500方挖泥船综合电力推进系统概述

王海军

(黑龙江航道局，哈尔滨 150026)

0 引言

随着变频调速技术的迅速发展，变频器、推进电机等电力设备也在船舶行业被广泛的使用[1]。作为舰船未来发展方向的综合电力推进技术在国内也得到了飞速发展。船舶电力推进技术已经在运输船、海洋开发用船、工程船、渔业船舶、拖带船舶、港务船、布缆船、风电安装船等领域得到了广泛应用。

1 综合电力推进系统概况

根据组成设备的功能，整个系统可划分为5个子系统：发电系统、配电系统、功率管理系统、推进系统、推进操控系统。

发电系统由2台800 kW/AC 400 V/50 Hz主发电机组和1台150 kW/AC 400 V/50 Hz停泊发电机组组成。

配电系统由主配电板与功率管理系统组成，它将全船的电能统一分配并启动各种现场保护功能。

主配电板将馈电给2套主推进变频驱动装置、组合启动器、380 V负载等，并通过照明变压器给220 V负载供电。

功率管理系统（简称PMS）根据功率的需求对每台柴油发电机组及推进操控系统进行监控并协调各柴油发电机组的工作，可以对供电系统进行故障报警和处理，为推进系统和其他用电设备提供可靠、稳定及优化配置的电力能源。在发电、配电系统出现故障时，PMS会采取各种措施，尽可能保证对负载的连续供电，避免电站断电，确保船舶的安全性。

推进系统包括主推进系统及推进操控系统。主推进系统主要完成该船主推进功能的实现。主要由2台主推进变压器、2台主推进变频器(含制动电阻)以及2台主推进电机组成。推进操控系统实现各航行工况下，主推进系统的集中启/停控制、主推进系统的电机转速控制等功能，它主要由驾驶室推进控制器组成。

监测报警系统实现全船综合监测报警功能。

2 发电系统

挖泥船共设2台主发电机，额定功率800kW，额定转速1500 r/min。主发电机由柴油机驱动，发出电能为全船供电。2台主发电机组可任意单机或并联运行，按照CCS的要求，对电力系统进行配置。在航行工况下，电站可满足船舶自由航行速度要求及全船日用负载要求；在挖泥工况下，主电站可满足挖泥工况航行速度要求、挖泥系统和全船日用负载要求，同时馈电给2台220 kW高压冲水泵和1台150 kW液压泵站。

主发电机的设计和制造满足船舶电力推进系统对电站动态响应的要求，能承受本船电网中的谐波电压和谐波电流[2]。

3 配电系统

配电系统主要将全船的电能统一分配并启动各种现场保护功能。配电系统由主配电板与功率管理系统(PMS)组成，功率管理系统内置于主配电板内。

航行工况下，全船由主发电机组供电，正常情况下机组并联运行两台，主发电机组可并联运行为全船供推进、辅机、日用负载使用。

锚泊工况下，全船由任意一套发电机组供电，供辅机和日用负载使用；应急情况下，全船由备用发电机组供电，供重要负载（比如通讯系统和应急照明）使用。

停泊工况下，启动停泊机组为船上用电设备供电。

主配电板是连接发电机组和用电负荷的中间环节，根据全船用电设备的实时要求来合理分配电功率，为各用电设备提供监测和保护，隔离故障，并监测400 V电网和220 V电网的绝缘电阻。

当岸电向主配电板汇流排供电时，如有任何一台发电机主开关合闸向汇流排供电时，应先行断开岸电回路。二台照明变压器互锁。发电机运行时，对应发电机防冷凝加热器自动停止。

各屏上装有电压表、电流表、功率表、频率表、功率因数表、绝缘监测表等监视仪表，还设置有明显的状态指示和报警指示等。主配电板共分10屏，组成如下表：

主发电机组控制屏主要设有主发电机出口断路器及自动调频调载装置，实现柴油发电机组的自动启动、停机、手动启动、手动停机、保护、及机组调频调载。并提供柴油机、发电机参数显示、检测和对发电机提供保护功能。

母联及功率管理屏将400 V汇流排分段，实现并车及功率管理。屏内主要装有400 V汇流排母联断路器、仪表、辅助电路、PMS控制器。面板上装有双指针电压表、双指针频率表、手动和自动同步表等监控仪表，以及功率管理单元操作面板。

推进及负载屏连接汇流排与主推进变压器以及侧推变频器，实现主、侧推进系统的馈电和保护以及船上380 V负载的的馈电和保护。

AC 220 V负载屏实现船上220 V负载的馈电和保护。

组合起动屏主要由多路起动器单元组成，对机舱主要电动机进行集中管理。

4 功率管理系统

功率管理系统（简称PMS）根据功率的需求对每台柴油发电机组及推进操控系统进行监控并协调各柴油发电机组的工作，可以对供电系统进行故障报警和处理，为推进系统和其他用电设备提供可靠、稳定及优化配置的电力能源[3]。在供电系统出现故障时，PMS会采取各种措施，尽可能保证对负载的连续供电，避免电站断电，确保船舶的安全性。PMS系统配置一台UPS，UPS容量满足要求。PMS系统包括功率管理系统控制器与主配电板内的子站及发电机组多功能保护控制单元。PMS基本结构如下图2所示。

功率管理系统能根据负载的实时功率需求和电网的运行状况对每台柴油发电机组进行监控并协调各台柴油发电机组的工作，动态调整对机组的控制指令，对供电分系统进行故障报警和处理，为电力推进系统及其他用电设备提供可靠、稳定及优化配置的电力能源[4]。在供电分系统出现故障时，尽可能保证对负载的连续供电，避免电站断电以确保船舶的安全性。

1) PMS设置有手动模式、半自动模式以及自动模式三种控制模式。在手动模式下，PMS只显示供电系统的运行状态及参数，与综合监测报警系统通讯，不执行任何控制功能；在半自动模式下，可从功率管理及并车屏面板上对PMS操作实现以下功能：机组启动、机组停机、主开关合闸、主开关分断；在自动模式下，PMS自动对供电系统进行管理。

2) 机组的自动启动：

当运行机组发生严重故障时，备用机组自动启动；

供电系统在网机组功率总和达到90%（可设定）额定功率总和，储备功率不足，备用机组应自动启动；

当在网运行机组因柴油机滑油压力低、冷却水温度高、绕组过热等报警时，经延时后能自动起动备用机组，备用机组并入电网成功后，逐步卸去故障机组负荷并对故障机组发出停机指令，并发出报警信号；

能对每台机组的自动和遥控启动予以闭锁，以便能安全地进行维修。机组的启动和运行在发电机控制屏和功率管理及并车屏有指示。

3) 机组投入和并联运行

母线无电时，待用机组在达到一定电压和频率后立即投入；

母线有电时，待并机组自动同步，自动合闸；

有预防措施，以避免两个或两个以上发电机组开关同时合闸；

自动并联后，具有有功功率自动分配功能。保证任意发电机组长期并联运行，保证有功分配差度满足要求。

4) 机组的解列和停机

若指定机组解列后，实时负载功率仍小于60%（可设定）的剩余机组可用功率时，则指定机组自动解列、停机；

在解列过程中，除严重故障之外，均能平滑地自动转移负荷。当解列发电机组的负荷转移至剩余负荷不超过该发电机组额定输出功率的10%（可设定），电流不超过30%In（可设定）时发出分闸指令；

机组发生超速或滑油失压等严重故障时，自动进入紧急停机程序，并起动备用机组投入；

当负荷减少而自动减机时，在网机组按设定的顺序减少机组；

发电机组起、停序列设定功能。

通过功率管理及并车屏HMI可设定各发电机组的自动起、停的优先级，并可在线修改。

5) 重载问询功能

功率较大的负载在启动时需进行重载问询，电站满足要求后方可启动，否则不能启动。

6) 分级卸载功能

该功能主要为保护电网可靠供电及稳定运行，针对机组过载、电网过载及突发事件而设定，根据各类负载的重要性分级，分两级进行卸载。

7) 人机界面监测功能

HMI对电力系统重要参数的实时监控是实现PMS功能的前提保障。PMS可以根据电网的运行状况、每台发电机组的运行情况，动态调整对机组的控制指令。主要有以下功能：

彩色人机界面的动态显示：在人机界面上动态实时监测柴油发电机组的运行状态、母线的运行状态、电能分配状况等，同时可以在线修改PMS设置参数；

报警功能：对柴油发电机组进行动态实时故障报警监测，并对故障进行相应的处理；

图形显示：以动态图形显示电站系统，当情况异常时，予以变色或闪动；

页面显示：含参数页、报警页；

报警窗口：当有报警时，弹出当前的报警信息小窗口。

5 推进系统

主推进系统中2台推进电动机功率500 kW，转速为1500 r/min。主推进系统有两条推进支路，每条推进支路由1台主推进变压器、2台推进变频器（含制动电阻柜）、2台推进电动机组成。推进电动机通过变频器实现变频调速，可在额定转速范围内平滑调速并长期运行。每条推进支路都采用12脉冲整流方式，两条支路构成虚拟24脉冲整流，减少了推进支路对电网造成的谐波影响，在不增加滤波装置的情况下可保证400 V电网THD不大于5%[4]。

主推进变压器为三绕组整流变压器，容量适应主推进变频器需求，冷却方式为强制风冷。两台主推进变压器原边相角差15°，当两条推进支路同时工作时，对于400 V交流电网相当于虚拟24 脉动整流，可降低电网的谐波，使400 V电网THD不大于5%，满足CCS规范要求[5]。

主推进变频器是主推进系统的控制核心，对不同推进工况下的负载变化进行最佳的动态控制和保护，从而保证推进系统的最佳性能和安全运行。主推进变频器对推进电动机进行转速控制，使系统根据指令，连续调节推进电动机的速度，使船舶平稳航行。

主推进变频器设置了置功率闭环，根据电网上的最大可用功率，可限制推进负荷的功率。在推进系统降速或停车过程，推进电动机处于发电状态，为防止发出的电能回馈到电网影响电网质量，主推进变频器设置了制动电阻，将推进电动机发出的电能消耗在制动电阻上。主推进变频器包含了一个接地故障监测单元，对推进支路进行接地监测。一旦发生接地故障，变频器将发出报警信号。

主推进变频器面板上设有操作面板，带有LCD显示，显示系统的工作状态、参数设定值、实际值、故障分析等信息。主推进变频器柜门上还设置有就地/遥控转换开关和起动/停止按钮及应急停止按钮。

变频器提供与监测报警系统的模拟量、数字量和网络通讯接口。

主推进电动机由变频器供电，能够实现变频调速，在转速范围内连续调节，在转速范围内均能长期运行，满足推进系统对机械装置和电气设备的特殊要求。主推进电动机各相绕组上都设置了温度传感器，可以连接到综合监测报警系统。

6 推进操控系统

推进操控系统实现各航行工况下，主推和侧推系统的集中启/停控制、电机转速控制等功能[6]，它主要由驾驶室推进控制器组成。

操控系统操控在推进操作面板上完成，可在HMI上显示推进系统状态，变频柜的就地控制面板提供简单的就地控制人机接口。

操控系统的操控模式如下：驾控室控制台遥控模式；机旁控制模式。

按优先级从高到低排序：机旁、驾驶室。

在驾控室控制台遥控模式下，在推进操作面板上每个推进控制手柄通过硬线独立控制每个主推进变频器从而控制各台主推进电动机在额定转速范围内连续调节；

在机旁控制模式下，在推进操作面板上通过应急车钟发令给主推进变频器传令，由机旁操作人员操作变频器控制各台主推进电动机转速；

在所有控制部位均设置紧急停车功能，该功能独立于遥控系统。在紧急情况下，操控系统可提供越控功能，以防止推进功率的减少和停车。

7 结束语

随着变频调速技术的迅速发展，对工程船舶的操控性及先进性也提出了更高要求，所以电力推进系统也就成为船舶未来发展方向。本文对黑龙江航道局500方耙吸式挖泥船电力推进系统的系统组成及功能进行了总体的概述，与常规动力系统相比,船舶的操控性能和节能经济性得到了较大提升。

[1] 管小铭. 船舶电力系统及自动化[M]. 大连：大连海事大学出版社, 1999.

[2] 林海雪，孙树勤. 电力网中的谐波. 北京：中国电力出版社，1998.

[3] 徐永法，韩旗，杜军等. 船舶能量管理系统PMS研究[J]. 中国航海，2005，(3)：78－80.

[4] George J.Wakileh著. 电力系统谐波-基本原理、分析方法和滤波器设计. 北京： 机械工业出版社,2003,(8).

[5] Rice D E. A detail analysis of six-pulse converters harmonic currents. IEEE Trans Ind Appl, 19.

[6] 郑元璋，冀路明，李海量. 舰船综合电力推进监控系统研究[J]. 中国航海，2005, (4)：83-80.