(yè)精細化、可靠性、環(huán)保節(jié)能等，自動化程度高，操作簡便。采用電力推進的高科技漁業(yè)船舶開始有了市場，電力推進方式越來越顯示出其優(yōu)越性，成為未來船舶動力裝置的發(fā)展方向。

1 系統(tǒng)組成

漁船綜合電力推進系統(tǒng)實現(xiàn)全船的供電、推進及操控功能，根據(jù)功能劃分為2個分系統(tǒng)：供電系統(tǒng)、推進控制系統(tǒng)。一般電力推進系統(tǒng)的大致組成參見如下示意圖：

圖1 電力推進系統(tǒng)的組成示意圖

1.1 供電系統(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機組一套、主配電板1套、功率管理系統(tǒng)（Power Management System PMS）1套。PMS是供電系統(tǒng)的控制核心，根據(jù)功率的需求對每臺柴油發(fā)電機組進行監(jiān)控并協(xié)調各柴油發(fā)電機組的工作，并可以對供電系統(tǒng)進行故障報警和處理，確保船舶的安全性。PMS主要實現(xiàn)以下功能：

1.1.1 機組的自動啟動

供電系統(tǒng)在網機組功率總和達到90%（可在PMS系統(tǒng)的OP面板上設定，見軟件設計）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(yōu)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(fā)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(fā)出報警信號。系統(tǒng)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。

1.1.2 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。

自動并車主要技術指標：合閘頻差可調范圍為：±0.1 Hz～0.5 Hz；合閘電壓差:≤5%UN；允許合閘相角差：0～10°。

1.1.3 三相電流不平衡報警保護

漁船上使用金屬鹵化物燈作為誘魚燈，220 V供電，功率達320 kW。為了降低投資和節(jié)省艙室空間，本供電系統(tǒng)采用了三相四線制，誘魚燈直接從發(fā)電機輸出主回路的中線和相線取220 V電壓使用，誘魚燈投入組合不合理將導致三相不平衡，存在中線電流的情況，同時可能引起電壓波動，進而可能影響機組同步，且可能引起單相過載情況。針對可能的過載情況，在PMS設計中，實時監(jiān)測三相電流、電壓，進行三相不平衡報警，在三相不平衡時，適當提高電站功率儲備，降低在線機組的負荷率，確保機組各相均不過載，確保電站供電連續(xù)性。

1.2 推進控制系統(tǒng)

推進系統(tǒng)為船舶航行提供推進動力。推進系統(tǒng)可完成船舶的進出港、航行和捕魚作業(yè)等工況。推進系統(tǒng)由推進變壓器，推進電機，推進變頻器組成。為保證系統(tǒng)的安全可靠性，推進系統(tǒng)的還具有如下限制：

1）力矩限制

力矩限制一般在轉速控制模式下進行，即當實際轉速np小于給定轉速時推進電機力矩可以上升；一旦過載，立即進行力矩限制。

2）功率限制

推進電機運行過程中，輸出功率必須小于最大功率，且在運行過程中保證電網實際功率限制在電網可用功率的90%之內。所以功率限制不僅在推進電機實施功率過載情況下實施保護，而且保證電力推進實驗系統(tǒng)的供電網運行穩(wěn)定。

3）轉速限制

推進電機的轉速與螺旋槳匹配，一旦轉速超過電機的額定轉速，立即限制轉速。

電力推進系統(tǒng)機械特性圖如下：

圖2 電力推進系統(tǒng)機械特性圖

可以看出，電推系統(tǒng)特別適應漁船拖網運行工況下的低速大轉矩負荷要求。

2 設計過程中的計算

為滿足系統(tǒng)推進功率要求，本船電力推進系統(tǒng)內設備間的參數(shù)匹配非常關鍵。為此進行了短路電流計算、諧波計算等對系統(tǒng)的可靠性驗證。

2.1 短路電流計算

短路電流計算書采用CCS COMPASS SRE01計算軟件《船舶與海上設施短路電流計算》依照CCS規(guī)范進行計算，計算電力系統(tǒng)圖如下。

圖3 短路計算模型

表1 0.5 T計算結果匯總

2.2 諧波計算

表2 諧波計算結果

3 軟件設計

本系統(tǒng)軟件分為 PLC軟件，觸摸屏界面軟件，IPC軟件三類。PLC軟件PLC中的控制程序用西門子STEP7 V5.5編程語言編制，觸摸屏中的畫面設計用WinCC Flexible軟件設計。IPC軟件采用Visual C++編制。

3.1 PMS監(jiān)控系統(tǒng)PLC軟件設計

PMS程序結構如下：

圖4 PMS控制程序結構示意圖

3.2 控制系統(tǒng)的PLC軟件

PCS控制系統(tǒng)的PLC軟件設計按照如下的狀態(tài)圖跳轉作為控制方法編寫。

圖5 狀態(tài)圖跳轉

圖6 單線圖

3.3 觸摸屏人機界面軟件

本系統(tǒng)設計了人性化的觸摸屏人機界面，方便船員操作和實時掌握推進系統(tǒng)及供電系統(tǒng)各設備信息，頁面包括單線圖，機組，電氣參，數(shù)參數(shù)設置，報警信息。

3.4 工控機軟件界面

工控機人機界面如下：

圖7 工控機人機界面

4 結束語

本燈光圍網漁船電力推進系統(tǒng)是個高度自動化的系統(tǒng)，在電站管理方面集人工經驗，電力系統(tǒng)自動化和檢測技術于一體，推進變頻器的功率控制功能使得船舶在惡劣的海況及復雜作業(yè)條件下保護船舶動力裝置的安全，并保證船舶有穩(wěn)定可靠的電力來源。電推系統(tǒng)操縱靈活，正車倒車無縫切換，轉矩、轉速響應快，適應動力定位需求，在較低航速工況下比較節(jié)能減排，且在全壽命周期運營費用低，這一系列優(yōu)點使得電力推進系統(tǒng)成為越來越多包括漁船在內的民用船舶較優(yōu)選擇。

[1]俞文勝.船舶綜合電力推進系統(tǒng)綜述.世界海運，2007,30(3): 43～45.

[2]鄭元璋,冀路明等.船舶綜合電力推進監(jiān)控系統(tǒng)研究.中國航海,2005,(4): 83～86.

[3]B.Chandrasekaran.On evaluating Ar tificial intelligence for medical diagnosis.AI Magazine,1983.

[4]Q F Wu,G Meng.Compound rub malfunctiongs feature extraction based on full-spectrum cascade analysis and SVM.Mechanical Systems and Signal Processing,2006,20: 2007～2021.

[5]鄭明.自備電站智能控制及優(yōu)化的設計與實現(xiàn).機電技術,2010,33(1): 1～3.