4 000 t起重船电力系统设计

郭 烨 曾国咏

（上海振华重工（集团）股份有限公司 上海200125）

引 言

随着大型海上工程和海难救助事业的快速发展，大型起重船作为不可缺少的工程船舶之一在其中发挥着重要的作用。近日一艘由国内造船厂为卢森堡船东Normalux Maritime SA负责建造的4 000 t“GULLIVER”号自航起重船频繁出现在各海难救助与打捞现场，成为海上抢险救援的明星。该船主要服务于欧洲市场的海上起重作业和风电场的安装、维护作业等，是一艘集起吊、运输和打捞于一体，具有自航能力的多功能起重船，入级英国劳氏船级社。“GULLIVER”号在主甲板上拥有2台2 000 t起重机，起重机可以在船上的轨道间来回行走。配备了水下推进器和主/辅锚泊定位系统，使其能够在其他同类船舶无法到达的海域作业。作为该项目的参与人员，本文将对“GULLIVER”号的电力系统的配置和设计作简要介绍，期望能对今后类似项目的设计工作起到一定的参考意义。

1 推进系统及推进电网的选择

考虑到整船的定位效果和操纵性，“GULLIVER”号在首、尾各设置2台柴油机驱动的全回转可调桨推进器，每台柴油机的自由端设有一台推进发电机。由于需满足英国劳氏船级社DP（AA）［1］入级附加标志的要求，发电机和推进器需有冗余，4台推进器分别安装在4个完全独立的舱室内，如图1所示。

图1 推进器布置示意图

每台柴油-推进系统的辅助系统（如燃油系统、滑油系统、冷却水系统及通风系统等）完全独立。配电部分为了实现冗余的设计，在每个推进器室设有各自的推进配电板，分别连接到同一推进器室内的推进发电机上，这样每个推进器室就构成了一个完全独立的配电网络，只给各自推进器室内的辅助系统和推进器相关设备供电，全船便形成了4个独立的推进电网，在DP模式下可与主电网完全隔离。这样的设计能够保证即使在发生最大单个故障的情况下，动力定位操作还能持续进行。该船的最大单点故障是单台推进器失效，在规定的环境条件下，剩下的3台推进器仍能有效定位。

2 电站及配电设备

“GULLIVER”号的电力系统的主要配置如下，主电力系统单线图如下页图2所示。

2.1 发电机

2台主发电机组AC 690 V， 60 Hz， 1 500 kW；1台辅助发电机组AC 440 V， 60 Hz， 800 kW；4台推进发电机 AC 293～440 V， 40～66.7 Hz， 135 kW×600 r·min-1/ 270 kW×900 r·min-1及1台应急兼停泊发电机组AC 440 V，60 Hz，188 kVA。

图2 “GULLIVER”号电力系统单线图

2.2 电动机发电机组

为构成清洁电网（Clean Net），在局部的电网中采用了电动机发电机组（Rotary Frequency Converter）的供电方式， 起到了完全的电气隔离和谐波隔离的作用。该电动机发电机组由三相交流异步电机带动同步发电机组成，整个机组集成在一个密封的机座内，机座外壳只留有电气接线和外部冷却水管的接口，与外界几乎完全隔离。

全船总共设2套电动机发电机组。主电动机发电机组为AC 690/440 V，电机参数：AC 660 V，60 Hz， 850 kW， 发电 机参 数 ：AC 440 V， 60 Hz，800 kW； 辅助电动机发电机组为AC 440/690 V，电机参数：AC 440 V，60 Hz，170 kW，发电机参数：AC 690 V，60 Hz，152 kW。

2.3 930 V直流配电板（包含变频驱动系统）

起重机、定位锚绞车和压载系统是起重船的核心设备，总共包含了37台交流变频电机，如起重绞车、变幅绞车、系泊绞车、拖带绞车和压载泵等。变频驱动形式采用的是公共直流母线的方案，适用于各个设备之间动作关联程度高、变频器集中应用的场合。相对于传统的单台1对1变频驱动方式，达到减少元器件的数量、节省设备安装空间及电缆布线和降低整体投资的目的［2］。

整个系统主要由交流发电机、整流模块、直流母线、变频逆变器、制动斩波器和制动电阻等几个部分组成。

公共直流母线的运用大大减少了整流模块的数量。两台交流主发电机各自通过一个整流模块向公共的直流母线供电，将发电机输出的交流电整流成为直流电，从而组成了一个直流电网。区别于交流电网中发电机同步需同时考虑频率、电压、相位相同等因素，直流电网中同步仅需满足电压相同这一个条件［3］，就可以实现并网运行。

逆变部分采用的则是1对1逆变器，全部的逆变器通过熔断器挂接在同一组公共的直流母排上，从直流母线获取电能，将直流电转化为电压、频率可调的交流电，以实现电机平滑调速的目的。

起重机和定位锚绞车在实际使用过程中经常会出现同一系统中多台电机处于电动和制动状态（发电状态）的情况，公共直流母线的技术能够实现从再生发电电机回收能量并将其补充其他逆变器所需的电动能量，避免造成产生的能量通过制动电阻器以热能的形式全部消耗掉的情况，在省去大量的制动单元和制动电阻的同时，又实现再生能源的合理利用［4］，提高整个系统的效率。为防止短时间内出现电机在使用过程中出现急降速或紧急制动时产生过多再生能源无法被吸收的情况，对直流母线造成影响，在每段母线侧配置了公用的制动单元和制动电阻装置。

直流母线被分成两段，通过直流快速熔断器相连，正常情况下母联开关保持常闭状态，当任意一侧母排发生严重故障时，母联开关才会断开。

2.4 辅助配电板

正常情况下通过变频器向主电动机发电机组供电，由电动机带动同步发电机发出AC 440 V交流电压给辅助配电板供电。该配电板除了包含辅助发电机相关的控制和监测的功能外，还具备以下这些功能：

（1）2台主发电机的起/停控制、开关合分闸控制和相关监测功能；

（2）主、辅电动机发电机组的起停控制、开关合分闸控制和相关监测功能；

（3）辅助发电机和主电动机发电机组的自动并车和负载分配功能；

（4）应急配电板的模式选择及联络开关合分闸控制；

（5）应急发电机的起/停控制、开关合分闸控制和相关监测功能。

2.5 推进配电板

推进配电板的汇流排被分成了三段，每段汇流排之间设置母联开关。推进配电板也通过联络开关和辅助配电板相连。

推进发电机由推进柴油机直接驱动，虽然配有CPP调距桨推进器，但是为增强船舶的操控性能和定位能力，需要推进器工作在联合操控模式（combinatory mode）。所以即使在推进发电机向电网供电的时候，柴油机的转速仍然是不断变化的，这导致发电机的电压和频率会随主机转速而变化，无法直接给负载供电，所以考虑在发电机和配电板之间安装变频器。发电机发出的交流电经变频器整流并逆变后，形成电压与频率均基本恒定的交流电给电网供电。同时为了更大程度改善谐波电流对电网的干扰，采用LCL型滤波器也是一种能够改善电网谐波干扰的有效手段，其能够减小电流中的高次谐波成分［5］，改善电压波形。

3 供电模式

如前文所述，由于船舶主电网和推进电网相对独立，将分别对这两种电网供电模式进行说明。

3.1 主电网的供电模式

正常情况下，船上用电负荷比较低时，可以仅开1台主发电机供全船用电。当用电负荷较高（特别是在起重作业或者锚泊定位）时，则需要同时开2台主发电机，在个别极端工况下则需要开2台主发电机和1台辅助发电机。

以下通过表1以及图2中各断路器的编号，结合不同的操作工况及各用电设备的情况，对4种主要的供电模式进行说明。

供电模式一：适用于航行/拖拽工况或低负荷时的作业工况。由其中1台主发电机给930 V直流配电板供电，闭合开关S5经主电动机发电机组（M2A）给辅助配电板供电。在全船失电的情况下，辅助发电机和应急发电机会同时起动，首先由辅助发电机给辅助配电板供电，当20 s内辅助发电机未能成功给辅助配电板供电，辅助发电机的开关S6将被闭锁，2 s后应急发电机连接到应急配电板，由应急发电机给应急配电板供电。

供电模式二：适用于起重作业工况或锚泊定位。由2台主发电机并联运行给930 V直流配电板供电，闭合开关S5经主电动机发电机组（M2A）给辅助配电板供电。辅助发电机处于备用状态。

供电模式三：适用于四点锚泊定位起重作业工况。此时需同时使用2台起重机，用电负荷很高，2台主发电机无法满足全船用电量的需求，需同时开起辅助发电机。930 V直流配电板由2台主发电机供电，辅助发电机和主电动机发电机组（M2A）同时并联运行给辅助配电板供电。

供电模式四：适用于停泊工况。由辅助发电机给辅助配电板供电，闭合开关S4经辅助电动机发电机组（A2M）给930 V直流配电板供电。

表1 各供电模式下断路器的状态

3.2 推进电网的供电模式

推进配电板的汇流排分成3段，把连接的负载按DP相关负载和非DP相关负载分成两类，分别连接在BUS-B和BUS-C汇流排上。图3为推进电网示意图以及在不同模式下的各断路器状态。

图3 推进电网示意图及各断路器的状态

当在DP模式下作业时，断开B、C汇流排之间的母联开关，闭合推进发电机的主开关和A、B汇流排之间的母联开关，形成B汇流排上的负载（DP相关负载）由推进发电机供电，C汇流排上的负载（非DP相关负载）由主发电机供电，形成分区供电的模式。

在非DP模式下，此时断开推进发电机的主开关以及A、B汇流排之间的母联开关，闭合B、C汇流排之间的母联开关，同时闭合推进配电板与辅助配电板之间的联络开关，形成由主发电机经辅助配电板对推进配电板供电的模式。

4 功率管理系统

该船的主发电机数量少并且在主要作业工况下均需要2台主发电机同时投入运行，没有常规自动电站中备用机组的概念，所以根据电网负载情况自动增加和解列发电机的功能在本项目上并无太大意义。

“GULLIVER”号关键的施工作业设备都为变频驱动，提高电站供电的可靠性和持续性是实现稳定、持续、安全施工作业的关键。本船PMS的重点在于可靠、稳定的功率分配，对全船的变频驱动设备进行实时的监测和管理。PMS功能除了具备常规船舶中自动并车、负载转移、重载问询、分级卸载和断电恢复等功能外，还需具有配合变频控制系统完成设备的功率限制、速度限制及主配电板再生能源的监测等功能。

为有效防止发电机过载而引起整个电站断电，PMS会精确计算当前实际用电量和电站可供电量的差距，根据电站的运行趋势进行判断，通过向变频控制系统发送最大功率信号来实现功率限制［6］，以便将电站负荷控制在合理的范围内；当主配电板中产生的再生能源无法被利用或者被制动电阻消耗掉时，PMS还会向变频控制系统发送速度限制命令。

5 结 语

“GULLIVER”号已于去年成功交付，并逐渐在海上施工领域崭露头角。近日在对挪威最大军舰的打捞过程中发挥了举足轻重的作用，更是出现在国内各大新闻媒体的报道中。

该船电力系统的设计思路具有某些特点，对日后海洋工程船舶的电力系统设计具有极重要的参考价值。

多项技术的应用被证实是成功的，诸如公共直流母线的应用很出色地满足了起重机的控制要求；强大而快速的压载系统能准确跟踪起重作业，使起重作业能够快速、稳定、连续完成，这都离不开该技术的应用。电动机发电机组以及LCL滤波器的应用，在构建清洁电网、谐波抑制方面也取得了成功。