電力推進系統功率限制控制策略在實船項目中的應用

高志光

（上海南車漢格船舶工程有限公司，上海 200433）

電力推進系統功率限制控制策略在實船項目中的應用

高志光

（上海南車漢格船舶工程有限公司，上海 200433）

采用電力推進的船舶中，推進系統是作為主要負載直接連接在船舶電網上，推進負荷的突變和電網結構的突變可能引起柴發機組過載、電網震蕩甚至全船失電，此時船舶會面臨失控的危險，甚至會傾覆，因此推進控制系統必須要與船舶電站進行協調控制，確保船舶電站的穩定和安全。本文針對以上存在的問題通過案例來引入功率限制的控制策略，并分析其實現過程和可行性，最后通過一些試驗證明此方案確實可行。

功率限制；電力推進；變頻器；船舶電站

0 概述

采用電力推進方式的船舶中，推進系統是整個船舶電站系統中主要的負荷。在惡劣海況下航行時，當船舶電站所有負荷同時滿功率運行，由于外部環境的不確定性及負載的異常出現，可能會造成在網發電機組的瞬時超負荷運行，這種狀態的反復出現可能會引起整個船舶電站的振蕩甚至崩潰。系統正常滿負荷運行過程中可能會出現某 1臺或幾臺發電機組的自身故障所引起突然的非正常脫扣或停機而導致船舶電站瞬時運行在超負荷狀態，這種狀態也同樣會引起整個船舶電站系統的崩潰[1]。為了確保船舶電站的穩定和安全，避免出現在惡劣海況下造成船舶傾覆等重大海難，推進控制系統必須要與船舶電站之間進行協調控制，其主要控制策略就是引入推進功率限制功能。該控制策略通過基于可用功率的推進系統功率限制技術[2]，配合發電機組異常跳閘等異常事件監測為基礎，進行快速功率限制設計，確保船舶電站供電連續性，避免船舶動力喪失。基于可用功率的功率限制技術以下簡稱“動態功率限制”，而基于發電機組異常跳閘等事件的快速降負荷設計以下簡稱“快速功率限制”。

1 項目背景

本文以一艘40t浮吊救援工作船（簡稱浮吊船）項目為例對“功率限制”技術進行闡述，該電力推進系統由上海南車漢格船舶工程有限公司集成并提供。本船是由國家安全總局出資，委托重慶長航東風船舶工業有限公司設計并制造的一艘具備自航能力的起重救援工作船，內河航行，吊機起吊能力40t，主要用于三峽庫區的救援。本船總長59.8m、型寬18.0m、型深3.2m、設計吃水1.6m，采用的雙機雙槳電力推進形式，由變頻器來驅動異步電機進行變頻調速驅動減速齒輪箱，經由減速齒輪箱改變螺旋槳的轉向。電力推進系統中變壓器、變頻器、變頻電機、遠程電力推進PLC控制柜及遠程操作站的設計制造符合中國船級社（CCS）的最新規范要求。

1.1 電力推進系統單線圖

電力推進系統單線圖，如圖1所示。

本船配置2臺600kW主發電機組和1臺30kW的停泊發電機組。船上的主要負載有2臺500kW電力推進；1臺300kW變頻驅動的40t吊機；錨絞機、泵、風機、照明、助航設備和其它小負載共計150KW。

圖1 40t浮吊船電力推進系統單線圖

1.2 工況

本船工況如表1所示。

表1 40t浮吊船工況說明

由表1可知，在停泊工況和船舶拋錨起重工況，推進系統停止工作，無需進行船舶電站功率限制；航行工況下吊機不會工作，2臺發電機組總功率為1200kW，總負載為1000kW+150kW，正常情況不會存在過載情況，但是當 1臺發電機組出現異常跳閘時，有可能引起船舶電站過載甚至重載，此時需要推進系統進行“快速功率限制”，即快速限制輸入功率，減少對船舶電站能量的需求，以確保船舶電站安全和穩定；當單臺發電機組向全船負荷供電時，電力推進系統輸入功率限定值設置為某一固定值，當實際輸出功率值超過此固定值時將被限制輸出，將避免輸出功率過大引起電站超載。而在吊機工作且需要穩船狀態下，母排處于并聯運行，“快速功率限制”和“動態功率限制”隨時可能由于船舶航行環境及負荷的變化而發生，需要通過一定的控制策略進行限制性保護。

2 功率限制控制策略

圖2是本船功率限制控制等相關設備結構示意圖。電力推進控制系統作為功率限制控制中心，接受來自配電板功率管理系統（簡稱PMS）的可用功率信號和快速限制信號，通過綜合計算，輸出功率限制值給變電力推進控制系統執行功率限制策略。

圖2 推進功率限制拓撲結構示意圖

動態功率限制原理是，在電力推進系統所需輸出功率發生變化或其它船用輔助設備負荷發生變化時，PMS實時監測船舶電站可用功率，若可用功率為零，則需對推進輸出功率進行限制，推進功率將限制在一定固定值保證可用功率大于零，單船舶電站可用功率超過一下限值后，取消推進功率限制。

電力推進控制系統控制程序流程圖如圖3所示。當收到PMS過來的快速限制信號時，則系統優先采取“快速功率限制”方法，如快速限制信號消失或沒有接收到快速限制信號則采取“動態功率限制”方法。

3 試驗波形

3.1 動態功率限制

根據圖3所示程序流程圖，將PMS檢測到的實時可用功率（-600kW～+1200kW）與通過傳感器檢測到的電機實際輸出功率作為電機可輸出的最大功率，即電機功率限制值。例如某一時刻，可用功率為-100kW，電機實際功率為300kW，則電機輸出最大功率應該限制為200kW，使得船舶電站可用功率增加100kW，不再為負值。很明顯，當系統處于動態功率限制狀態，推進功率將不隨司控器操作指令的增加而增加，直到可用功率變為正值且功率限制功能退出運行。

考慮到推進功率時刻隨船舶航行的環境（風、浪、流等）變化而變化，且船舶電站供電的其他船舶輔助設備負載也可能頻繁變化[3]，致使可用功率信號頻繁在調整和波動，如果動態功率限制直接依據此信號調節，勢必導致推進功率的波動，而推進功率波動反過來又使可用功率波動，可能引起船舶電站震蕩。對于此現象，在實際應用中采取了對限制功率值進行濾波[4]，使得動態功率限制調節的頻度降低，保證系統穩定性。如圖4所示為限制功率值濾波前后對照，其中黃色線代表濾波后曲線，相比綠線代表的濾波前曲線震蕩減少，明顯平滑。

圖3 電力推進系統功率限制控制流程圖

圖4 限制功率值濾波前后對照

3.2 快速功率限制

在船舶發電機組并網運行過程中，如果某一套發電機組斷路器由于異常或故障發生跳閘現象，就會引起剩余并網發電機組瞬時出現超負荷現象，這就要求必須快速減少船舶電站電力系統載荷，電站管理系統為避免剩余發電機組跳閘而引起整個發電站組解列，發生不可預期的后果。由于要求電力系統保護響應的快速性，前面所述的動態功率限制難以在非常短的時間內降低電力推進系統的輸出功率，以緩解整個船舶電站的負荷壓力，不夠快速原因有兩個：其一，正如提及動態功率限制功能中增加了濾波模塊，它的應用導致系統響應延遲；其二，電力推進控制接受可用功率信號存在延時，約500ms-600ms，這么大的延時足以使發電機組由于超于其過載能力而出現宕機。因此在這種情況下必須采用更為有效的功率限制方式，即快速功率限制策略。

根據圖5所示，快速功率限制作用過程為：當某一套發電機組斷路器發生跳閘現象時，PMS通過硬連接線將一個對應的快速限制信號傳輸給電力推進控制系統，此時電力推進控制系統將直接對變頻器給出輸出功率180kW（147500ms時刻）的限制值，延遲10s后（157500ms時刻），限制值將以1000kW/min的速度上升至250kW（從157500ms時刻至161500ms時刻約4s），保持穩定，直到快速限制信號消失。

從圖5中還可得出一些有益的數據：

1）變頻器在功率管理和控制方面具有高度的靈活性，能夠在50ms到100ms內增加或減少功率消耗，例如電壓源型逆變器的動態響應時間小于50ms，而可控硅整流器（SCR）、周波變頻器和電流源逆變器的動態響應時間約100ms左右。從圖6左圖中可看出變頻器功率從450kW降到180kW時間大概為20ms。

2）變頻器接受到的可用功率滯后于實際值500ms～600ms。從圖6右圖中可看出可用功率變化滯后于實際功率變化500ms左右，而實際的可用功率應該和實際功率同步。

圖5 快速功率限制時可用功率、實際功率和功率限制值波形

圖6 快速功率限制局部放大圖

3.3 試驗結論

通過以上一些試驗數據和試驗結果，關鍵有以下幾點需要說明：1）限制值的設定和選擇，快速限制初始值分別設定在180kW和250kW，根據對不同設定值的試驗結果來看，過大容易使系統不穩定，過小達不到快速功率限制的目的，影響船舶航行安全；最終通過試驗和實際航行的數據分析，快速限制最終值設定在 250kW，考慮極端情況下，船舶電站會在一臺發電機組運行情況下持續為全船提供電力，此時電站總功率為600kW，兩臺推進電機共可輸出500kW推進功率，保證船舶低速航行并就近安全靠港，預留100kW電力供其它輔助設備使用，從實際應用上較為合理；2）延遲10s的設定，主要考慮防止過快恢復造成電網的振蕩，其時間多少根據發電機組特性可在實際調試過程中酌情調整。3）限制值上升速率 1000kW/min，從180kW上升至250kW約4s時間，同樣考慮減少對船舶電站的沖擊或防止振動。

4 總結

電力推進系統在船舶電站中作為主要負荷，它的快速性和響應直接影響著船舶的安全，特別是功率限制功能的應用更是關鍵，本文通過實際項目的實施和大量的航行試驗，充分驗證了所實施的方法和控制策略的有效性和可靠性，在確保船舶電站能夠穩定運行以及船舶的可靠航行方面提供了非常重要的保障，在同類型應用中達到了國內先進水平，得到了客戶的充分認可和很高的評價，有望在國內電力推進系統項目中得到推廣和應用。

[1]方萌,史濤,吳斐文.電力推進系統技術分析與評價方法.船舶,2002(6):52-54.

[2]高海波,高孝洪,陳輝.船舶電力推進幾種典型方式的比較 航海技術2006(6):54-57.

[3]沈愛弟,褚建新,康偉.內河船舶電力推進系統設計.上海海事大學學報,2009(6):20-24.

[4]李京煒.淺談船舶電站自動化系統設計與實現.科技創新與應用2012(8):95.

Application of Power Limitation Control Strategy in Electric Propulsion System On Real Ship

GAO Zhi-guang
(Shanghai CSR Hange Shipping Engineering Co.Ltd,Shanghai 200433,China)

The electric propulsion system is directly connected with the ship power station as the main load.Discontinuous propulsion load and the abnormal power station can lead to generator set overload,grid turbulence and even the whole ship power-loss.Now the ship will face the risk of out of control,even capsized,so the propulsion control system must be coordinated control with ship power station,ensure security and stability of ship power station.In this paper,power limit control strategy is introduced to solve the above mentioned problem,and its implementation procedure and feasibility are analyzed.Finally,this scheme is proved to be feasible by some experiments.

power limitation; electric propulsion; variable-frequency drive; ship power station

U664

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.04.005

高志光（1977-），男，碩士研究生，研究方向：電力傳動系統在船舶推進系統及甲板機械中應用。