3500吨级敷缆船综合电力推进系统

2019-01-17刘文达

船电技术 2018年12期

刘文达，周兴

3500吨级敷缆船综合电力推进系统

刘文达，周兴

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064;）

本文概述了3500吨级敷缆船综合电力推进系统，介绍了功率管理系统（PMS）的结构和功能及电力推进系统电力的组成，并探讨了系统的PMS网络构架、系统容量计算，短路电流计算及系统谐波计算问题,对工程应用有一定的设计指导作用，综合电力推进系统在未来海洋工程中的应用中正在转变为主流趋势。

敷缆船PMS 电力推进谐波

0 引言

敷缆船又称为“敷设用船舶”（Cable Ship），是用于在海底、水下敷设电缆的专用船，也可以做电缆维修船。建设海底电缆是为了进行有线通信，有线通信容量大，安全可靠抗干扰能力强，担负着对于没有陆路相通的国家地区之间彼此沟通的重任，在全球化大趋势的当今世界，研发设计敷缆船具有重大战略意义。

本3500吨级敷缆船采用综合电力推进系统，为本船负载进行配电与保护，本船采用DP满足本船航行与进出港需求，并实现对电力推进系统相关设备及其它重要设备的监测报警功能。

1 系统介绍

本敷缆船综合电力推进系统包含供电系统、推进系统和自动化监控系统等分系统。

供电系统主要由4台2000Kw 主柴油发电机组、1台300kW停泊柴油发电机组、1台120kW停泊/应急柴油发电机组、1套690V 主配电板、1套400V/230V 辅助配电板组成。

推进系统有四条推进支路，每条推进支路由推进变压器、推进变频器、推进电机组成。推进电机额定功率为1500 kW，额定转速为1000 r/min。

自动化监控系统包括功率管理系统（Power Management System.简称PMS）、监控台、驾控台等。

2 综合电力推进系统功能

本船综合电力推进系统必须保证船舶电网供电的稳定性和持续性。本系统设计有动态和静态的功率限制功能，如果一台或数台发电机故障脱扣，变频驱动控制系统将根据电网上的实时最大可用功率快速计算出功率限制值，快速限制推进负荷的功率大小，避免造成剩余在网发电机组的过载跳闸。

在速度控制模式下，系统的变频器根据操纵手柄或遥控系统（驾驶台操作系统或者动力定位系统）给出的速度给定信号对电动机进行无极调速控制。

本船电网的最大负荷是推进负荷，推进负载在恶劣海况条件下波动很大，因而造成本船电网系统的负载持续波动，这对本船电网的稳定性造成很大影响[1]。针对该问题，本系统设计了功率控制模式。在系统处于功率控制模式下时，推进电机的转矩和速度在最大限定值范围内变化，变频控制系统将根据车钟手柄给出的功率设定值，平滑调节电机的速度和转矩，保持推进功率的稳定，从而保证电站功率的稳定。在恶劣海况条件下，航行时螺旋桨会随机跃出水面，使用功率控制模式对电动机进行功率限定控制可减少推进负荷的剧烈波动。

本船设有全船功率管理系统，其不仅具有对船舶电站的监视、控制、保护报警功能，还将实现推进系统、船舶电站、DP系统之间的协调运行。在负载增减变化时，功率管理系统根据实时负荷情况，自动启动或停止每套主发电机组的运转并增减电力输出到整个电站[2]。

配电板主要将全船的电能统一分配并启动各种现场保护功能。配电板馈电给4套推进系统及其它380 V 负载，并通过400 V/230 V 变压器220 V负载供电。配电板内设有风机、油泵遥控切断功能。

400 V 配电板和功率管理系统的设计保证电站在各种工况下长期稳定并联运行，满足各种保护及其自动化要求。

每套变频驱动系统变频器通过1台三绕组移相变压器连接到船舶电网，单条推进支路对电网来说为12脉冲整流；DP作业时，两段690 V 电网均相当于虚拟24脉冲整流，可有效降低电网谐波THD值。

图1 电力推进系统单线图

3 功率管理系统概述

功率管理系统（简称PMS）的监控对象为主发电机组及停泊/应急发电机组及主配电板内的主断路器和母联开关。PMS由2组完全冗余设计的两套S7-400HPLC 组成，两套控制器独立运行并互为备用。在一组出现故障时，系统能自动转换到另一组自动运行。PLC通过Y-link与PPU进行DP通讯。PPU是一个真正的多主站系统，其功率管理功能是依靠PPU计算实现的。系统内部选定一个控制单元为“命令单元”。该控制单元负责发电机保护、起动优先级和其它相关功率管理功能的计算。

PMS根据功率的需求对每台主发电机及推进控制系统进行监控并协调各发电机的工作，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。系统网络图如图2。

PMS能管理4台主发电机组，并且能管理停泊/应急发电机组，在DP 操作时，按下DP 模式，电站能在PMS管理下母排自动分段、负荷自动分区，满足DP操作要求[4]。

母联开关配置有保护功能的同步模块，为母联开关提供保护、同步合闸、分闸控制等。在DP 操作时，按下DP模式，电站能在PMS管理下母排自动分段、负荷自动分区，满足DP操作要求[5]。

为了确保供电连续性和系统可靠性，PMS采用两级控制网络完成。上层采用冗余的PROFIBUS控制网络，上层PROFIBUS通过Y-link连接DEIF公司的PPU3。下层网络采用CAN-BUS连接各个PPU3，实现机组间的功率分配和协调。当CAN-BUS通讯故障或断线时，还可以通过负载分配线进行协调[3]。PMS配置单独的UPS，容量满足系统电源需求和CCS规范的要求。

4 推进系统设计

电力推进系统由推进移相位变压器，推进变频器，推进电机组成。

推进系统各设备容量匹配性计算：

表1 各设备计算参数

4.1 变频器参数的计算及校核

S(kVA)=m/(cos)=1857.585

主推进电动机的额定基波电流：

I(A)=P/(1.732mcosφ)×1000=1702.345。

主推进变频器在推进电机额定电压下输出基波电流I(A)=2320，可见I>p，I/I=136.28%。

4.2 变压器容量需求计算

所需主推进变压器容量：

S1=PK/(ηηcosφ)=1728.65 ，S1>S1。

电力系统容量需求计算

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每套主推进变压器输入功率：

P1(kW)=PK/（ηηη）=1728.65

辅机输入功率P=200.00(kW)，日用功率l(kW)=200.00。

全速推进工况功率需求：

xq(kW)=2P1+P=3657.30

动力定位起重工况功率需求：

P(kW)=4*P1+P+P=7314.61

电站的功率利用率为P/∑=91.43%。

5 电力系统短路电流计算

使用CCS计算软件Compass-Rules,计算本电力系统最大工况（4发电机并网），短路电流值为如表2。

6 系统的谐波问题

谐波问题是本项目重点考虑的问题之一，在航行工况下，低压侧不带任何谐波滤波器的情况下，船级社规范要求整个电网的总电压谐波失真(THD)在任何工况下不超过5%，任何单次谐波不超过3%。电力推进技术在实际运行过程中，影响电网的谐波畸变的因素主要包括如下：系统组成设备（发电机（Xd”）、变压器（Z%）、移相变压器的对称性和移相精度、非线性负荷的参数特性）；系统的网络结构（多脉整流技术还是有源前端技术）；在网机组容量（kVA）、非线性负荷占总负荷比例、非线性负荷占电网容量的比例等；电网电压的不平衡度、电网电压的畸变度[6]。

用ETAP12.0进行谐波估算最大工况（4发电机并网，4推进器同时75%功率运行时的工况）的建模及计算结果如图3和表3所示。

表2 短路电流计算结果