“粵劇紅船”電網及電力推進系統設計

常紅艷 危成亮

摘 要：隨著節能減排要求的提高，船舶采用電力推進將越來越普及。全回轉舵槳電力推進具有舵槳一體化、操縱性能良好、振動噪音小等優點，尤其適用于內河等機動操縱受限的船舶。“粵劇紅船”采用全回轉舵槳電力推進裝置，大幅度提升了旅客觀光體驗的舒適性。

關鍵詞：全回轉舵槳電力推進；諧波控制

中圖分類號：U664.14 文獻標識碼：A

Abstract： With increasingly demanding on environmental protection， the application of electric propulsion system will become more and more popular. Azimuth thruster & electric propulsion system with the function of steering gear and oar has good maneuverability， especially suitable for vessels in river with restricted maneuverability. Azimuth thruster & electric propulsion unit is used on the tourist boat named YUE JU HONG CHUAN， which effectively reduces the vibration noise and greatly improves the comfort of the tourists' sightseeing experience.

Key words： Azimuth thruster & electric propulsion； Harmonic control

1 引言

“粵劇紅船”為廣州市新型旅游表演觀光船，主要用于珠三角內河航道日夜游中進行粵劇表演、觀光等。本船設計圍繞“最大舞臺空間、最優舞美效果、最佳乘坐體驗、最好安全舒適”的目標，通過技術創新與藝術創作深度融合，將“紅船”設計成為奇妙的水上劇場。

該船采用電力推進除在經濟性、操縱性、安全性、節能減排方面具有顯著優勢外，最重要的是降低了推進振動噪音，為游客舒適的觀光體驗創造了條件。

2 電力推進系統組成

該船全回轉電力推進系統主要由柴油發電機、主配電板、推進變頻器、推進電機、全回轉舵槳以及監控系統等組成：

（1）柴油發電機（3臺）：型號為D16MG-HE；電制為 AC400 V、3相、50 Hz、400 kW；

（2）主配電板（1座）：含發電機屏/3屏；屏聯絡開關&同步屏/1屏；推進電機供電&AC380V; 負載屏/2 屏；AC220 V 負載屏/1 屏）；

（3）推進變頻器（2套）：型號為ACS800-37LC-350-3；額定輸出電流 480 A、供電電壓 400 VAC± 10%；供電頻率/輸出頻率 50± 2 Hz/0～50 Hz；

（4）推進電機（2套）：型號為M3BP 355；輸出軸功率 230 kW、額定轉速 1 488 r/min；電制為 3相、AC380 V、448 A；

（5）全回轉舵槳（2套）：型號為SZP30A；額定輸入功率 230 kW、額定輸入轉速 1 500 r/min；變頻電機帶動蝸輪蝸桿360°轉舵；

（6）主要監控系統：推進控制及監測系統（PCS）；電站管理系統（PMS）；UPS等。

3 供配電系統

相對其他游覽船而言，該船除正常航行設備用電外，還搭載有升降舞臺、海盜船、移動馬道、移動戲樓、移動戲臺、舞臺燈光、音響及室外裝飾照明等約二十種專用演出設備。為保證上述演出設備在不同工況下正常使用，經多次和導演組協商，最終確定了演出設備按五種演出工況計算用電量（最大演出工況用電量約240 kW），并按需配置相應的電站容量。此外，由于舞臺機械、燈光系統采用三相五線制配電系統，同時考慮推進變頻器和演出設備電網影響，舞臺機械、燈光照明采用變壓器隔離后經區域配電板供配電系統。

根據上述用電設備特點，采用三臺AC400 V、3相、50 Hz、400 kW柴油發電機組成的公共電站。全船供配電系統圖，見圖1。

從圖1中看出，主配電板內AC400 V匯流排通過聯絡開關分成二段：第一段（Bus_A）對應1#柴油發電機組和2#柴油發電機組；第二段（Bus_B）對應3#柴油發電機組。AC400 V匯流排的主要負載為全回轉推進器、空調裝置、1～2#舞美用變壓器、裝飾照明用變壓器以及日用變壓器等。正常航行時，AC400 V匯流排二段通過聯絡開關連接：當其中一段故障，斷開聯絡開關，以保證另一段匯流排上的設備正常運行，同時保證推進功率的最低需求。

主配電板內AC230 V匯流排通過二套400 V/230 V變壓器供電，負責向全船的照明等AC230 V負荷供電。

此外，主配電板內設有電站監控系統（PMS），該系統除設有自動增減機外，還設有柴油發電機組黑起動、功率限制、工作模式（航行、停泊和舞臺）選擇、與舵槳控制接口等功能。

4 電力推進控制

該船按內河A級游覽船4類客船進行設計，推進控制系統控制部位設置在舵槳艙及駕駛室，以舵槳艙控制優先。

該船設有二套全回轉舵槳電力推進系統，每套系統主要由機旁控制箱（含推進變頻器）、駕駛室遙控板等單元組成，正常在駕駛室遙控板通過混合式控制手柄對舵槳的回轉隨動控制和推進電機的轉速控制。混合式控制手柄水平轉動可以對單個螺旋槳進行360°的回轉操作，前后扳動可以對推進電機轉速進行操控。在遙控手柄故障情況下，可采用遙控面板備用按鈕實施對舵漿旋轉角度及推進電機轉速進行應急控制，必要時控制部位可轉為機旁。

4.1全回轉舵槳

全回轉舵槳是一種Z型傳動裝置，實現舵槳一體化，主要功能是將推進電動機輸出的動力通過高彈性連接軸及舵槳上下齒輪箱內兩對螺旋錐齒輪傳遞到螺旋槳產生推力，同時可以指令電控系統來控制帶螺旋槳的下齒輪箱轉動，達到向左或向右回轉，因此螺旋槳的全部推力可以作用于任何方向，從而獲得推進和推力方向的最佳配合。全回轉舵槳傳動形式如圖2所示。

從圖2可以看出，本船全回轉舵槳轉速通過推進電機（推進變頻器）控制，轉舵舵角由轉舵電動機（轉舵變頻器）控制。因此，舵槳設有轉舵電機啟動、停機、舵角正反轉控制功能，同時按規范要求還設有舵槳滑油液位低、滑油溫度高、電源故障、轉舵電機過載、隨動操舵故障等報警。此外，舵槳還配有舵機反饋裝置，并具有遠程顯示信號接口。

4.2 推進變頻器

推進變頻器用于推進電機的控制，通常由控制單元、整流單元、逆變單元及水冷單元等組成：控制單元用于變頻器起動、停止、調速、制動，并具有逆變啟停、轉矩（功率）控制等輔助功能；整流單元用于將整流變壓器一組或多組三相交流電源變換成直流，再向逆變電源提供直流電源；逆變單元用于直流逆變成交流，向推進電機提供頻率可變的交流電源，并具備一定的保護功能；水冷單元用于整流及逆變單元功率模塊的冷卻。

推進變頻器功能組成結構圖，如圖3所示。

1）為主開關和充電單元，2）為EMC 濾波器，3）為LCL 濾波器，4）為供電模塊，5）為制動斬波器，6）、7）為制動電阻，8）為逆變模塊，9）正弦波濾波器。

此外，按規范要求推進變頻器還應設有輸入電壓、電流及冷卻介質溫度高顯示、過載、接地故障、逆變及整流綜合報警等。

5 諧波控制

諧波來源于電網的非線性負載，當諧波分量達到一定程度時用電設備將出現過電流、絕緣老化加速、噪音等異常現象，嚴重時將導致電網保護失效，影響船舶安全。而對“粵劇紅船”而言，諧波如不加以治理將導致舞臺機械運轉不正常，影響正常演出。

基于專業機構仿真計算及總諧波失真率分析，影響日常負載及舞臺機械正常工作的諧波源主要有：推進變頻器、舞臺機械、燈光照明等。因此按規范及相關標準要求，本船在配電系統各處的電壓波形總諧波失真（THD）應不超過5%和任何單次電壓諧波畸變應不超過3%，以確保電網的品質滿足全船設備安全可靠運行。

設計時，通過以下措施進行諧波控制：

（1）在設備選型上：由于常規DFE型變頻器（ 12 脈波）會產生特征電流或電壓畸變，需要額外考慮諧波治理。而AFE型變頻器由于采用了IGBT功率元件，并能同 LCL濾波器集成一起，可以有效降低電源端的諧波干擾，節省設備布置空間，經綜合考慮本船選用AFE型變頻器；

（2）在配電方式上：由于舞臺機械、燈光照明大部分為非線性負載，經計算區域配電板諧波分量超出規定限值，因此在區域配電系統增設有源濾波器，以實現對局部諧波源就地消除。經試驗測定，區域配電板（舞美配電箱DDB1、DDB2、DDB3）電壓波形總諧波失真（UTHD）治理前后對比，見表1。

從表1中看出，任何單次電壓諧波畸變在濾波器治理后不超過3%，滿足規定要求。同時通過有源濾波器治理，電流諧波畸變、有功功率因數均有改善，電能使用效率也有所提高。

6 結論

對于電力推進的船舶，為將諧波影響降到最低，設計時除完成推進電網設計、變頻器選型等外，還需對推進電纜、推進發電機直軸瞬態電抗（Xd）、超瞬態電抗（X”d）、推進電機繞組溫度等因素綜合考慮。

“粵劇紅船”電力推進系統設計，一方面降低了船舶推進振動噪音，另一方面通過推進裝置及配電系統優化，并對諧波進行有效治理，在保證正常推進的同時，為劇場演出用電提供了保障。經試驗驗證，本船實現了推進控制與配電安全統籌協調，達到設計預期目標。

參考文獻

[1]ABB ACS800-37 （LC）低諧波柜體式（水冷）傳動硬件手冊.

[2]GB/T1303-2009 船舶電力推進系統技術條件.