3500噸級敷纜船綜合電力推進系統

劉文達，周 興

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3500噸級敷纜船綜合電力推進系統

劉文達，周 興

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064;）

本文概述了3500噸級敷纜船綜合電力推進系統，介紹了功率管理系統（PMS）的結構和功能及電力推進系統電力的組成，并探討了系統的PMS網絡構架、系統容量計算，短路電流計算及系統諧波計算問題,對工程應用有一定的設計指導作用，綜合電力推進系統在未來海洋工程中的應用中正在轉變為主流趨勢。

敷纜船PMS 電力推進 諧波

0 引言

敷纜船又稱為“敷設用船舶”（Cable Ship），是用于在海底、水下敷設電纜的專用船，也可以做電纜維修船。建設海底電纜是為了進行有線通信，有線通信容量大，安全可靠抗干擾能力強，擔負著對于沒有陸路相通的國家地區之間彼此溝通的重任，在全球化大趨勢的當今世界，研發設計敷纜船具有重大戰略意義。

本3500噸級敷纜船采用綜合電力推進系統，為本船負載進行配電與保護，本船采用DP滿足本船航行與進出港需求，并實現對電力推進系統相關設備及其它重要設備的監測報警功能。

1 系統介紹

本敷纜船綜合電力推進系統包含供電系統、推進系統和自動化監控系統等分系統。

供電系統主要由4臺2000Kw 主柴油發電機組、1臺300kW停泊柴油發電機組、1臺120kW停泊/應急柴油發電機組、1套690V 主配電板、1套400V/230V 輔助配電板組成。

推進系統有四條推進支路，每條推進支路由推進變壓器、推進變頻器、推進電機組成。推進電機額定功率為1500 kW，額定轉速為1000 r/min。

自動化監控系統包括功率管理系統（Power Management System.簡稱PMS）、監控臺、駕控臺等。

2 綜合電力推進系統功能

本船綜合電力推進系統必須保證船舶電網供電的穩定性和持續性。本系統設計有動態和靜態的功率限制功能，如果一臺或數臺發電機故障脫扣，變頻驅動控制系統將根據電網上的實時最大可用功率快速計算出功率限制值，快速限制推進負荷的功率大小，避免造成剩余在網發電機組的過載跳閘。

在速度控制模式下，系統的變頻器根據操縱手柄或遙控系統（駕駛臺操作系統或者動力定位系統）給出的速度給定信號對電動機進行無極調速控制。

本船電網的最大負荷是推進負荷，推進負載在惡劣海況條件下波動很大，因而造成本船電網系統的負載持續波動，這對本船電網的穩定性造成很大影響[1]。針對該問題，本系統設計了功率控制模式。在系統處于功率控制模式下時，推進電機的轉矩和速度在最大限定值范圍內變化，變頻控制系統將根據車鐘手柄給出的功率設定值，平滑調節電機的速度和轉矩，保持推進功率的穩定，從而保證電站功率的穩定。在惡劣海況條件下，航行時螺旋槳會隨機躍出水面，使用功率控制模式對電動機進行功率限定控制可減少推進負荷的劇烈波動。

本船設有全船功率管理系統，其不僅具有對船舶電站的監視、控制、保護報警功能，還將實現推進系統、船舶電站、DP系統之間的協調運行。在負載增減變化時，功率管理系統根據實時負荷情況，自動啟動或停止每套主發電機組的運轉并增減電力輸出到整個電站[2]。

配電板主要將全船的電能統一分配并啟動各種現場保護功能。配電板饋電給4套推進系統及其它380 V 負載，并通過400 V/230 V 變壓器220 V負載供電。配電板內設有風機、油泵遙控切斷功能。

400 V 配電板和功率管理系統的設計保證電站在各種工況下長期穩定并聯運行，滿足各種保護及其自動化要求。

每套變頻驅動系統變頻器通過1臺三繞組移相變壓器連接到船舶電網，單條推進支路對電網來說為12脈沖整流；DP作業時，兩段690 V 電網均相當于虛擬24脈沖整流，可有效降低電網諧波THD值。

圖1 電力推進系統單線圖

3 功率管理系統概述

功率管理系統（簡稱PMS）的監控對象為主發電機組及停泊/應急發電機組及主配電板內的主斷路器和母聯開關。PMS由2組完全冗余設計的兩套S7-400HPLC 組成，兩套控制器獨立運行并互為備用。在一組出現故障時，系統能自動轉換到另一組自動運行。PLC通過Y-link與PPU進行DP通訊。PPU是一個真正的多主站系統，其功率管理功能是依靠PPU計算實現的。系統內部選定一個控制單元為“命令單元”。該控制單元負責發電機保護、起動優先級和其它相關功率管理功能的計算。

PMS根據功率的需求對每臺主發電機及推進控制系統進行監控并協調各發電機的工作，可以對供電系統進行故障報警和處理，為推進系統和其他用電設備提供可靠、穩定及優化配置的電力能源。在供電系統出現故障時，PMS會采取各種措施，盡可能保證對負載的連續供電，避免電站斷電，確保船舶的安全性。系統網絡圖如圖2。

PMS能管理4臺主發電機組，并且能管理停泊/應急發電機組，在DP 操作時，按下DP 模式，電站能在PMS管理下母排自動分段、負荷自動分區，滿足DP操作要求[4]。

母聯開關配置有保護功能的同步模塊，為母聯開關提供保護、同步合閘、分閘控制等。在DP 操作時，按下DP模式，電站能在PMS管理下母排自動分段、負荷自動分區，滿足DP操作要求[5]。

為了確保供電連續性和系統可靠性，PMS采用兩級控制網絡完成。上層采用冗余的PROFIBUS控制網絡，上層PROFIBUS通過Y-link連接DEIF公司的PPU3。下層網絡采用CAN-BUS連接各個PPU3，實現機組間的功率分配和協調。當CAN-BUS通訊故障或斷線時，還可以通過負載分配線進行協調[3]。PMS配置單獨的UPS，容量滿足系統電源需求和CCS規范的要求。

4 推進系統設計

電力推進系統由推進移相位變壓器，推進變頻器，推進電機組成。

推進系統各設備容量匹配性計算：

表1 各設備計算參數

4.1 變頻器參數的計算及校核

S(kVA)=m/(cos)=1857.585

主推進電動機的額定基波電流：

I(A)=P/(1.732mcosφ)×1000=1702.345。

主推進變頻器在推進電機額定電壓下輸出基波電流I(A)=2320，可見I>p，I/I=136.28%。

4.2 變壓器容量需求計算

所需主推進變壓器容量：

S1=PK/(ηηcosφ)=1728.65 ，S1>S1。

電力系統容量需求計算

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每套主推進變壓器輸入功率：

P1(kW)=PK/（ηηη）=1728.65

輔機輸入功率P=200.00(kW)，日用功率l(kW)=200.00。

全速推進工況功率需求：

xq(kW)=2P1+P=3657.30

動力定位起重工況功率需求：

P(kW)=4*P1+P+P=7314.61

電站的功率利用率為P/∑=91.43%。

5 電力系統短路電流計算

使用CCS計算軟件Compass-Rules,計算本電力系統最大工況（4發電機并網），短路電流值為如表2。

6 系統的諧波問題

諧波問題是本項目重點考慮的問題之一，在航行工況下，低壓側不帶任何諧波濾波器的情況下，船級社規范要求整個電網的總電壓諧波失真(THD)在任何工況下不超過5%，任何單次諧波不超過3%。電力推進技術在實際運行過程中，影響電網的諧波畸變的因素主要包括如下：系統組成設備（發電機（Xd”）、變壓器（Z%）、移相變壓器的對稱性和移相精度、非線性負荷的參數特性）；系統的網絡結構（多脈整流技術還是有源前端技術）；在網機組容量（kVA）、非線性負荷占總負荷比例、非線性負荷占電網容量的比例等；電網電壓的不平衡度、電網電壓的畸變度[6]。

用ETAP12.0進行諧波估算最大工況（4發電機并網，4推進器同時75%功率運行時的工況）的建模及計算結果如圖3和表3所示。

表2 短路電流計算結果

表3 DP工況諧波計算結果

針對本項目單線圖和相關參數，利用專用計算軟件ETAP結合相應的工程經驗，針對系統在不同運行工況下的諧波電壓進行的計算，而在試航運行過程中進行的實測諧波數據與計算結果吻合。這表明：在當前的系統結構、設備參數配置以及運行工況下，電網的諧波能夠滿足船級社規范的要求。

7 結束語

隨著人類不斷走向深海，對海洋敷纜工程船提出更多的功能要求，敷纜船綜合電力推進系統具有特點包括燃油更經濟性，系統操作性好，保養維修更方便快捷，噪音等級小，船員居住舒適度高，由于以上這些特點，使得電推系統更滿足敷纜工程船的未來的功能性需求。

[1] 湯天浩, 韓朝珍. 船舶電力推進系統[M]. 機械工業出版社, 2015: 42-45.

[2] Mukund R. Patel. Shipboard Propulsion, Power electronics, and Ocean Energy 2011, (1): 153-159

[3] 鄭元璋, 冀路明等. 船舶綜合電力推進監控系統研究[M]. 中國航海, 2005, (4): 83-86

[4] 黃倫坤, 朱正鵬, 劉宗德. 船舶電站及其自動化裝置[M]. 北京: 北京人民交通出版社, 1982.

[5] 林華鋒. 船舶電站[M]. 哈爾濱工程大學出版社, 1996.

[6] 李宏, 王崇武. 現代電力電子技術基礎[M]. 機械工業出版社, 2008, (12): 1-5.

Integrated Electric Propulsion System for A 3500 Ton Cable Laying Ship

Liu Wenda, Zhouxing

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM464

A

1003-4862（2018）12-0049-04

2018-07-02

劉文達(1984-)，男，碩士。研究方向：電力推進系統。E-mail: liu_wenda@163.com