“粤剧红船”电网及电力推进系统设计

常红艳 危成亮

摘 要：随着节能减排要求的提高，船舶采用电力推进将越来越普及。全回转舵桨电力推进具有舵桨一体化、操纵性能良好、振动噪音小等优点，尤其适用于内河等机动操纵受限的船舶。“粤剧红船”采用全回转舵桨电力推进装置，大幅度提升了旅客观光体验的舒适性。

关键词：全回转舵桨电力推进；谐波控制

中图分类号：U664.14 文献标识码：A

Abstract： With increasingly demanding on environmental protection， the application of electric propulsion system will become more and more popular. Azimuth thruster & electric propulsion system with the function of steering gear and oar has good maneuverability， especially suitable for vessels in river with restricted maneuverability. Azimuth thruster & electric propulsion unit is used on the tourist boat named YUE JU HONG CHUAN， which effectively reduces the vibration noise and greatly improves the comfort of the tourists' sightseeing experience.

Key words： Azimuth thruster & electric propulsion； Harmonic control

1 引言

“粤剧红船”为广州市新型旅游表演观光船，主要用于珠三角内河航道日夜游中进行粤剧表演、观光等。本船设计围绕“最大舞台空间、最优舞美效果、最佳乘坐体验、最好安全舒适”的目标，通过技术创新与艺术创作深度融合，将“红船”设计成为奇妙的水上剧场。

该船采用电力推进除在经济性、操纵性、安全性、節能减排方面具有显著优势外，最重要的是降低了推进振动噪音，为游客舒适的观光体验创造了条件。

2 电力推进系统组成

该船全回转电力推进系统主要由柴油发电机、主配电板、推进变频器、推进电机、全回转舵桨以及监控系统等组成：

（1）柴油发电机（3台）：型号为D16MG-HE；电制为 AC400 V、3相、50 Hz、400 kW；

（2）主配电板（1座）：含发电机屏/3屏；屏联络开关&同步屏/1屏；推进电机供电&AC380V; 负载屏/2 屏；AC220 V 负载屏/1 屏）；

（3）推进变频器（2套）：型号为ACS800-37LC-350-3；额定输出电流 480 A、供电电压 400 VAC± 10%；供电频率/输出频率 50± 2 Hz/0～50 Hz；

（4）推进电机（2套）：型号为M3BP 355；输出轴功率 230 kW、额定转速 1 488 r/min；电制为 3相、AC380 V、448 A；

（5）全回转舵桨（2套）：型号为SZP30A；额定输入功率 230 kW、额定输入转速 1 500 r/min；变频电机带动蜗轮蜗杆360°转舵；

（6）主要监控系统：推进控制及监测系统（PCS）；电站管理系统（PMS）；UPS等。

3 供配电系统

相对其他游览船而言，该船除正常航行设备用电外，还搭载有升降舞台、海盗船、移动马道、移动戏楼、移动戏台、舞台灯光、音响及室外装饰照明等约二十种专用演出设备。为保证上述演出设备在不同工况下正常使用，经多次和导演组协商，最终确定了演出设备按五种演出工况计算用电量（最大演出工况用电量约240 kW），并按需配置相应的电站容量。此外，由于舞台机械、灯光系统采用三相五线制配电系统，同时考虑推进变频器和演出设备电网影响，舞台机械、灯光照明采用变压器隔离后经区域配电板供配电系统。

根据上述用电设备特点，采用三台AC400 V、3相、50 Hz、400 kW柴油发电机组成的公共电站。全船供配电系统图，见图1。

从图1中看出，主配电板内AC400 V汇流排通过联络开关分成二段：第一段（Bus_A）对应1#柴油发电机组和2#柴油发电机组；第二段（Bus_B）对应3#柴油发电机组。AC400 V汇流排的主要负载为全回转推进器、空调装置、1～2#舞美用变压器、装饰照明用变压器以及日用变压器等。正常航行时，AC400 V汇流排二段通过联络开关连接：当其中一段故障，断开联络开关，以保证另一段汇流排上的设备正常运行，同时保证推进功率的最低需求。

主配电板内AC230 V汇流排通过二套400 V/230 V变压器供电，负责向全船的照明等AC230 V负荷供电。

此外，主配电板内设有电站监控系统（PMS），该系统除设有自动增减机外，还设有柴油发电机组黑起动、功率限制、工作模式（航行、停泊和舞台）选择、与舵桨控制接口等功能。

4 电力推进控制

该船按内河A级游览船4类客船进行设计，推进控制系统控制部位设置在舵桨舱及驾驶室，以舵桨舱控制优先。

该船设有二套全回转舵桨电力推进系统，每套系统主要由机旁控制箱（含推进变频器）、驾驶室遥控板等单元组成，正常在驾驶室遥控板通过混合式控制手柄对舵桨的回转随动控制和推进电机的转速控制。混合式控制手柄水平转动可以对单个螺旋桨进行360°的回转操作，前后扳动可以对推进电机转速进行操控。在遥控手柄故障情况下，可采用遥控面板备用按钮实施对舵浆旋转角度及推进电机转速进行应急控制，必要时控制部位可转为机旁。

4.1全回转舵桨

全回转舵桨是一种Z型传动装置，实现舵桨一体化，主要功能是将推进电动机输出的动力通过高弹性连接轴及舵桨上下齿轮箱内两对螺旋锥齿轮传递到螺旋桨产生推力，同时可以指令电控系统来控制带螺旋桨的下齿轮箱转动，达到向左或向右回转，因此螺旋桨的全部推力可以作用于任何方向，从而获得推进和推力方向的最佳配合。全回转舵桨传动形式如图2所示。

从图2可以看出，本船全回转舵桨转速通过推进电机（推进变频器）控制，转舵舵角由转舵电动机（转舵变频器）控制。因此，舵桨设有转舵电机启动、停机、舵角正反转控制功能，同时按规范要求还设有舵桨滑油液位低、滑油温度高、电源故障、转舵电机过载、随动操舵故障等报警。此外，舵桨还配有舵机反馈装置，并具有远程显示信号接口。

4.2 推进变频器

推进变频器用于推进电机的控制，通常由控制单元、整流单元、逆变单元及水冷单元等组成：控制单元用于变频器起动、停止、调速、制动，并具有逆变启停、转矩（功率）控制等辅助功能；整流单元用于将整流变压器一组或多组三相交流电源变换成直流，再向逆变电源提供直流电源；逆变单元用于直流逆变成交流，向推进电机提供频率可变的交流电源，并具备一定的保护功能；水冷单元用于整流及逆变单元功率模块的冷却。

推进变频器功能组成结构图，如图3所示。

1）为主开关和充电单元，2）为EMC 滤波器，3）为LCL 滤波器，4）为供电模块，5）为制动斩波器，6）、7）为制动电阻，8）为逆变模块，9）正弦波滤波器。

此外，按规范要求推进变频器还应设有输入电压、电流及冷却介质温度高显示、过载、接地故障、逆变及整流综合报警等。

5 谐波控制

谐波来源于电网的非线性负载，当谐波分量达到一定程度时用电设备将出现过电流、绝缘老化加速、噪音等异常现象，严重时将导致电网保护失效，影响船舶安全。而对“粤剧红船”而言，谐波如不加以治理将导致舞台机械运转不正常，影响正常演出。

基于专业机构仿真计算及总谐波失真率分析，影响日常负载及舞台机械正常工作的谐波源主要有：推进变频器、舞台机械、灯光照明等。因此按规范及相关标准要求，本船在配电系统各处的电压波形总谐波失真（THD）应不超过5%和任何单次电压谐波畸变应不超过3%，以确保电网的品质满足全船设备安全可靠运行。

设计时，通过以下措施进行谐波控制：

（1）在设备选型上：由于常规DFE型变频器（ 12 脉波）会产生特征电流或电压畸变，需要额外考虑谐波治理。而AFE型变频器由于采用了IGBT功率元件，并能同 LCL滤波器集成一起，可以有效降低电源端的谐波干扰，节省设备布置空间，经综合考虑本船选用AFE型变频器；

（2）在配电方式上：由于舞台机械、灯光照明大部分为非线性负载，经计算区域配电板谐波分量超出规定限值，因此在区域配电系统增设有源滤波器，以实现对局部谐波源就地消除。经试验测定，区域配电板（舞美配电箱DDB1、DDB2、DDB3）电压波形总諧波失真（UTHD）治理前后对比，见表1。

从表1中看出，任何单次电压谐波畸变在滤波器治理后不超过3%，满足规定要求。同时通过有源滤波器治理，电流谐波畸变、有功功率因数均有改善，电能使用效率也有所提高。

6 结论

对于电力推进的船舶，为将谐波影响降到最低，设计时除完成推进电网设计、变频器选型等外，还需对推进电缆、推进发电机直轴瞬态电抗（Xd）、超瞬态电抗（X”d）、推进电机绕组温度等因素综合考虑。

“粤剧红船”电力推进系统设计，一方面降低了船舶推进振动噪音，另一方面通过推进装置及配电系统优化，并对谐波进行有效治理，在保证正常推进的同时，为剧场演出用电提供了保障。经试验验证，本船实现了推进控制与配电安全统筹协调，达到设计预期目标。

参考文献

[1]ABB ACS800-37 （LC）低谐波柜体式（水冷）传动硬件手册.

[2]GB/T1303-2009 船舶电力推进系统技术条件.