珠江380客位双体客船电力推进系统的设计

刘波涛，李岳洋，饶兆杰

(1．江苏现代造船技术有限公司，江苏 镇江212003;2．广州市客轮公司，广东广州510000)

0 引言

珠江是西江、北江、东江和下游支流的总称，全长2 214 km，位居全国第四。因大小河流众多、流域面积广等特点，使珠江成为了除长江水系以外，航运业最发达的水系。而以珠江为平台，逐步发展起来的水路运输业及旅游业已成为了珠江三角城市群里重要的经济增长点。同时珠江水系的入海口毗邻港澳，特别是珠江下游的广东省，位置极其优越。截至2016年底，广州从事珠江水路旅游客运的船舶共54艘，年度客流量已经达到3 000万人次左右，俨然已成为广州城市风采的经典景观。

目前珠江水系大部分游览船的主机推进系统采用常规柴油机推进系统，以此产生较大的噪声、振动、污染，大大影响了游客的舒适度，同时与两岸现代化建筑极沿岸景观及其不协调。为解决上述问题，本文研究的珠江380客位双体客船的推进系统采用交流电力推进方式，具有配置灵活、操作性能好，振动和噪声小的特点。

1 总体设计

珠江380客位双体客船作为过江轮渡兼观光游览功能的一种新型游船，主要航行于珠江水系，其造型古典优美，具有岭南特色。

为满足船舶航程较短、停靠频繁等诸多特点，同时通过对该船机桨匹配计算及电力负荷计算后，推进系统采用交流电力推进方式。在考虑船体线型的基础上，在艉部设置2台200 kW变频推进电机，同时在机舱设置3台330 kW发电机组为其提供电力供应。系统组成如图1所示。

该船电站总功率为990 kW，属于低压电网的容量范围，因此可采用400 V低压电力系统。主电站由3台330 kW交流发电机组组成，正常工况下为2台330 kW发电机组长期并联运行，也可以3台并车连续运行。主配电板作为该船电站的输配电装置，肩负着保护全船发电、输电、配电任务，起到配备完善的电流、电压、频率异常保护作用。

该船主配电板通过配备PMS系统来控制和管理本船的电网。PMS系统根据电网功率的需求合理配置整个电站系统，使整个电网在船舶任一工况下运行的效率最高。当PMS系统监测到在网功率不足时，根据预先设置自动启动备用发电机组且能够自动同步、自动合闸并车、自动进行负荷分配;同时当监测在网功率低于平均单台发电机组功率35%时，能够自动解列、自动延时150 s后停车。

2 推进系统设计

电力推进系统为该船提供动力装置，满足船舶的所有航行工况。该船通过推进电机连接齿轮箱和艉轴，与常规的主机直接推进相比，缩短了传动轴的使用距离，降低了一定的机械损耗，从而提高了整体动力推进系统的运行效率。

该船电力推进系统由2条推进支路组成，每条推进支路单线图如图2所示。每条推进支路都由1台三绕组整流推进变压器、1台交直交推进变频器、1台感应式推进电动机组成。同时每条支路在设计时均匹配相应的过流保护措施，以此来满足船舶的快速响应功能。由于变频器的介入使得该船推进电动机可以实现无级调速，船舶在加速过程中不会产生因换挡加速带来的抖动，更有利于提高船舶的舒适性。2条独立的12脉冲整流支路在整个电力推进系统形成1个虚拟24脉冲整流回路，此方式保证了400 V电网THD谐波分量不大于5%。

图1 电力推进系统单线图

图2 支路推进控制系统单线图

推进电机在调速传动时，变频器根据电动机的特性对供电电压、电流、频率进行适当的控制，不同的控制方式所得到的调速性能、特性以及用途是不同的。按系统调速规律来分，变频调速主要有恒压比控制、转差频率控制、矢量控制和直接转矩控制等4种结构形式。该船采用脉冲宽度调制(PWM)矢量控制变频器作为主要调速系统，通过分解电动机电流，并分别控制其转矩分量和磁通分量，使其性能接近于直流电动机的动态特性。根据对实船运营情况分析，该船与公司其他客船相比，采用电力推进系统比采用常规推进系统效率至少提高6%。

3 谐波控制

推进变频器是该船推进系统的核心装置。该船变频器采用脉宽调制型，整流器用二极管组成，逆变器用绝缘栅双极晶体管组成，具有较强的热稳定性和快速运算能力。

变频器属于非线性元件，在使用过程中会有谐波产生，这就使得变频器输入端和输出端的电压及电流在运行时会发生畸变，从而影响整个电力推进系统的正常运行。《钢质内河船舶建造规范》要求交流电气设备应能在供电电源的谐波成分不大于5%的情况下正常工作，所以应采取相应措施来降低谐波，使船舶具备良好的推进效果。

通过计算，该船最终采用容量为250 kVA的三绕组强制风冷整流变压器，以匹配推进变频器的容量。然而，该船在设计初期采用虚拟12脉冲推进方式，即每条推进支路为独立的6脉冲整流方式，且经过计算各推进工况下电压总谐波也能够满足规范低于5%的要求。图3为采用虚拟12脉冲整流推进方式正常航行100%工况时电压谐波计算分布图和数值，图4为采用虚拟24脉冲整流推进方式正常航行100%工况时电压谐波计算分布图和数值。

图3 虚拟12脉冲正常航行100%工况时电压谐波分布图

根据图3可以得出:电压谐波总畸变率(THD)为 2．747%。

图4 虚拟24脉冲正常航行100%工况时电压谐波分布图

根据图4可以得出:电压谐波总畸变率(THD)为0．715%。

根据《钢质内河游船建造规范》的要求，本船谐波电压、电压谐波总畸变率分别按式(1)和式(2)进行计算。

谐波电压含量UH定义为:

电压谐波总畸变率THDu定义为:

式(1)～式(2)中:Un为第n次谐波电压均方根值;U1为基波电压均方根值。

通过计算结果可以看出，虽然2种推进方式的电压谐波均满足规范最低要求，但是在该船采用虚拟24脉冲整流推进方式的电压谐波分量远小于采用虚拟12脉冲整流推进方式。在电源质量上，12脉波变频装置相比于6脉冲变频装置具有系统响应速度快、谐波含量少、损耗降低、转矩脉动低等优点。其缺点是所需电子元件数量大，6脉冲电路需要36个晶闸管，而12脉冲电路需要72个晶闸管，因而增加了成本。

由于该船航行于珠江航段，主要从事高端水上旅游业，船东对船舶的品质、电源的品质均要求较高，因此该船最终采用虚拟24脉冲推进方式。

4 监控系统

监测报警系统实现对全船重要设备的监测和报警。监测报警系统由集控台与采集柜组成。在集控室设有集控台与采集柜，采集柜用于采集设备状态参数与报警，集控台用于实时显示、报警、记录等。监测报警系统与推进系统、配电系统由Profibus DP网络进行连接，收集各分系统状态和监测参数。

该船综合监测报警系统是基于工业计算机、PLC控制器、工业以太网及Mod BusRTU现场总线的模块化设计概念的系统。通过FMEA(故障模式分析FMA和故障影响分析FEA)，为了获得更高的可靠性，工作站、网络结构均采用双冗余配置，现场数据采集控制箱自带CPU完全独立运行而不依赖工作站。而推进控制系统能够实时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。

5 结语

内河航道与海洋航线相比，具有弯道较多、深浅不一、航道狭窄等特点，且珠江内河航运通常相对繁忙，需要不断地避让过往船舶，同时靠离码头也比较频繁，因此，船舶采用电力推进方式可以满足运营要求。该双体客船电力推进方式具有机组配置灵活，操作性能、排放特性和经济性好，振动和噪声小等优点。随着该船投入运营，必将给沿岸城市带来良好的环境较高的和经济效益。

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