珠江380客位雙體客船電力推進系統的設計

劉波濤，李岳洋，饒兆杰

(1．江蘇現代造船技術有限公司，江蘇 鎮江212003;2．廣州市客輪公司，廣東廣州510000)

0 引言

珠江是西江、北江、東江和下游支流的總稱，全長2 214 km，位居全國第四。因大小河流眾多、流域面積廣等特點，使珠江成為了除長江水系以外，航運業最發達的水系。而以珠江為平臺，逐步發展起來的水路運輸業及旅游業已成為了珠江三角城市群里重要的經濟增長點。同時珠江水系的入海口毗鄰港澳，特別是珠江下游的廣東省，位置極其優越。截至2016年底，廣州從事珠江水路旅游客運的船舶共54艘，年度客流量已經達到3 000萬人次左右，儼然已成為廣州城市風采的經典景觀。

目前珠江水系大部分游覽船的主機推進系統采用常規柴油機推進系統，以此產生較大的噪聲、振動、污染，大大影響了游客的舒適度，同時與兩岸現代化建筑極沿岸景觀及其不協調。為解決上述問題，本文研究的珠江380客位雙體客船的推進系統采用交流電力推進方式，具有配置靈活、操作性能好，振動和噪聲小的特點。

1 總體設計

珠江380客位雙體客船作為過江輪渡兼觀光游覽功能的一種新型游船，主要航行于珠江水系，其造型古典優美，具有嶺南特色。

為滿足船舶航程較短、停靠頻繁等諸多特點，同時通過對該船機槳匹配計算及電力負荷計算后，推進系統采用交流電力推進方式。在考慮船體線型的基礎上，在艉部設置2臺200 kW變頻推進電機，同時在機艙設置3臺330 kW發電機組為其提供電力供應。系統組成如圖1所示。

該船電站總功率為990 kW，屬于低壓電網的容量范圍，因此可采用400 V低壓電力系統。主電站由3臺330 kW交流發電機組組成，正常工況下為2臺330 kW發電機組長期并聯運行，也可以3臺并車連續運行。主配電板作為該船電站的輸配電裝置，肩負著保護全船發電、輸電、配電任務，起到配備完善的電流、電壓、頻率異常保護作用。

該船主配電板通過配備PMS系統來控制和管理本船的電網。PMS系統根據電網功率的需求合理配置整個電站系統，使整個電網在船舶任一工況下運行的效率最高。當PMS系統監測到在網功率不足時，根據預先設置自動啟動備用發電機組且能夠自動同步、自動合閘并車、自動進行負荷分配;同時當監測在網功率低于平均單臺發電機組功率35%時，能夠自動解列、自動延時150 s后停車。

2 推進系統設計

電力推進系統為該船提供動力裝置，滿足船舶的所有航行工況。該船通過推進電機連接齒輪箱和艉軸，與常規的主機直接推進相比，縮短了傳動軸的使用距離，降低了一定的機械損耗，從而提高了整體動力推進系統的運行效率。

該船電力推進系統由2條推進支路組成，每條推進支路單線圖如圖2所示。每條推進支路都由1臺三繞組整流推進變壓器、1臺交直交推進變頻器、1臺感應式推進電動機組成。同時每條支路在設計時均匹配相應的過流保護措施，以此來滿足船舶的快速響應功能。由于變頻器的介入使得該船推進電動機可以實現無級調速，船舶在加速過程中不會產生因換擋加速帶來的抖動，更有利于提高船舶的舒適性。2條獨立的12脈沖整流支路在整個電力推進系統形成1個虛擬24脈沖整流回路，此方式保證了400 V電網THD諧波分量不大于5%。

圖1 電力推進系統單線圖

圖2 支路推進控制系統單線圖

推進電機在調速傳動時，變頻器根據電動機的特性對供電電壓、電流、頻率進行適當的控制，不同的控制方式所得到的調速性能、特性以及用途是不同的。按系統調速規律來分，變頻調速主要有恒壓比控制、轉差頻率控制、矢量控制和直接轉矩控制等4種結構形式。該船采用脈沖寬度調制(PWM)矢量控制變頻器作為主要調速系統，通過分解電動機電流，并分別控制其轉矩分量和磁通分量，使其性能接近于直流電動機的動態特性。根據對實船運營情況分析，該船與公司其他客船相比，采用電力推進系統比采用常規推進系統效率至少提高6%。

3 諧波控制

推進變頻器是該船推進系統的核心裝置。該船變頻器采用脈寬調制型，整流器用二極管組成，逆變器用絕緣柵雙極晶體管組成，具有較強的熱穩定性和快速運算能力。

變頻器屬于非線性元件，在使用過程中會有諧波產生，這就使得變頻器輸入端和輸出端的電壓及電流在運行時會發生畸變，從而影響整個電力推進系統的正常運行。《鋼質內河船舶建造規范》要求交流電氣設備應能在供電電源的諧波成分不大于5%的情況下正常工作，所以應采取相應措施來降低諧波，使船舶具備良好的推進效果。

通過計算，該船最終采用容量為250 kVA的三繞組強制風冷整流變壓器，以匹配推進變頻器的容量。然而，該船在設計初期采用虛擬12脈沖推進方式，即每條推進支路為獨立的6脈沖整流方式，且經過計算各推進工況下電壓總諧波也能夠滿足規范低于5%的要求。圖3為采用虛擬12脈沖整流推進方式正常航行100%工況時電壓諧波計算分布圖和數值，圖4為采用虛擬24脈沖整流推進方式正常航行100%工況時電壓諧波計算分布圖和數值。

圖3 虛擬12脈沖正常航行100%工況時電壓諧波分布圖

根據圖3可以得出:電壓諧波總畸變率(THD)為 2．747%。

圖4 虛擬24脈沖正常航行100%工況時電壓諧波分布圖

根據圖4可以得出:電壓諧波總畸變率(THD)為0．715%。

根據《鋼質內河游船建造規范》的要求，本船諧波電壓、電壓諧波總畸變率分別按式(1)和式(2)進行計算。

諧波電壓含量UH定義為:

電壓諧波總畸變率THDu定義為:

式(1)～式(2)中:Un為第n次諧波電壓均方根值;U1為基波電壓均方根值。

通過計算結果可以看出，雖然2種推進方式的電壓諧波均滿足規范最低要求，但是在該船采用虛擬24脈沖整流推進方式的電壓諧波分量遠小于采用虛擬12脈沖整流推進方式。在電源質量上，12脈波變頻裝置相比于6脈沖變頻裝置具有系統響應速度快、諧波含量少、損耗降低、轉矩脈動低等優點。其缺點是所需電子元件數量大，6脈沖電路需要36個晶閘管，而12脈沖電路需要72個晶閘管，因而增加了成本。

由于該船航行于珠江航段，主要從事高端水上旅游業，船東對船舶的品質、電源的品質均要求較高，因此該船最終采用虛擬24脈沖推進方式。

4 監控系統

監測報警系統實現對全船重要設備的監測和報警。監測報警系統由集控臺與采集柜組成。在集控室設有集控臺與采集柜，采集柜用于采集設備狀態參數與報警，集控臺用于實時顯示、報警、記錄等。監測報警系統與推進系統、配電系統由Profibus DP網絡進行連接，收集各分系統狀態和監測參數。

該船綜合監測報警系統是基于工業計算機、PLC控制器、工業以太網及Mod BusRTU現場總線的模塊化設計概念的系統。通過FMEA(故障模式分析FMA和故障影響分析FEA)，為了獲得更高的可靠性，工作站、網絡結構均采用雙冗余配置，現場數據采集控制箱自帶CPU完全獨立運行而不依賴工作站。而推進控制系統能夠實時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。

5 結語

內河航道與海洋航線相比，具有彎道較多、深淺不一、航道狹窄等特點，且珠江內河航運通常相對繁忙，需要不斷地避讓過往船舶，同時靠離碼頭也比較頻繁，因此，船舶采用電力推進方式可以滿足運營要求。該雙體客船電力推進方式具有機組配置靈活，操作性能、排放特性和經濟性好，振動和噪聲小等優點。隨著該船投入運營，必將給沿岸城市帶來良好的環境較高的和經濟效益。

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