3500吨敷缆船综合电力推进系统关键技术应用

2021-08-23郝卫明刘文达

船电技术 2021年8期

郝卫明，刘文达

郝卫明，刘文达

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

为了提高某3500吨敷缆船综合电力推进系统可靠性、智能化、系统冗余性能的技术指标,设计过程中采用了系统计算、仿真验证等技术手段，在设备研制过程中采用了具有热备冗余功能的智能化能量管理系统、智能化船舶机舱监控系统、大功率低速柴油发电机组冗余控制技术、变频软启动器同步切换电流抑制技术等关键技术。所有技术指标在系泊航行实验中得到验证。

综合电力推进系统敷缆船系统冗余智能控制

0 引言

某3500吨级敷缆船采用的综合电力推进系统，为舰船动力提供了一种全新智能化、冗余化的动力系统方案，属于船舶电力推进技术领域。同现有敷缆船相比，该装置综合采用了电力推进方式，并具有DP-2动力定位能力。以及进行智能化。

众所周知，我国海岸线全长约18000公里，沿海散布着众多岛屿，这些岛屿在经济、军事、政治等方面具有重大意义，岛屿的电力供应、对外通讯关系着地方经济发展、国家安全和政治稳定。近年来，由于环保及全球温室效应影响，作为负责任的大国，我国大力发展可再生能源，特别是在可再生电能方面取得了长足发展，我国沿海浅滩及岛屿架设了大量的风电场、潮汐能发电场、太阳能发电厂，这些电能均需要通过海底电力电缆将电能输送到岸基变配电站，在经过电网送到负荷端。敷缆船的成功运营对于岛屿供电电缆和通讯电缆的埋设、维修工程，海上再生能源输送及维护具有重要的意义。

1 系统组成

3500吨级敷缆船综合电力推进系统单线图如图1所示。敷缆船综合电力推进系统实现全船的冗余化供配电、推进、动力定位及监测报警功能。根据功能划分为4个分系统：供配电系统、推进系统、自动化系统及动力定位系统。供配电系统实现全船负载馈电和保护，供电系统额定电压为690 V，额定频率为50 Hz，其组成包括4台2000 kW柴油发电机组、1台300 kW柴油发电机组、1台120 kW柴油发电机组、690 V主配电板一套、400 V辅配电板1套。推进系统为全船提供推进动力，可完成船舶敷缆作业、航行、进出港等工况，敷缆船配置了4套推进支路，每条支路包含了1台推进移相变压器、12脉动整流水冷型推进变频器、一台异步推进电机。自动化系统主要实现供配电系统的冗余化和智能化控制、监测报警等功能，包含了热冗余功率管理系统，监测报警系统，以及智能化泵组管理系统。

本系统电站由多台大功率柴油发电机组组成，单台机组故障不影响系统功能，可靠性更高。采用冗余化低速大功率发电机组控制技术，精确控制机组转速及电压，提高供电系统稳定性。热冗余的智能化能量管理系统，针对系统全船供配电设备采用控制策略动态优化的控制方案，提高供电安全性。配电系统可实现分区供电，对故障点进行隔离。保证供电连续性。

图1 系统单线图

2 主要技术特性及技术指标

2.1 主要技术特性

通过FMEA分析，该船推进系统配置4条推进支路，船舶艏艉异侧支路通过推进电机、推进变频器、移相变压器连接到同一段供电母线，出现单点故障后，该装置能够保持设计条件下动力定位能力。主推进变压器采用轴向分裂结构，两组原边线圈均采用延边三角形联结。两条支路推进系统同时运行时，对变压器前端电网相当于虚拟24脉波整流，四条支路同时运行时，对前端电网相当于48脉动整流，可大大降低变频器对电网的谐波影响[1]。

智能化监测报警系统，采用基于移动终端的机舱设备运行状态实时在线监控及状态评估，以及基于移动通讯的远程故障诊断及故障预测，进一步降低系统全生命周期的维护保养成本。

通过变频软起技术降低大功率电机启动过程中冲击电流，通过推力分配技术提高电网高负荷下系统稳定。

2.2 主要技术指标

主要技术指标如下表：

表1 主要技术

3 关键技术的突破情况

3.1 系统冗余性及匹配性优化设计

敷缆船配置了具有DP-2附加标志的动力定位系统，对船舶的动力系统及其他系统提出来更加严格的冗余性要求，敷缆船为了取得DP-2的附加标志，必须进行FMEA分析，FMEA分析内容涵盖了所有与动力定位系统相关的设备和系统，经过合理功能划分及深入详细的系统分析，确保各系统能够对单点故障进行有效而快速的隔离，在不增加成本的前提下，确认系统设计满足DP-2的要求。采用国产化供配电系统、监控报警系统、推进系统，具备DP-2动力定位能力的大功率敷缆船。

针对敷缆船特点，采用供电设备分区管理、配电系统分区供电、推进系统冗余布置的设计方式提高了系统的供电连续性、可靠性和动力定位能力。

敷缆船采用分区供电，各段690 V母排连接两台主发电机组，各分区互为备用，实现连续供电。机组出现单机故障时，可由同一母线的备用机组为该母线提供电能，保证系统持续供电[2]。

敷缆船配置了四条推进支路，四台推进器分布在船艏和船艉的左右舷两侧，并且艏艉异侧的推进器连接在同一端母线上，保证了单故障点状态下船舶姿态保持，满足设计海况下，单点故障发生时DP-2定位能力的要求。

图2 推进系统冗余设计

动力定位功能的实现，需要供配电系统、推进系统共同完成，多个系统之间的优化控制和系统参数匹配技术尤为重要。敷缆船在作业状态下，电力系统负载会发生较大范围的波动，在船舶功率管理系统的控制下，在确保船舶作业安全的前提下，进行动态负载控制，以增强船舶电力系统稳定性。本船采用基于动态负载控制方法的船舶推力分配方式，进一步打通了PMS系统和DP控制系统之间孤岛效应，形成了结合功率管理的组合偏置推力分配方法。当负荷波动量大于阈值时，功率管理系统首先将机组控制模式切换为同步均衡控制模式，再向DP控制系统发出推力组合偏置信号，推进器通过偏置的推进器功耗用来缓冲其他负载的功率突降，维持电网稳定[3]。

本船突破了动力定位系统、供配电系统系统、推进系统之间系统控制策略优化和系统参数匹配的关键技术。突破供配电系统、机舱监测报警系统、能量优化管理系统、推进系统动力定位系统的冗余化设计关键技术。此功能的开发，为后续具有动力定位能力的工程船舶的提供了设计参考依据。

本项目进行了系统冗余化和匹配性设计，采用国产化供配电系统、监控报警系统、推进系统，具备DP-2动力定位能力的大功率敷缆船。

图3 动态推力组合分配原理图

3.2 低速大功率发电机组冗余控制技术

目前大多数电力推进船舶采用高速发电机（一般采用6极或4极电机），发电机组转速及稳定较高，仅配置单独的机组控制器。本船受制于成本限制，采用大功率低速发电机组（10极电机），为了保证供电系统可靠性，保证供电连续性，本船配置了两套机组控制器，并且采用了两种控制器，实现了下垂模式和同步均衡模式下机组的启停、同步并车、解列、负荷分配、监测报警等功能，两种控制器可实时进行切换，两套控制器分别通过独立通讯网络接入PMS系统。通过能量管理系统或者操作人员手动切换的方式，控制机组实现增减机、负荷均衡等操作。在正常状态下，机组工作于有差调节或者恒频调节模式下，若当前控制方式出现故障，系统会通过自动或者手动方式进入另一种控制方式。

在下垂控制模式下，实现了机组基于模拟量和数字通讯方式的负荷均衡模式。并能实时自动切换。本船突破了大功率低速发电机组双控制冗余控制与控制器实时切换技术，同时突破了下垂模式下负荷分配系统的冗余控制和实时切换的关键技术。

图4 机组冗余控制着原理图

3.3 智能化热备冗余PMS

按照船规要求，DP-2的船舶，在出现单个故障（不包括一个舱室或几个舱室的损失）后，可在规定的环境条件下，在规定的作业范围内自动保持船舶的位置和艏向。对于PMS来讲，应对分断的母线分别设置独立的PMS系统[4]，或者采用冗余的控制器，单个的PMS控制器故障不至于影响其他PMS控制器。本船采用热备冗余的方式，配置两套控制器，两套机组控制器和现场I/O设备接入两套独立的通讯网络，两套控制系统同步运行，当其中一套主控制器出现故障时，在100 ms内可无缝切换至另一台控制器运行。

图5 智能辅助操作模块工作流程图

PMS系统同时对动力系统主要设备进行了实时监控，利用智能辅助控制系统，对动力系统设备进行实时的状态评估和故障诊断，并依据设备实时状态优化PMS控制策略，实现机舱设备可靠、高效、稳定的运行。

首次采用具有热备冗余功能的智能化能量管理系统,实现了系统控制策略优化、设备状态评估、在线故障诊断、全生命周期管理。本船突破了PMS的热备冗余控制技术，同时突破了PMS基于系统设备状态感知的优化控制技术，实现了PMS系统与人工智能技术的深入融合，PMS系统更加智能化，船舶电力系统系统运行更加稳定、节能环保。

3.4 智能化机舱监测报警系统

敷缆船采用智能化机舱监测报警系统，系统采用冗余化设计，系统中配置多台无线路由器和手持式无线终端，机舱操作人员通过手持式无线终端可是实时读取机舱监测报警数据，便于对机舱各设备的实时监控，同时监控系统接入互联网，可以通过移动通讯网络或卫星宽带与故障诊断中心实时通讯，并上传机舱监测报警数据，故障诊断专家通过实时上传的参数和信号，对机舱各设备进行在线式远程故障诊断[5]。

机舱监测报警系统采用冗余通讯接口，通过以太网进行实时同步通讯、两条独立的通讯网络同时工作，一旦其中一条通讯网络发生故障，另一条网络仍能进行数据通讯，保证系统正常运行。

本船监测报警系统突破了实时在线诊断技术，实现了监测报警系统的智能化和冗余化设计，便于系日常维护和操作。

3.5 变频软起同步电流抑制

敷缆船配置了4台315 kW的高压冲水泵组，为了较小系统谐波，保证电网供电质量，高压冲水泵采用变频软启动方式启动泵组。变频软启动器软启动完成后，采用锁相环对交流电网电压进行锁相得到相位、幅值，并对交流电网采样电压进行滤波相位、幅值等补偿后，将反电势与交流电网电压相位差作为转速给定值的附加控制量，将反电势与交流电网电压幅值差作为磁链给定值的附加控制量，以调节输出电压相位和幅值使相位差、幅值差减小到可接受的动态区间。

本技术突破了变频软启动器在切换过程中的大电流抑制技术包括电动机反电势与交流电网电压相位差、幅值差补偿算法和主开关合闸延时预测补偿处理。实现了切换过程中电流抑制，同时降低了电网谐波，提高了电网品质。