灯光围网渔船电力推进系统

郝春学，姜钰梁

灯光围网渔船电力推进系统

郝春学，姜钰梁

(武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064)

本文介绍了渔船综合电力推进系统的概况，分别介绍了各个系统，包括供电系统、推进系统、功率管理系统、推进操控系统，渔船采用电力推进系统是未来发展方向。

PMS 电力推进 操控系统

0 引言

近年来，大型灯光围网渔船的问世，给渔业带来新的发展，伴随围网渔船的增多和海洋资源的缩减，对噪音和振动性能、高可靠性及环保节能船舶的要求也增加。渔船领域发展电力推进从效益角度和长远利益来看，势在必行。

1 电力推进系统概况

渔船综合电力推进系统(单线图见图1)实现全船的供电、推进及操控功能，根据功能划分为3个分系统：供电系统、推进系统、操控系统。

供电系统主要为全船提供电源，并提供必要的保护。供电系统的额定电压为400 V、额定频率为50 Hz，其组成主要包括：400 kW机组4套、50 kW机组1套、主配电板1套、功率管理系统（PMS）1套[1]。

推进系统为船舶航行提供推进动力，可完成船舶的围网作业、进出港、航行等工况。推进系统的组成主要包括：2台推进变压器、2套6脉水冷型推变频器、1台双绕组推进电动机和1套减速齿轮箱。

操控系统主要实现推进操控功能、电力推进系统监测报警功能，由驾控台控制组件、推进控制单元、采集箱组成。

2 供电系统

供电系统主要为全船提供稳定、持续、高品质电源，通过配电板将全船的电能统一分配并启动各种现场保护功能。

航行或围网作业工况下，全船由主发电机组供电，4台主发电机组并联运行最大可为全船提供1600 kW电源，供推进、辅机、作业设备和日用负载使用，其中主发电机为3相4线制接法，可直接取相电压为220 V诱鱼灯供电，诱鱼灯控制系统应保证各相负载平衡；锚泊工况下，全船由50 kW停泊发电机组供电，供辅机、作业设备和日用负载使用；停靠码头时，可接入岸电为船上用电设备供电。

主柴油发电机组为全船电源，本船设置4台400 kW的柴油发电机组，机组的额定转速为1500 rpm，额定电压为400 V，额定频率为50 Hz。主柴油发电机组满足船舶电力推进系统对电站动态响应的要求，并能承受本船电网中的谐波电压和谐波电流。主发电机中性点引出，组成3相4线制系统。

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，为各发电机和用电设备提供保护功能，如过载、短路、欠压、逆功等保护功能，并监测400 V电网和230 V电网的绝缘电阻。主配电板可以手动操作并车、负荷分配和负荷转移。当停泊发电机供电时，只对部分负载供电。

图1 电力推进系统单线图

3 推进系统

推进系统为船舶航行提供推进动力。推进系统可完成船舶的围网作业、进出港、航行等工况。推进系统中推进电机轴功率为1×1000 kW，转速为1000 r/min。推进电机通过减速齿轮箱驱动螺旋桨。主推进电机为双绕组电机，每套绕组通过变频器单独控制，变频器通过两台推进变压器连接至400 V电网。推进电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。

推进变压器为干式变压器，单台容量为700 kVA。两台变压器接法分别为Dd0和Dy11，当两台推进变压器同时工作时，对于400 V交流电网相当于虚拟12 脉动整流，可大大降低电网的谐波。为了避免在变压器投入时出现大冲击电流，主推变压器设有预充磁装置。

推进变频器是变频驱动系统的控制核心，对不同工况下的推进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。推进变频器将对推进电机进行转速控制，使系统根据指令，连续调节推进电机的速度，驱动螺旋桨，使船舶平稳航行。推进变频器的控制方式采用优化的脉宽调制方式。2套推进变频器是相互独立的，可分别控制推进电机的两套绕组。推进变频器采用水冷型推进变频器，可减小推进变频器的体积、噪声和发热量。变频器具备以下功能：

1）保护功能

推进变频器具有过电压、过电流、低电压、过负载、超温、绝缘监测等保护。

2）功率控制功能

为了让发电机的负载保持稳定，对推进负载进行功率控制、速度控制或转矩控制。在功率控制模式下，推进电机的速度和转矩能在最大限定值范围内变化，控制系统将根据控制手柄给出的功率设定值，连续调节电机的速度和转矩，保持功率的稳定。

3）功率限制功能

推进变频器具备了发电机功率限制功能。如检测到电网输出功率达到某一限值（50%～100%，可设定），控制器将限制推进装置的吸收功率，保证电网不会过载。同时，功率管理系统将起动备用发电机。当1台或者数台机组出现故障而跳闸时，推进变频器能够快速降负荷，将输出功率降至与可用机组功率相匹配，在保证剩余机组不会出现过负荷跳闸情况下，最大限度地利用机组可用功率。功率限制功能可保证仅1台主发电机在网运行的情况下，也可起动推进装置而不致造成电网过载。

4）预充磁控制功能

推进变频器配备了预充磁控制功能。推进变压器接通前，其控制预充磁变压器向推进变压器提供预充磁，使推进变压器绕组建立反电势，减小变压器投入时的冲击电流。

5）预充电功能

推进变频器配备了预充电功能，在推进变频器投入前给直流电容充电建立电压。

6）紧急停车功能

紧急停止功能是独立于控制系统的，在任何时候推进变频器柜门上、驾控台和其他操作部位上的紧急停止按钮都同时有效。

推进电动机选用鼠笼异步水冷电动机，采用双绕组设计，由变频器驱动，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。推进电动机各相绕组和轴承上都设置了温度传感器，可以连接到推进操控系统。

4 功率管理系统

功率管理系统对全船的功率实施统一优化管理，主要设备包括PMS主控制器、机组数据采集控制子站ET200M、发电机保护并车单元PPU及PMS人机界面等，通过现场总线PROFIBUS连接，组成功率管理系统（如图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[2]。

1) 机组的自动启动

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。备用机组的优先顺序可人工设定。启动成功达到投网电压后自动投入的时间小于30 s。机组启动指令的发出不超过三次，具有三次启动失败报警功能。当PMS收到一套机组启动失败信息后，则能自动将启动指令转至下一套备用机组，并发出报警信号。机组发生超速或滑油失压等严重故障时，使故障机组紧急停机，并启动备用机组投入。能对每套机组的自动启动予以闭锁，以便能安全地进行维修。

图2 PMS网络连接图

2) 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，待并机组可自动同步，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。在机组正常工作时，保证任意发电机组长期并联运行，当总负荷率在20%～100%和功率因数在0.6～0.9(滞后)范围变化时，保证有功功率分配差度不大于5％，无功功率分配差度不大于10％。机组投入运行后，频率调节精度为50±0.5 Hz。当电网出现短路故障而造成在网发电机主开关脱扣时，在人工应答复位前防止各发电机组开关重新合闸。

3) 机组的解列和停机

若指定机组解列后其实时功率小于60%（可设定）的可用功率时，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。当解列发电机组经负荷转移后，负荷率低于10%（可调），电流不超过30%In（可调）时发出分闸指令。被解列的发电机组在分断发电机主开关并空载运行3 min后，按设定程序发出停机指令。

4) 发电机组起、停序列设定功能

通过母联屏OP可设定供电系统各发电机组的自动起、停的优先级并可在人机界面上修改。

5) 重载询问功能

在启动大容量的用电设备之前，用电设备应先向功率管理系统发出启动请求，功率管理系统根据机组在网情况，判断是否能满足它们的用电和起动要求，若能够满足时，则发出启动允许信号，允许启动；若不能满足时，则应在一台备用发电机组启动、并网且在网机组功率贮备足够时，才发出启动允许，允许它们投入电网用电。

6) 分级自动卸载功能

当电网在线负载的总用电量超过供电发电机的额定输出能力，并持续一定的时间之后，应能自动将在线负载中的次要负载以四级的方式从电网分断，以确保对重要负载的连续供电。

7) 人机界面监测功能

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（见图3所示）。PMS可以根据电网的运行状况、每套发电机组的运行情况，动态调整对机组的控制指令[3]。主要有以下功能：

彩色人机界面的动态显示：在母联屏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；

报警窗口：当有报警时，弹出当前的报警信息小窗口。

图3 功率管理系统主界面

5 推进操控系统

推进操控系统具备两部分主要功能（见图4所示），推进操控功能及监测报警功能。能够同时控制每条推进支路，依靠优化的人机操纵界面和完备的控制及保护策略，操纵人员能够安全、可靠、便捷地实现对船舶推进系统的各种操作。能够监测推进系统内所有设备的运行状态，确保推进系统的安全运行，并且将设备运行信息显示给操作人员[4]。

推进操控系统能够监测推进系统内所有设备（包括主配电板、推进变压器、推进变频器、推进电机）的运行状态，对冷却风机等辅助设备进行相应的控制，同时结合推进控制功能，对系统设备进行相应的保护。

图4 推进操控系统图

6 结论

渔船多数采用单舵浆推进，从图1可以看出，本系统采用两台变频器同时驱动单台双绕组电机，机组的电制采用三相四线制，诱鱼灯光系统和辅助系统无需采用单独的辅助发电机组进行供电，而与主推进系统统一供电，实现了主推进、诱鱼灯光系统和辅助系统电能的统一调配，使得渔船的装机功率减少，造价降低。采用多台机组组成发电系统，当某一台发电机组故障时，其它发电机组能够正常供电；采用两台变频器及双绕组电机，单台变频器故障或推进电机的单电枢故障时，仍可以维持单机正常运行，因此，电力推进系统渔船具有故障冗余，运行可靠性高等特点。综上所述，渔船采用电力推进系统，实现了船体布置结构灵活，实现了全船电力系统统一分配，有效解决了灯光围网渔船动力性能差、节能环保性差、噪音和振动大等特点，为渔船动力系统的变革起到了指导意义。

[1] M.Chow, P.M.Mangun，and S.O.Yee. A Neural Network Approach to Real-Time Condition Monitoring of Induction Motors. IEEE Trans.OIE, DEC.1991, PP. 448- 453.

[2] 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.

[3] 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.

[4] 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.

Integrated Electric Propulsion System for Lamp Seining Fishing Boats

Hao Chunxue, Jiang Yuliang

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

U674.4

A

1003-4862（2014）10-0062-04

2013-09-04

郝春学（1983－），男，硕士。专业方向：电力系统仿真、船舶电力推进系统技术。