基于共直流母线技术的轴发PTO/PTH系统应用

沈 恺，陈建清

(中船澄西船舶修造有限公司，江苏 江阴 214400)

0 引言

近年来，为了满足和适应船舶综合推进以及轴带发电的需求，在化学品船舶上率先使用了具备轴发供电模式/轴发电动模式(PTO/PTI)功能的船舶电站。该电站既能通过轴带发电机向全船航行设备供电，又能在紧急情况下通过电力推进系统辅助主推进系统，大大提高了船舶动力的冗余度和可靠性[1]。

同时，随着电力电子的发展，变频技术在船舶上的应用越来越多，将永磁轴带发电机与变频器相结合，使可调桨推进器的速度和螺距角可独立变化，在优化发动机和推进器效率方面取得最大灵活性。推进器转速和螺距角的最佳组合最大限度地降低了油耗。船舶航速越低，优点就越显著。即使在开放海域航行，在可调桨推进器中降低发动机的转速，同时使用较小的螺距角，也可节约大量的燃料消耗[2]。

另外，在轴带发电机变频系统中引入公共直流母线技术，将多传动货油泵、大功率侧推等变频设备采用直流电源输入，可以简化变频整流模块数量，减少谐波污染，提高电网质量，对于船舶节能和减少碳排放具有重要意义，但是多种新技术的应用会使系统间的协调控制变得更加复杂。整个系统涉及柴油发电机组、主机、离合器、轴带发电机、推进控制系统(PCS)、可调桨、功率管理系统(PMS)、总配电板(MSB)以及共直流母排(DC-LINK)，几乎涉及了全船的所有主要设备，一旦控制有误可能造成全船失电和失去动力的严重结果，因此，对于基于共直流母线技术的永磁轴带发电机PTO/PTH系统的协调控制是个值得深入研究的问题。

本文将从18 600载重吨化学品船的系统配置、硬件构成、变频系统架构、接口分析等几个方面进行研究。

1 系统主要配置

PTO/PTH系统配置见图1。整个系统以模块化、功能化的单元形式集成，易于实现定制化和多样化的PTO/PTH系统集成要求。另外，还有大功率侧推、可变频率的岸电系统、多传动货油泵、压载泵等设备接入相应轴发变频系统。

与常规轴带发电机系统不同，本船轴带发电机(简称“轴发”)安装在主轴上，采用抱轴直接驱动的方式。在PTI时，轴发作为电动机，提供动力给螺旋桨。本文提及的PTI模式是指主机和离合器脱开的推进模式，主机是不运行的，全船推进动力由轴带提供，该模式被称作PTH(轴发电动模式)；在PTO时，主机经离合器驱动调距桨和轴带发电机。

2 系统设计与分析

本系统采用了新型的轴发变频系统，接口信号及控制要求极为复杂，所以一定要理清分析思路。主机、轴带发电机、离合器、发电机、螺旋桨等动力部分是模式运行的动力承担者；主配电板和共直流母排是模式运行的供配电方式；PMS、PCS是模式运行的各种控制[3]。

图1 PTO/PTH系统配置图

2.1 轴带发电机系统的选用

从发电机效率的角度来看，采用低速电励磁同步轴带发电机并非最佳解决方案，由于其低速运行导致效率较低。在传统的高速发电方案中，同步发电机可实现高达98%至99%的效率。然而在低速轴带发电机应用中，其效率仅为92%至94%，如果再加上变频器的功率损耗，总电源转换效率将低于90%。随着燃料成本的不断上升，更有效的解决方案也被不断提出，其中最有前景的解决方案之一是用更高效的永磁发电机替代电励磁发电机。

该轴带发电机系统同时采用了PWM变频控制技术。由于采用PWM变频器,电站不需要同步补偿器,减少了设备组件和体积，降低了重量,从而降低了成本。同时,降低了噪声，提高了主电源的品质，实现了全数字式控制，节省了电缆,使产生的能源更经济、高效[4]。该系统既可提供给主配电板有功功率和无功功率,也可承受短路电流。由于变频轴带发电机系统的输出电压和频率响应可以微调,因此,能保证在任何动态负载和静态负载情况下与柴油发电机组长期并联运行。

2.2 共直流母线技术

共用直流母线技术是将变频器的整流单元和逆变单元分开，多台设备共用一套整流装置，单台设备配套逆变器进行调控的一种技术，实质是一种变频调控技术。这种技术经常应用于同一系统的多台设备，同时存在发电和电动运行状态的情况。当同一生产系统中一个或多个电动机处于反发电状态时，由于共用直流母线，其再生能量可以被同一系统中的其他电动机以电动的方式消耗掉，从而达到节能降耗的作用[5]。这种技术对于采用较多变频电机的船舶有很好的适用性，特别是采用电动货油泵的油化船。

2.3 共直流母线的引入及单线图的确定

根据技术规格书要求，列出下列主要问题：

(1)侧推除了需要由轴发单独供电及与柴发并车供电外，还要求主发电机(简称“主发”)单独供电，常规配电系统很难实现，需考虑双向供电方式。

(2)岸电需要电站不断电供电。同时，根据船东要求，岸电频率可以采用50 Hz和60 Hz，这个要求等于岸电需要经过变频系统才能实现。

(3)本船货油压载系统采用的是电动深井泵，必须配置相应的变频器，以便进行调速控制。全船共有12台货油泵、2台污油泵、2台压载泵和1台洗舱水泵。

考虑到上述要求及轴发变频系统本身的特点，本船引入了共直流母线系统。

全船主要设备供电工况见表1。从表中可以发现，货油泵、岸电和轴发是不会同时运行的，因此可以根据共直流母线系统的优点，利用轴发变频系统整流模块来代替几台货油泵的小整流器，也可以代替侧推的整流模块。同时，岸电通过3号变频器实现与主发并车及不断电要求。该方案节省了侧推、货油压载系统等近20个设备的大功率整流模块，有效地降低了采购成本，且大整流器保护功能较多，大大改善了变频设备对电网的谐波污染，省去输入侧滤波器的投资。整个传动系统的元器件数量大大减少，工作效率和设备的可靠性可大大提高，结构也更加紧凑。

表1 全船主要设备供电工况

另外，为防止变频器发生故障，保证用电设备供电连续性，本船采用全方面冗余设计。根据PWM变频器的特点，可以将原先轴发一个大的整流模块改成2个相对较小的整流模块(1号和2号)，并且分别从主配电板汇流排两侧进行供电。即便其中一个模块损坏，另外一个也能继续供电；即便两个都损坏，也可以通过3号变频器供电给直流母排。最终设计的单线图见图2。图中，Q1～Q10为开关。

2.4 轴发变频与PMS接口分析

2.4.1 轴发系统模式与电站模式

由于轴发变频系统引入了共直流母线系统，所以比轴发系统复杂。轴发PTO的控制模式与主电站模式将融合在一个系统中，并将通过PMS统一协调控制，为此，要明确该系统模式与整个电站模式的匹配，特别是接口与逻辑的分析，思路必须清晰。

根据规格书和规范要求，电站的运行模式包括海上航行模式、机动模式、装卸货、PTH、岸电模式。

轴发变频自身的模式有以下几种：

(1)岸电模式：此时，岸电通过3号变频器向直流母排供电，也可以再经过1号和2号变频器向主配电板供电。该模式既可以独立供电，也可以与发电机同步运行。

图2 轴发变频系统单线图

(2)轴发模式：此时，轴发通过3号变频器向直流母排及侧推供电，也可以再经过1号和2号变频器向主配电板供电。该模式既可以独立供电，也可以与发电机同步运行。

(3)发电机模式：此时，柴油发电机通过1号和2号变频器向直流母排及侧推供电。如果此时需要进入PTH模式,则柴发电力电源经1号、2号、3号变频器提供给轴发。

(4)货油系统备用模式： 此时，柴油发电机经Q9Q4开关通过3号变频器向直流母排供电。

结合整船的电站模式，由于PMS不能直接参与轴发变频系统包括直流母排的控制，所以很多信号需要整合，通过这些信号间接进入全船的相关电站模式。同时,某些电站模式也需要相应修改。

2.4.2 电站模式分析与确定

下面结合PMS与轴发变频系统的控制接口信号及运行模式来确定最终的全船电站模式，主要控制接口信号见图3。

图3 轴发变频系统与PMS接口

(1)海上航行模式：该模式下的轴发变频系统分为轴发模式与发电机模式。这里的发电机模式就是柴油发电机供电模式，与PMS的主要接口是图23中的“发电机供电模式”请求信号,这个信号由PMS至轴发变频系统，是为了告知图2中1号和2号两个变频器的供电方向。而在轴发模式下，又分为轴发向直流母排独立供电和轴发向主配板及直流母排同时供电这两种供电方式。如果只有“轴发供电模式”请求信号至轴发变频系统，则整个电站不能进入海上航行模式，必须同时提供“主配电板分配电模式”请求信号，以便告知1号和2号变频器供电方向是向上至主配电板，这个与发电机模式正好相反。所以，海上航行模式必须分为轴发海上航行模式和柴发海上航行模式。

(2)装卸货模式：该模式对应的就是轴发变频系统中的“发电机模式”。进入这个模式，PMS需要输出“发电机供电模式”请求信号，来告知轴发变频系统进入“发电机模式”，以便柴油发电机经1号和2号变频器提供电力给货油压载系统，这里与柴发海上航行模式的区别在于柴发的运行数量。

(3)PTH模式：该模式就是PMS 发“PTH 模式”请求信号给轴发变频系统，收到该信号后，轴发将切换成电动机模式驱动螺旋桨运行。

(4)岸电模式：该模式跟海上航行轴发模式一样，需要“岸电供电模式”和“主配电板分配电模式”这两个信号。

(5)机动模式：在该模式下，艏侧推可以分别在轴发变频系统的轴发模式与发电机模式下运行。为了区分这两种模式，分别命名为机动/分离模式及机动模式，主要区别在于艏侧推的供电来源是轴发还是柴发。所谓机动/分离模式就是轴发给艏侧推供电时，只提供电力至直流母排，不提供电力至主配板。主配板上的用户由柴发提供电力，此时1号和2号两个变频器处于断开状态，主配与直流母排相互独立供电给各自用户。而机动模式就是在轴发变频系统的发电机模式下，柴发经主配电板向直流母排上的艏侧推用户进行供电。

最终全船自动电站的模式确定为：轴发海上航行模式、柴发海上航行模式、机动模式、装货模式、卸货模式、PTH、岸电模式、机动模式/分离模式。

从中可以看出，共直流母线供电的动力源是关键，弄清1号和2号两个变频器的供电方向，就很容易理清整个电站的运行模式，而这个供电方向主要依靠的就是“发电机供电模式”和“主配电板分配电模式”这个两个信号的输出。

2.5 PTO/PTH模式运行的接口分析

本船采用的变频驱动和调距桨，使得主机的转速和螺距的仰角及机桨的匹配就更为复杂。PCS总共有3个模式：组合模式、恒速模式和分离模式。经过计算，最终在PCS的组合模式下运行轴发更为经济。组合模式下，控制杆同时控制主机转速和螺距，来按照预先编程的组合曲线运行。

2.5.1 轴发的转速范围

轴发的转速曲线见图4。从图中看出，轴发：起动转速范围为50～78 r/min，运行的转速范围为50～89 r/min，正常运行的转速范围为71.2～89.0 r/min。由于主机存在转速禁区(44～57 r/min)，轴发不能在此范围内运行。所以，最终本船轴带发电机运行的主机转速范围为58～89 r/min。

图4 轴发转速运行范围曲线

2.5.2 PTO运行流程分析

PTO运行流程为：首先,PMS向主机和PCS发出PTO请求信号,主机转速调整至58～78 r/min后发出“PTO 准备”信号至PMS；然后，由PMS发出“轴发供电模式”和“主配电板分配电模式”相关信号至轴发。这个过程中，需要注意以下几点：

(1)在轴发进入PTO前，主机转速必须调整在58～78 r/min范围内，这是轴发的启动转速范围。

(2)一旦进入PTO模式，主机的转速范围将限制在71.2～89.0 r/min范围内，也就是PCS组合模式(带轴发)下的转速调节范围。

(3)主机转速要保持在58 r/min以上，尽量远离主机的转速禁区。

(4)从图4中可以看出，轴发在转速71.2 r/min以上将保持额定功率输出，这一点在电力负荷分配计算时需要注意。

(5)PTO时，推进系统的自动减载处理也需注意。自动减载既包括减载，也包括降低发动机转速。对于轴发，需采取特殊的预防措施，以防止全船失电，从而导致主机停止工作。在使用轴发时，减速程序会按以下步骤执行：

①首先，一个减负荷预警信号被激活，提醒操作员注意。同时，向PMS发送信号，启动柴油发电机，断开轴带发电机供电。大约10 s的预警时间后，螺旋桨螺距自动降低到40%左右；

②当柴油发电机启动，轴发与主配电板断开连接后，主机将被减慢到MCR速度的40%左右。当主机转速降低时，螺距又会增加；

③如果轴带发电机在卸荷启动后仍与主配电板连接超过2 min时间，则将向主机安全系统发出停车请求；

④此时主机的最小转速信号将被提供。从图4中可以看到，在71.2 r/min时轴发保持额定功率输出，但低于该值时将降功率运行。PMS需要根据电站在线的负荷算出主机减负荷运行时的最小功率，以便主机转速降至该值，以免引起全船断电。这点在设计自动化电站时尤其需要注意的。

2.5.3 PTH运行流程分析

进入PTH模式前，首先要脱开主机，将离合器脱开信号送至PCS。同时，结合零螺距信号，将“PTH 准备”信号送至PMS。此时，可以从PCS发出PTH启动命令至PMS，PMS接收到该信号后向轴发变频系统发出PTH请求信号。这个过程中，需要注意以下几点：

(1)进入PTH模式前，主机必须停止工作，将可调桨调整至0螺距。

(2)在应急情况下，离合器可以在主机转速低于25 r/min下进行脱排。

3 实船验证

(1)试验内容：PTO 模式下各个模式的切换

试验结果：系泊和试航期间的模式转换都平稳可靠，切换的时间也符合相关要求。

(2)试验内容：PTO 模式下失复电试验

试验结果：在全船轴发失电情况下，主发23 s内合闸供电，试验结果满足规范要求的30 s。

(3)试验内容：PTH试验

试验结果：从主机切换到PTH运行，时间只花了约7 min；航速稳定在8.1 kn左右。挪威DNV 船级社AP-1入级符号的要求是主机推进切换到轴发电动推进的时间要小于30 min，航速不小于7 kn。本船PTH模式的性能指标完全满足规范要求。

4 结论

基于共直流母线技术的永磁轴发PTO/PTH系统应用，主要有如下几个特点：

(1)相比常规轴带发电机，使用永磁发电机会使效率提高3%～4%，达到94%，包括变频器的损耗，从而大大降低了燃料成本。降低燃料消耗有助于实现减排法规。

(2)永磁轴带发电机连接变频器可轻松满足现在所有对于轴带发电机系统的传统要求，例如同步、与其他发电机并行操作，无功功率控制和发电机故障诊断。

(3)在轴发变频系统中引入共直流母线系统大大减少了变频器的数量，优化了设备布置空间，扩大了PTO模式时主机的转速范围，提升了发电效率及电网质量。

总之，以永磁轴发与共直流母线变频技术的结合方案将成为当前船舶发电与推进系统新一代创新应用。