永磁軸帶發電機PTO/PTI系統關鍵功能設計

杜原野，陳海霞

(招商局金陵船舶(南京)有限公司，江蘇 南京 210015)

0 引言

近年來，為降低船舶燃料成本,滿足日益嚴格的排放要求,傳統的勵磁軸帶發電機逐漸被永磁軸帶發電機代替。高功率抱軸式永磁軸帶發電機具有重量輕、效率高、振動小、無磨損部件等優點，配合低速二沖程柴油機驅動的可調槳及使用了絕緣柵雙極晶體管(IGBT)技術的有源前端(Active Front End，AFE)變頻器，可實現在較寬的轉速范圍內進行功率引出(Power Take Out，PTO)及功率引入(Power Take In，PTI)。但是，永磁軸帶發電機PTO/PTI系統涉及到電站管理、主機遙控、監測報警等系統 ，控制邏輯復雜，接口匹配較多，同時，要兼顧系統的安全性、可靠性和可操作性，因而對于系統設計提出了較高的要求。

本文以某冰區航行的雙燃料貨船為研究對象，根據船舶實際運行工況需求及系統構成，定義PTO/PTI系統控制位置，配合主機遙控系統選取合理的轉速范圍，采用多種策略防止電站過載及突加負荷對電網的沖擊，綜合利用電站管理系統及監測測報警系統的控制邏輯，完成抱軸式永磁軸帶發電機PTO/PTI系統關鍵功能設計。

1 系統組成

軸帶發電機系統主要由抱軸式永磁軸帶發電機(以下簡稱軸帶發電機)、包含變頻柜及控制系統的軸帶發電機控制箱、繞組星點連接的星點斷路器、主配電板、電站管理系統(Power Management System，PMS)、監測報警系統、推進控制系統、主機控制及安保系統構成，其單線圖見圖1。

圖1 軸帶發電機系統單線圖

2 控制系統關鍵功能設計

2.1 控制位置設計

為方便船員操作，PTO可在軸帶發電機變頻柜、配電板同步屏PMS人機界面、自動化工作站及安裝在集控室或者駕駛室的推進控制系統可視化人機界面進行控制；PTI可在自動化、配電板同步屏的PMS人機界面及安裝在集控室或者駕駛室的推進控制系統可視化人機界面進行控制。PTO的功率分配通過PMS實現； PTI的功率指令及功率限制功能通過安裝在集控室或者駕駛室的分段式功率發訊器及PMS共同完成。各控制位均設置控制權限，防止不同控制位置同時操作時功能沖突。

2.2 PTO控制接口設計

軸帶發電機允許與主發電機進行長時間并車，它屬于船舶電站的重要組成部分，功能設計時必須考慮供電可靠性。軸帶發電機以主機作為原動機，影響系統供電可靠性的因素有：主機轉速、降速(SLD)、停車(SHD)及軸帶發電機系統故障。

某雙燃料貨船軸帶發電機工作的范圍為60～105 r/min，最大功率輸出轉速范圍為70～105 r/min。在60～70 r/min范圍內，發電機的最大輸出功率能力與轉速成線性關系，見圖2。

圖2 軸帶發電機轉速/功率曲線

該船螺旋槳為可調槳，其控制模式分為分離、聯合和恒速模式。分離模式為手動操作，無法保證軸帶發電機的轉速范圍要求，且情況多變，因此分離模式激活時軸帶發電機將會被鎖定，禁止使用。聯合模式下主機的轉速和螺旋槳的螺距根據聯合模式曲線進行控制。此模式下要保證主機的轉速不低于軸帶發電機的最低允許轉速60 r/min，同時為確保軸帶發電機始終具備滿負荷輸出的能力，防止主機在60 r/min臨界轉速運行而導致頻繁觸發最低轉速保護的工況。推進控制系統需要提高聯合模式下軸帶發電機最低工作轉速的設定值，因而將最低轉速設定為70 r/min。恒速模式由于其轉速恒定，是軸帶發電機理想的工作模式。但是，恒速模式的最低轉速也需要設定在70 r/min，保證軸帶發電機始終具備滿負荷輸出的能力，同時確保軸帶發電機工作轉速高于系統允許最低轉速60 r/min。

主機在某些特殊工況下(比如惡劣海況)進行主緊急倒車操作，由于風浪影響，主機的轉矩會超過其設計限值，轉矩限制功能被觸發。此時，主機油門被推進控制系統鎖定，如果螺旋槳負荷繼續增加，主機轉速將迅速下降。轉速下降至低于允許的轉速范圍后，主機控制系統將會發出啟動備用發電機的命令，并與軸帶發電機并車，防止電網失電。根據PMS的性能參數，主發電機從啟動到與軸帶發電機并車完成需要90 s。如果主機轉速在30 s內降低到60 r/min以下，備用發電機還未完成與軸帶發電機的并車，主機控制系統就會將軸帶發電機解列，導致全船失電。為解決此問題，對主機遙控系統的參數進行優化：提高PTO最低允許信號的設定值到70 r/min，同時延長螺距加載程序的時間設定，降低緊急倒車時由于主機過載導致的轉速迅速下降的風險。經過實船驗證，未出現因主機緊急倒車導致的全船失電。

根據DNV·GL規范要求，當2臺或2臺以上發電機并聯運行時，如果其中一臺發電機發生故障，在網剩余的發電機應能承擔在網重要設備總的功率消耗。本船軸帶發電機與主發電機并聯運行，依據電力負荷計算，任一臺發電機故障時，通過優先脫扣功能自動卸載非重要負載，剩余的發電機可以承擔在網重要設備的負荷，確保電站安全運行。但是，當僅一臺軸帶發電機在網供電，主機SLD、SHD及軸帶發電機出現故障(除短路及硬件故障)時也應保證電網供電的連續性及可靠性。

針對主機SLD工況，推進控制系統在聯合模式及恒速模式下對螺旋槳的螺距及主機的轉速進行了預定義。SLD請求信號發出后，推進控制系統通過自動降低螺旋槳螺距及主機轉速來確保主機在安全負荷下工作，但是轉速不能低于70 r/min；同時推進控制系統預留120 s的時間閾值，用于PMS啟動備用發電機并與軸帶發電機并車，通過PMS將軸帶發電機負荷成功轉移至主發電機后，軸帶發電機解列。主發電機從啟動到并車僅需要90 s左右，120 s的預設時間足夠備用主發電機啟動并車，不會出現SLD請求信號發出120 s后備用發電機依然無法并網供電的的情況。軸帶發電機解列后，其開關的狀態信號反饋到推進控制系統，主機轉速將自動降低到40%主機最大轉速。以上方案能夠確保電網供電連續性及主機的安全。如果船舶在狹窄或者復雜的航道進行航行，操作人員可在SLD預報警或者SHD觸發后，根據實際航道狀況進行判斷，通過操作推進控制板越控按鈕取消SLD/SHD功能，保證主機轉速不變，軸帶發電機正常工作。當軸帶發電機系統發生故障，PMS接收到軸帶發電機故障信號后自動啟動備用發電機組向電網供電，保證船舶供電連續性及可靠性。

2.3 PTI控制接口設計

設置PTI的目的是將軸帶發電機通過AFE變頻器使用船上主發電機產生的電能，將發電機變為電動機使用，與主機共同驅動螺旋槳，以滿足冰區航行船舶的最低功率要求。PTI遵循主機功率優先原則，主機應盡可能發揮最大功率后再使用PTI，以提高能源利用效率。PTI可在自動化、推進控制板上進行模式選擇，同時通過推進系統控制板上的分段式功率發訊器發出具體功率需求的指令。分段式功率發訊器分為10檔：0～8檔對應主機功率，8～10檔位對應PTI 0～1 250 kW的功率。由于PTI最大功率為1 250 kW，電站的3臺主發電機全部運行并網，無任何后備發電機。此時，系統可靠性設計需要防止電站過載及PTI功率過快增長對電站的沖擊。

防止電站過載主要考慮以下2種狀況：

(1)電站負荷過大，無法向PTI提供足夠的功率。PMS采集PTI的實時消耗功率，按照如下邏輯進行判斷，并向PTI發出功率限制信號：

如果PTI實時消耗功率與電站剩余功率之和大于PTI額定功率1 250 kW時，PTI可在0～1 250 kW范圍內運行；如果PTI實時消耗功率與電站剩余功率之和小于PTI額定功率1 250 kW，即使分段式功率發訊器設定到10檔，PTI也僅僅能在PTI實時消耗功率與電站剩余功率之和的范圍內工作。

另外，在PTI使用過程中電站需要要儲備備用功率，滿足在此過程中大功率負載啟動的要求。PMS在進行邏輯控制時的電站剩余功率為實際的電站剩余功率減去備用功率，確保電站有足夠的功率儲備，進一步提高了電站的可靠性。

(2)PTI模式下，任意一臺主發電機運行過程中故障脫扣，電站功率不足以支持PTI滿負荷運行。雖然上述方案可以進行功率限制，防止電站過載，但是這一過程需要系統計算后才能發出，電站也會有短時的過載，同時會觸發優先脫扣功能，又因PTI在船舶航行過程中可中斷，此時為防止電站過載，在 PTI運行狀態下，任意一臺在網發電機故障停機或者主開關異常脫扣時，直接卸載PTI。

本船的主發電機為燃油/天然氣雙燃料機型，尤其是在天然氣模式下，其突加負荷的能力僅為20%的發電機額定負荷，超過20%額定負荷的加載能力后發電機將會從天然氣模式跳轉至燃油模式，導致船舶重新進行燃料轉換。這就要求PTI的功率采用分級或者無級加載。分段式功率發訊器功率命令為4～20 mA信號，屬于無級加載，操作人員需要人為判斷，緩慢加載功率。這一過程人為干預因素較多，與控制系統易于操作的設計原則相違背，也存在操作者直接將手柄推至10檔的風險。假使出現人員操作失誤，1 250 kW的負荷就會突加到電網，造成電網電壓下降，部分重要設備可能因此停機，甚至全船失電，對船舶航行安全造成影響。

鑒于以上原因，軸帶發電機的控制系統設置功率加載的程序控制。PTI 1 250 kW的功率多長時間內加載完畢不會對電網供電造成影響，需要與主發電機調速性能相匹配。經過對發電機性能的研究及發電機工廠實驗數據進行分析，最終定義加載時長為20 s。此時長既可以保證功率盡快加載，實現系統的快速響應，又可以確保電站供電可靠性。

PTI同樣有轉速范圍限制。為了降低控制系統的復雜性，增加轉速裕度，將PTI與PTO的最低轉速統一為70 r/min。同時自動化系統通過檢測主機轉速，增加PTI二級保護。如果轉速低于60 r/min，高于105 r/min，自動化系統將會發出命令，停止PTI，確保PTI設備安全。

2.4 PTO/PTI的不停機轉換功能實現方法

為增加PTO/PTI操作的靈活性，當PTO或者PTI運行狀態下，系統可以實現不停機模式轉換，見圖3。

圖3 PTO/PTI轉換流程圖

PTI向PTO轉換時，只需要將分段式功率發訊器設定在8檔以下，在自動化或者推進控制板上選擇PTO模式即可。

PTO向PTI轉換時，系統為保護變頻器，防止大功率下電流換向導致的IGBT損壞，軸帶發電機系統對PTO/PTI轉換功率進行限制。當PTO所承擔的功率在10%PTO額定功率以上時，系統無法從PTO轉換為PTI。PMS自動模式下的主要功能是保證在網的發電機能夠按照比例平均分配負荷，但PTO向PTI模式轉換時要求PTO與其余發電機實現功率非平均分配，因此PMS功能與PTO向PTI轉換時需求的功能產生矛盾。PMS在半自動狀態下可以實現功率的非對稱分配，但是每次轉換都需要手動設置為半自動模式，使用的便捷性較差。為實現自動轉換，在PTO向PTI轉換時，PMS采集到轉換命令后，通過專用的程序在無人員干預情況下將PMS轉換成半自動模式，同時調用預先設定的非對稱分配比例(為確保轉換成功的可靠性，系統將10%改為8%的PTO額定功率)，實現PTO與PTI的自動轉換。

3 結論

(1)抱軸式永磁軸帶發電機PTO/PTI系統在集控室及駕駛室設置可視化人機界面及控制權權限選擇按鈕，采用了分段式功率發訊器設計，確保系統操作的便捷性。

(2)抱軸式永磁軸帶發電機PTO/PTI系統的轉速范圍設定為70～105 r/min。PTO模式下配合推進控制系統及電站管理系統，限定SLD狀況下的最低轉速以及預留120 s備用發電機啟動時間；利用推進控制系統的越控功能，實現了電站的供電連續性。PTI協調電站管理系統，確保PTI的功率不超過電網剩余功率，并在任一并聯運行發電機故障或脫扣狀況下迅速卸載PTI功率，防止電站過載。

(3)PTI功率從0～1 250 kW的加載方式采取斜坡加載，加載時間設定為20 s，防止大負荷突加對電網的沖擊。

(4)PTO向PTI轉換時，通過專用的程序在無人員干預情況下將PMS轉換成半自動模式，同時調用預先設定的非對稱分配比例實現PTO與PTI的不停機轉換。