溢油回收船電力推進(jìn)系統(tǒng)功率限制功能設(shè)計(jì)

黃 磊，李進(jìn)科，邵 赟

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溢油回收船電力推進(jìn)系統(tǒng)功率限制功能設(shè)計(jì)

黃 磊，李進(jìn)科，邵 赟

（武漢武船船舶設(shè)計(jì)有限公司，武漢 430060）

變頻器功率限制功能是保證電力推進(jìn)系統(tǒng)安全運(yùn)行不可或缺的一環(huán)，本文針對萬噸級溢油回收船電力推進(jìn)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種新的功率限制算法及相應(yīng)硬件接口，最后通過實(shí)船驗(yàn)證，表明該功能設(shè)計(jì)滿足萬噸級溢油回收船電力推進(jìn)系統(tǒng)安全性要求。

電力推進(jìn) 變頻器 功率限制

0 引言

溢油回收船是溢油回收的專用船舶，是溢油污染事故有效控制和快速處置的重要工具。據(jù)報(bào)道，目前國內(nèi)最大的溢油回收船是2015年武船為上海打撈局建造交付的大型溢油回收旗艦船“德澋號”，該船排水量4000噸。隨著我國石油需求的大幅增長，密集的海上石油運(yùn)輸使得船舶溢油事故的風(fēng)險(xiǎn)日益增加，船舶溢油應(yīng)急處理能力嚴(yán)重不足，水上溢油應(yīng)急力量亟待加強(qiáng)，對萬噸級溢油回收船的需求已迫在眉睫。

隨著溢油回收船噸位不斷增加，電站容量也不斷增大，對萬噸級溢油回收船電力推進(jìn)系統(tǒng)的安全性也提出了更高的要求。當(dāng)前電力推進(jìn)船舶推進(jìn)系統(tǒng)廣泛采用變頻驅(qū)動，其功率限制功能是保證電力推進(jìn)系統(tǒng)安全運(yùn)行不可或缺的一環(huán)，因此有必要對其進(jìn)行詳細(xì)研究設(shè)計(jì)[1，2]。

1 系統(tǒng)組成

圖1為本船系統(tǒng)單線圖，如圖所示，共設(shè)4臺690 V/2600 kW主發(fā)電機(jī)組，2套3000 kW主推進(jìn)器，2套1300 kW側(cè)推進(jìn)器，主側(cè)推進(jìn)系統(tǒng)均采用變頻驅(qū)動控制系統(tǒng)，電動機(jī)采用變頻器驅(qū)動，變頻器通過移相變壓器接入船舶電網(wǎng)，構(gòu)成虛擬24脈沖整流，可以有效減少系統(tǒng)諧波。另外系統(tǒng)配置1臺690 V/400 kW停泊發(fā)電機(jī)組及1臺400 V/150 kW應(yīng)急發(fā)電機(jī)組。

主配電板（MSB）內(nèi)配置有功率管理系統(tǒng)（PMS），用于控制和管理本船的電網(wǎng)。PMS根據(jù)功率的需求對每臺主發(fā)電機(jī)及推進(jìn)控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控并協(xié)調(diào)各發(fā)電機(jī)的工作，可以對供電系統(tǒng)進(jìn)行故障報(bào)警和處理，為推進(jìn)系統(tǒng)和其他用電設(shè)備提供可靠、穩(wěn)定及優(yōu)化配置的電力能源。在供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，PMS會采取各種措施，盡可能保證對負(fù)載的連續(xù)供電，避免電站斷電，確保船舶的安全性。PMS還可監(jiān)測停泊發(fā)電機(jī)的狀態(tài)和報(bào)警。

圖1 電力推進(jìn)系統(tǒng)單線圖

2 功率限制功能概述

電力推進(jìn)船舶的主要負(fù)荷為推進(jìn)功率消耗，其一般可以占到全船機(jī)組容量的70%以上，對于如此巨大的負(fù)荷，推進(jìn)系統(tǒng)變頻器具備功率限制功能是必要的，這樣可以實(shí)現(xiàn)對機(jī)組的過載保護(hù)[3]。

變頻器功率限制功能包括動態(tài)功率限制和快速功率限制。動態(tài)功率限制是指當(dāng)機(jī)組可用功率不足（負(fù)荷率過高）時(shí)，推進(jìn)系統(tǒng)能夠動態(tài)限制推進(jìn)功率，防止機(jī)組過載停機(jī)等嚴(yán)重故障產(chǎn)生。快速功率限制是指當(dāng)在網(wǎng)機(jī)組處于高負(fù)荷，某臺機(jī)組突然故障停機(jī)或主開關(guān)突然分閘等外部嚴(yán)重故障時(shí)，推進(jìn)系統(tǒng)能夠快速限制推進(jìn)功率，防止剩余在網(wǎng)機(jī)組過載停機(jī)，避免全船失電的發(fā)生。

3 功率限制功能設(shè)計(jì)

3.1 硬件接口設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)功率限制功能，變頻器需要知道外部電力推進(jìn)系統(tǒng)相關(guān)狀態(tài)，硬件接口如圖2所示。

變頻器功率限制功能實(shí)現(xiàn)的主體為變頻器和功率管理系統(tǒng)（PMS），其接口主要包括功率管理系統(tǒng)發(fā)送給變頻器的各機(jī)組負(fù)荷率（4~20 mA模擬量）和在網(wǎng)狀態(tài)（開關(guān)量），另外還有變頻器發(fā)送給操控系統(tǒng)的功率限制狀態(tài)（開關(guān)量）。

變頻器控制單元通過采集所有機(jī)組負(fù)荷率及在網(wǎng)狀態(tài)，根據(jù)變頻器功率單元當(dāng)前的功率輸出值計(jì)算出功率限幅值發(fā)送到變頻器功率單元，實(shí)時(shí)調(diào)整變頻器輸出功率，同時(shí)發(fā)送功率限制狀態(tài)到推進(jìn)操控系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的系統(tǒng)保護(hù)。

圖2 變頻器功率限制功能接口

3.2 軟件程序設(shè)計(jì)

3.2.1 動態(tài)功率限制

動態(tài)功率限制是指當(dāng)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，變頻器實(shí)時(shí)監(jiān)測機(jī)組負(fù)荷率，當(dāng)監(jiān)測到某臺機(jī)組負(fù)荷率過高（例如95%）時(shí)，即時(shí)限制變頻器輸出功率，保證機(jī)組安全運(yùn)行，具體流程圖如圖3所示。

圖3 動態(tài)功率限制軟件流程圖

如上圖所示（前提為所有機(jī)組之間有功分配良好，平衡度滿足船規(guī)要求），變頻器不間斷采集所有在網(wǎng)機(jī)組負(fù)荷率并進(jìn)行判斷，當(dāng)機(jī)組最大負(fù)荷率達(dá)到95%時(shí)，開始進(jìn)行動態(tài)功率限制流程，逐漸降低變頻器輸出功率，同時(shí)機(jī)組最大負(fù)荷率也會隨之降低。直到機(jī)組最大負(fù)荷率下降到85%，變頻器功率限制釋放，然后繼續(xù)循環(huán)上述流程。

功率限制值采用斜坡函數(shù)處理，所有功率限制生效的環(huán)節(jié)，功率限制值垂直下降，所有功率限制釋放的環(huán)節(jié)，功率限制值按固定斜率上升。

3.2.2 快速功率限制

快速功率限制主要用于當(dāng)外部系統(tǒng)導(dǎo)致的嚴(yán)重故障，例如某機(jī)組故障停機(jī)、母聯(lián)開關(guān)分?jǐn)嗟龋冾l器可以快速降低變頻器輸出功率，以保證剩余在網(wǎng)機(jī)組安全運(yùn)行，防止全船失電等更嚴(yán)重事故發(fā)生，具體流程圖如圖4所示。

圖4 快速功率限制軟件流程圖

如上圖所示，變頻器不間斷采集所有機(jī)組在網(wǎng)狀態(tài)及在網(wǎng)機(jī)組負(fù)荷率并進(jìn)行判斷，當(dāng)負(fù)荷率大于50%的機(jī)組數(shù)量發(fā)生跳變時(shí)，根據(jù)嚴(yán)重程度分為三級快速降負(fù)荷，即在當(dāng)前變頻器輸出功率的基礎(chǔ)上按不同系數(shù)進(jìn)行快速功率限制。一級快速降負(fù)荷系數(shù)最小，三級快速降負(fù)荷系數(shù)最大，在兼顧機(jī)組安全的前提下，最大限度減少因快速降負(fù)荷而導(dǎo)致的推進(jìn)功率跌落，具體系數(shù)需要按實(shí)際情況進(jìn)行整定[4]。

功率限制值采用斜坡函數(shù)發(fā)生器處理，快速功率限制生效的環(huán)節(jié)，功率限制值垂直下降。快速功率限制生效后延時(shí)5 s轉(zhuǎn)動態(tài)功率限制程序。

3.2.3 功率限制狀態(tài)判斷

功率限制狀態(tài)判斷的主要依據(jù)是比較變頻器實(shí)際輸出功率和功率限制值，當(dāng)變頻器實(shí)際輸出功率大于或等于功率限制值時(shí)，認(rèn)為處于功率限制狀態(tài)，置該位（硬線或通訊）為1，同時(shí)操控面板上“功率限制”狀態(tài)燈亮起。具體流程圖如圖5所示。

4 理論分析及實(shí)船驗(yàn)證

圖5 功率限制狀態(tài)判斷軟件流程圖

圖6 功率限制期間變頻器輸出功率曲線

圖6所示為理論上功率限制時(shí)變頻器輸出功率隨時(shí)間變化的曲線。如圖所示，0~15 s時(shí)變頻器恒定功率輸出，第15 s時(shí)，機(jī)組主開關(guān)發(fā)生跳閘，變頻器進(jìn)行快速降負(fù)荷，降低到某一較低水平。5 s后，轉(zhuǎn)為動態(tài)功率限制，變頻器輸出功率按一定斜率上升，同時(shí)機(jī)組最大負(fù)荷率同步上升，當(dāng)機(jī)組最大負(fù)荷率達(dá)到95%時(shí)，變頻器按一定周期逐步減小輸出功率，直到機(jī)組最大負(fù)荷率降低到85%，然后變頻器輸出功率按一定斜率上升。

上圖所示僅為本功率限制功能的過程分析，其動態(tài)功率限制對機(jī)組的負(fù)荷影響還是較大，存在不穩(wěn)定因素。動態(tài)功率限制過程依賴于變頻器控制單元本身的計(jì)算性能，其計(jì)算性能越強(qiáng)，循環(huán)周期越快，動態(tài)功率限制過程可以越精細(xì)，可以實(shí)現(xiàn)5%以內(nèi)的機(jī)組負(fù)荷率波動（忽略其他船用負(fù)荷影響），大大減小對機(jī)組的負(fù)荷影響[5]。

5 總結(jié)

通過對變頻器功率限制功能軟硬件詳細(xì)設(shè)計(jì)分析及實(shí)際驗(yàn)證，表明變頻器功率限制功能成功實(shí)現(xiàn)，效果良好，為萬噸級溢油回收船的安全可靠運(yùn)行提供了保證。

[1] 王兆安, 黃俊. 電力電子技術(shù)(第四版). 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2000.

[2] 鄧星鐘主編. 機(jī)電傳動控制(第三版). 武漢: 華中科技大學(xué)出版社, 2001.

[3] 海定廣, 孫興旺編. 電氣拖動基礎(chǔ)(第二版). 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 1998.

[4] 陳伯時(shí)主編. 電力拖動自動控制系統(tǒng)(第二版). 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1992.

[5] 李華德, 楊永立. 異步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng). 變頻器世界, 2007.

Design of Power Limit Function of Electric Propulsion System for Oil-spill Recovery Ship

Huang Lei, Li JinKe, Shao Yun

（Wuhan Shipbuilding Design Co., Ltd., Wuhan 430060, China）

U664.91

A

1003-4862（2017）06-0016-04

2017-03-13

黃磊（1974-），男，研究員級高級工程師。研究方向：電磁測量技術(shù)及儀表。E-mail: 591346513@qq.com