电力推进系统集成装船技术研究

李素美 谢勰 冯先伟 钟浩权 黄应祥

摘    要：目前，国内具有电力推进系统集成能力的单位较少，开展对船舶电力推进系统集成装船技术研究，对提升我国船舶建造核心技术具有重要意义。本文简要介绍电力推进系统组成，根据我司承建的某型船电力推进系统集成经验，对其系统原理、设备选型、接口、生产设计、调试和试验等进行分析研究，可供电力推进系统集成装船提供参考。

关键词：电力推进系统；集成技术；船舶建造

中图分类号：U665.1                              文献标识码：A

Research on Integrated Technology of Electric Propulsion System

Li Sumei，  Xie Xie ，  Feng xianwei，  Zhong Haoquan ，  HUAng yingxiang

（ CSSC Huangpu Wenchong Shipbuiding Co.，Ltd.，Guangzhou 510715 ）

Abstract： At present， there are only a few companies with electric propulsion integration capability in China. Therefore， its of great significance to carry out the research on Marine electric propulsion system integration technology to improve the core technology of Chinas ship construction. This paper briefly introduces the composition of the electric propulsion system. According to the experience of the electric propulsion system integration of a certain type of ship built by our company， the system principle， equipment selection， interface， production design， commissioning and testing are analyzed and studied， which can provide reference for the integrated shipment of the electric propulsion system.

Key words： Electric propulsion system; Integration technology; Ship construction

1     前言

隨着电力电子技术快速发展，电力推进技术在船舶上的安装越来越广，特别是海洋工程船舶及对操作灵活性要求较高的船舶。在未来市场，电力推进系统的应用前景广泛，且不断尝试在新的领域推广。

船舶电力推进系统作为全船的核心系统，具有发电、输电、配电、变电、推进、储能、监控和电力管理等功能。目前国内具有电力推进系统集成能力的单位较少，关键技术主要掌握在欧美几个大的设备制造商手里，例如ABB、西门子等。研究船舶电力推进系统集成技术，对提升我国船舶建造核心技术具有重要意义。本文根据我司承建的某型船，对电力推进系统集成装船技术展开分析研究，总结电力推进系统装船过程和关键技术。

2     船舶电力推进系统组成

船舶电力推进系统，一般由发电机组、电站管理系统、配电板、变压器、推进控制系统、推进电机、谐波抑制器、监控系统和推进器组成，如图1、图2所示。

3    电力推进系统装船集成技术

3.1  系统原理

电力推进系统是船舶电力从发电到配电，直至推进、控制的全过程综合系统。在确立了系统的整体方案以后，首先从系统内每一个子系统着手，分解到每一个设备，逐一对其性能指标、设计逻辑、功能需求和接口等原理技术进行分析研究，这个过程一般和系统详细设计同步进行，或者提前准备。随着对系统原理的深入分析和研究，可同时完成系统详细设计图的绘制和送审工作，为后续系统安装施工工艺、接线图绘制、调试试验等做好技术和资料的储备工作。

电力推进系统主要组成：（1）发电机、推进器，属市场成熟产品，型号的设备性能和参数固定；（2）配电板，需根据不同的船型设计具体的配置和外形，尤其是开关的选型和参数设定需做计算分析及动态仿真，是电力推进系统集成的关键技术；（3）PMS电站功率管理系统、PCS推进遥控系统以及舵桨匹配，需要根据项目的具体需求设计，是电力推进系统集成技术的关键技术。

3.2  设备选型

电力推进系统设备选型的过程，也是方案确认的过程，包括主要设备：发电机、推进电机、变频器、变压器、配电板等关键参数、型号的论证确认。从全船电力系统总性能、谐波控制要求等出发，推算出主要设备的参数（功率、形式、转速等），最终确定型号和数量等。

设备选型需要对产品市场做足够的数据收集、分类和分析，同时对影响电力推进系统和全船电气系统的关键参数做计算分析甚至动态模拟，如发电机超瞬态阻抗值Xd。

关键设备变频器的选型，对全船电力推进系统甚至全船电气系统影响重大，最重要的是谐波控制、谐振的规避和控制方案、成本等。

AFE 变频技术的优点是谐波干净，节省空间；缺点是系统成本较贵，易产生谐振。目前AFE 变频技术在船舶市场占有率比较高，尤其在作业情况复杂、设备配置较多的海洋工程船舶上使用广泛。

DFE变频技术成本低，性能成熟，长期拥有市场占有率优势。

Wartsila前几年对其LLC电推技术有过大力推广，也有不少船舶安装使用，其特点是成本较低，节省空间，但一般用在690 V及以下电制系统，其变压器的最大功率在3 000 kVA左右，加上系统内部的用电消耗，日用电压范围和推进功率均限制在1 500 kVA，局限性强。

DFE与AFE变频技术主要性能对比，见表1。

3.3   接口

系统间合理正确的连接，是电力推进系统正常运行的基础。电力推进系统具有设备多、配置先进、系统复杂等特点，系统之间相互关联、相辅相成。在一些较大型的海洋工程船上，一台机组的接口就有上百个，接口形式多种多样。接口协调通常是电力推进系统装船工作中难度较高和需要重点关注的过程，特别是随着现代电子技术的逐日发展和更新，不断有新的接口形式和类别产生，对电力推进系统内外接口的研究则更为重要。

电力推进系统接口研究，首先从系统和设备的运行机理开始，每一个对内或对外接口都承担各自不同的责任和功能，常用接口类型有4～20 mA、开关量、PT100、数字接口NEAM0183、profibus、modenbus等。通过接口研究，掌握电力推进系统主要设备接口特点及目标船型具体接口特性，归类总结接口表，为电力推进系统原理设计、接口协调、安装调试及试验提供基础数据。

以我司建造的某电力推进船舶为例，电力系统需要与船舶管理系统（PMS）的信息进行交互，配电板提供电源、开关状态反馈、报警确认、有功分配、解列、有功分配模式、外部调速设定、汇流排/发电机电压、发电机电流等信号给PMS，PMS将PMS故障、逆功保护、开关合闸/分闸命令、机组负荷高/低/过流等信号给配电板，详细接口格式及内容见表2。

表2  配电板与PMS接口交互清单

另外电力系统还需要与推进器、柴油发电机系统信息进行交互。

推进器系统将合闸/闸命令、应急停止命令等信号发送给电力系统的配电板，配电板将开关就绪、开关合闸信号、开关状态反馈信号、功率信号、母排频率、重载允许、预充电等信号反馈给推进器系统，详细接口格式及内容见表3。

电力系统配电板将柴油发电机控制模式、启动命令、停止、加速、减速等信号发送给柴油发电机系统，柴油发电机系统将机组运行、启动失败、停车/故障停车状态、发电机的差动互感器信号、、电流测量、电压测量、励磁输出、AVR 供电等信号反馈给电力系统的配电板。详细接口格式及内容见表4。

3.4  生产设计

电力推进系统生产设计研究，主要针对设备安装工艺、布置要领，特别是有特殊要求的设备，如变频器安装环境、变频电缆的敷设工艺等；对电力推进系统电缆选型，电缆敷设工艺做通用或专用技术研究，编制电力推进系统施工工艺及作业指导文件，是电力推进系统集成技术的必要环节；主要设备能否合理安装和布置，会直接影响船舶主要性能；电力推进系统生产设计研究可从设备布置、电缆选型、电缆走向设计、设备安装技术等方面展开。

3.5   调试、试验

电力推进系统调试和试验，在建造厂主要进行码头调试和海上航行试验：码头调试主要完成设备接线检查、单个设备通电调试；海上航行试验要完成系统功能试验。对重要设备的调试及软件设计、逻辑及参数设置，关键技术掌握在设备制造商手中，掌握电力推进系统集成技术和主要设备的调试技术，需要从实践中逐步学习、总结、积累。

4    结束语

本文主要结合电力推进系统实际装船经验，通过对电力推进系统集成装船关键技术的分析和研究，归纳出电力推进系统集成技术研究的思路和方向，为电力推进系统集成装船技术提供参考。

参考文献

[1] A1 f Kare Adnanes.船的电气装置与柴油电力推进系统[M].ABB AS船

舶部，2003.

[2]黄建章、吴忠林等著.船舶设计手册·电气分冊[M].第三版.北京：

国防工业出版社， 2013.

[3]ABB传动技术指导手册[Z].北京：ABB电气传动系统有限公司，2010.

[4]林德辉、黄建章.船舶电力推进[M].武汉：湖北科学技术出版社，2017.

[5]张春来 ， 吴立军 . 船舶电站系统的典型故障分析 [C] // 中国航海学会船

舶机电专业委员会. 2000年度学术报告论文集，2000.

[6]吕井勇，杨涛，张民.船舶电站自动控制系统软硬件设计[J].船海工

程， 2008（12）.

[7]范建新.船舶电站自主创新现状和途径[J]. 上海造船， 2009 （3）.