急流航段全回轉(zhuǎn)舵槳電推船電站設(shè)計(jì)研究

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(中國船級社 武漢規(guī)范研究所,武漢 430022)

《內(nèi)河船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》(2004)第2篇第2章中規(guī)定，根據(jù)水文和氣象條件，內(nèi)河船舶航行區(qū)域劃分為A、B、C三級，其中某些水域，依據(jù)水流湍急情況，又劃分為急流航段(J級航段)，急流航段按灘上流速劃分為J1(5.0～6.5 m/s)和J2(3.5～5.0 m/s)兩級。由于急流航段的特殊性，《鋼制內(nèi)河船舶建造規(guī)范》(以下簡稱《規(guī)范》)對內(nèi)河急流航段航行的船舶提出了附加要求和特殊規(guī)定[1]。

全回轉(zhuǎn)舵槳電力推進(jìn)船舶具有易于操縱、節(jié)能減排、振動(dòng)和噪聲小等優(yōu)點(diǎn)[2]，在內(nèi)河中逐漸得到更多的應(yīng)用。原有的《規(guī)范》主要是針對常規(guī)艉軸柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，而對于這種新的驅(qū)動(dòng)方式的電氣特點(diǎn)，論述得不多。特別是急流航段，由于航道狹窄，水流湍急，流速和流向都會(huì)嚴(yán)重影響船舶航向[3]，需要充分考慮。

1 現(xiàn)有《規(guī)范》對急流航段船舶的有關(guān)規(guī)定及分析

《規(guī)范》中出于對船舶的推進(jìn)和操縱性的安全考慮，對內(nèi)河中急流航段航行的船舶增加了新的要求，主要有如下幾點(diǎn)。

1)對于客船(包括1型客滾船、2型客滾船、車客渡船)、油船和散裝運(yùn)輸液化氣體和散裝運(yùn)輸危險(xiǎn)化學(xué)品船舶應(yīng)至少安裝雙主推進(jìn)裝置。

2)所有船舶動(dòng)力操舵裝置應(yīng)具有2臺(tái)操舵能力相同的舵機(jī)裝置動(dòng)力設(shè)備，且對于轉(zhuǎn)舵轉(zhuǎn)矩大于16 kN·m的電控型舵機(jī)，動(dòng)力設(shè)備的管系和附件應(yīng)互相獨(dú)立設(shè)置，僅在油缸入口隔離閥處匯合。當(dāng)其管系或1臺(tái)動(dòng)力設(shè)備發(fā)生單項(xiàng)故障時(shí)，此缺陷能被隔離，且能迅速轉(zhuǎn)換至另1臺(tái)使用，轉(zhuǎn)換時(shí)間應(yīng)不大于10 s。

3)船舶應(yīng)設(shè)置應(yīng)急操舵裝置，應(yīng)急操舵功能與正常操舵功能相同。應(yīng)設(shè)置應(yīng)急蓄電池供電，當(dāng)主電源失電時(shí)，應(yīng)急蓄電池應(yīng)能立即向應(yīng)急操舵裝置的動(dòng)力及控制設(shè)備供電，時(shí)間不小于1 h。

1)和2)保證船舶動(dòng)力設(shè)備發(fā)生單點(diǎn)故障的時(shí)候，不應(yīng)失去全部推進(jìn)動(dòng)力和操縱能力；3)是為了保證能迅速地對舵機(jī)應(yīng)急供電，故要求蓄電池提供舵機(jī)的應(yīng)急能源。

全回轉(zhuǎn)舵槳的電力推進(jìn)船舶，其推進(jìn)動(dòng)力來源全部依賴于主電網(wǎng)的電力供應(yīng)，即使設(shè)置雙軸推進(jìn)，如果主電網(wǎng)失電，也會(huì)造成全船推進(jìn)能力的喪失，達(dá)不到“單點(diǎn)故障不失去全部船舶推進(jìn)力”的要求。另外，船舶的操縱依賴于舵效，全回轉(zhuǎn)舵槳舵效與螺旋槳的推進(jìn)是高度耦合的，螺旋槳推力喪失無論回轉(zhuǎn)角有多大也不能產(chǎn)生轉(zhuǎn)船力矩[4]，即沒有舵效。

當(dāng)主電網(wǎng)失電，采用蓄電池對舵機(jī)應(yīng)急供電后，常規(guī)艉軸柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的船舶推進(jìn)和舵效能得到完全的恢復(fù)；而全回轉(zhuǎn)舵槳的電力推進(jìn)船舶由于舵效還需要靠推進(jìn)力來保證，仍沒有舵效。

綜上所述，對于急流航段中的全回轉(zhuǎn)舵槳電力推進(jìn)船舶，最關(guān)鍵的問題是電網(wǎng)失電后帶來的影響。對于常規(guī)艉軸柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的船舶可以配備雙推進(jìn)、雙動(dòng)力操舵機(jī)構(gòu)和應(yīng)急蓄電池來滿足規(guī)范要求，從等效來考慮，應(yīng)同時(shí)將蓄電池作推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)急電源。但即使對于小型電力推進(jìn)船舶(推進(jìn)功率低于1 500 kW)來說，由于蓄電池重量和體積都十分大，將蓄電池作為推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)急電源是不太現(xiàn)實(shí)的。

現(xiàn)行《規(guī)范》中對內(nèi)河船舶的主電源供電連續(xù)性沒有要求，但為了等效地滿足規(guī)范對急流航段船舶安全性要求，又不采用前述蓄電池作推進(jìn)應(yīng)急電源方案，全回轉(zhuǎn)舵槳電推船應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)就關(guān)注主電源的供電連續(xù)性，并對能引起主電源供電失效的單點(diǎn)故障予以考慮。

2 過電流故障解決思路

過電流故障是船舶電氣系統(tǒng)中常見故障，選擇性保護(hù)是基于斷路器的延時(shí)特性，根據(jù)電力系統(tǒng)的短路電流計(jì)算分析，依靠延長其位于較接近電源的保護(hù)電器的分?jǐn)鄷r(shí)間來實(shí)現(xiàn)先后脫扣順序，是一種相對可靠，并在設(shè)計(jì)和施工中都相對簡單的方案。設(shè)置適當(dāng)?shù)倪x擇性保護(hù)后，可以使得過電流故障發(fā)生后，通過保護(hù)器件將故障部分線路切除后，剩余的電力系統(tǒng)仍能正常供電，從而保障船舶的正常運(yùn)行。

現(xiàn)行《規(guī)范》對內(nèi)河船舶電力系統(tǒng)的選擇性保護(hù)只有一個(gè)籠統(tǒng)的要求，沒有送審要求。在此建議急流航段的全回轉(zhuǎn)舵槳電推船應(yīng)按照《船舶電力系統(tǒng)選擇性保護(hù)指南》的要求進(jìn)行選擇性保護(hù)設(shè)計(jì)，并將保護(hù)電器協(xié)調(diào)動(dòng)作分析報(bào)告納入到送審圖紙當(dāng)中。這樣，由于急流航段要求船舶至少有雙推進(jìn)支路，對于短路故障，除主匯流排之外，任一處饋電線路發(fā)生故障，切除故障支路，都能保證至少一半的推進(jìn)和操縱力，但主匯流排的短路故障必須單獨(dú)考慮。

這里，考慮兩種方案。

1)船舶采用分區(qū)獨(dú)立供電，或在主配電板主匯流排分成多段，分段之間不連接，推進(jìn)和其它負(fù)載均分連接到主匯流排各分段，見圖1。對于任何一處單點(diǎn)故障，都至少能保證一半的推進(jìn)力和操縱動(dòng)力，降低了主電網(wǎng)失電的風(fēng)險(xiǎn)。但是，對于雙槳推進(jìn)的電力推進(jìn)船舶，當(dāng)船舶的電網(wǎng)使用了電力電子設(shè)備對推進(jìn)電動(dòng)機(jī)或其他大型工程機(jī)械進(jìn)行調(diào)速控制，為限制其帶來的諧波影響，往往采用單推進(jìn)支路12脈沖整流，從而構(gòu)成雙推進(jìn)支路虛擬24脈沖整流，從而抑制電網(wǎng)諧波，見圖2。

圖1 母線不聯(lián)接的方案

圖2 母線帶保護(hù)聯(lián)接的方案

如果強(qiáng)制電力推進(jìn)船舶的電網(wǎng)采用分區(qū)供電或左右舷分開供電，就無法構(gòu)成虛擬24脈沖整流，從而在抑制諧波方面，就需要采取一些高成本的措施，這也是設(shè)計(jì)者不愿意見到的。

2)采用帶保護(hù)的斷路器連接主匯流排的分段，一般這個(gè)斷路器稱為母聯(lián)開關(guān)，見圖2的ACB0。母聯(lián)開關(guān)的保護(hù)，主要考慮對主匯流排的短路故障的保護(hù)，一般僅設(shè)置STD進(jìn)行保護(hù)，按照時(shí)間選擇性來進(jìn)行短路保護(hù)。以圖2系統(tǒng)為例，各保護(hù)電器短延時(shí)可按如下設(shè)置：MCCB6～MCCB11短延時(shí)0.1 s，MCCB5短延時(shí)0.15 s，MCCB3、MCCB4以及ACB3、ACB4短延時(shí)0.2 s，MCCB1和MCCB2短延時(shí)0.3 s，ACB0短延時(shí)0.5 s，ACB1和ACB2短延時(shí)0.7 s。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)主匯流排以下負(fù)載饋電線路發(fā)生短路故障，由時(shí)間選擇性保障僅切除故障支路；當(dāng)主匯流排一側(cè)發(fā)生故障時(shí)，母聯(lián)開關(guān)由時(shí)間選擇性可在發(fā)電機(jī)端斷路器動(dòng)作之前斷開，以保障非故障的一側(cè)主電源的供應(yīng)；當(dāng)發(fā)電機(jī)組端發(fā)生短路故障，則主要靠發(fā)電機(jī)端斷路器的瞬動(dòng)保護(hù)或差動(dòng)保護(hù)來確保切除該發(fā)電機(jī)組端的故障，保證主電網(wǎng)的供電。

3 功率管理系統(tǒng)的設(shè)置

考慮到電力推進(jìn)船舶的特點(diǎn)，一般來說為了提高能效，通常會(huì)設(shè)置2臺(tái)甚至更多的可并網(wǎng)的主發(fā)電機(jī)組，根據(jù)航行工況靈活地增減，對全船推進(jìn)及其它負(fù)載進(jìn)行供電。

故在電氣設(shè)計(jì)時(shí)，建議設(shè)計(jì)者考慮設(shè)置可靠的功率管理系統(tǒng)(以下簡稱PMS)，來實(shí)現(xiàn)電站的自動(dòng)管理。PMS具有控制方式靈活、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)[5]，可以容易地實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組相關(guān)參數(shù)的監(jiān)測和報(bào)警、自動(dòng)并網(wǎng)及解列、自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載、重載詢問、有功、無功負(fù)荷分配以及快速功率限制卸載等功能，使得在網(wǎng)機(jī)組能對負(fù)載大小自動(dòng)調(diào)節(jié)，增加電站供電的可靠性。

在正常的情況下，PMS可以保證電站的正常工作，防止電力中斷，但若在網(wǎng)機(jī)組可用功率快速下降，PMS的響應(yīng)速度就很重要。根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)工作且處于額定負(fù)荷率的情況下(此處考慮最惡劣工況，即僅有2臺(tái)發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)工作)，并網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組其中1臺(tái)發(fā)生故障而故障解列，若考慮正常工作時(shí)，每臺(tái)在網(wǎng)發(fā)電機(jī)的負(fù)荷率為80%左右，1臺(tái)發(fā)電機(jī)故障解列后，另1臺(tái)將工作在160%左右。當(dāng)發(fā)生這樣一種特殊情況時(shí)，應(yīng)有合理的措施保障，僅剩的一臺(tái)發(fā)電機(jī)也必須能持續(xù)工作。

4 特殊情況的解決方案

一般發(fā)生上述特殊情況會(huì)造成以下保護(hù)措施動(dòng)作。

1)內(nèi)河規(guī)范規(guī)定，一般發(fā)電機(jī)斷路器的LTD整定值一般在發(fā)電機(jī)額定電流的125%～135%，而STD整定值在發(fā)電機(jī)額定電流的200%～300%。根據(jù)斷路器保護(hù)的動(dòng)作電流特性曲線，一般來說剩余的1臺(tái)發(fā)電機(jī)處于2倍的額定負(fù)荷率工作情況下時(shí)，其保護(hù)電器會(huì)在介于短延時(shí)和長延時(shí)的延時(shí)時(shí)間內(nèi)脫扣跳閘。

2)剩余的一臺(tái)發(fā)電機(jī)由于是額定負(fù)荷率下突加1倍額定負(fù)荷率的負(fù)載，會(huì)造成電網(wǎng)電壓的跌落，根據(jù)內(nèi)河規(guī)范對發(fā)電機(jī)的欠電壓保護(hù)的要求是：當(dāng)電壓降至35%～70%之間時(shí)，發(fā)電機(jī)主開關(guān)應(yīng)能自動(dòng)分?jǐn)啵磺冯妷罕Ｗo(hù)裝置的延時(shí)應(yīng)與短路保護(hù)延時(shí)相協(xié)調(diào)。因此欠電壓所導(dǎo)致的保護(hù)跳閘也會(huì)延時(shí)較短時(shí)間后動(dòng)作。

3)一般柴油機(jī)的標(biāo)定工況都是它能長期穩(wěn)定輸出的功率，出廠前柴油機(jī)油門齒條會(huì)鎖死在一個(gè)固定的過載點(diǎn)，比如110%額定功率，超過這一功率柴油機(jī)是無法輸出的，如果嚴(yán)重過載會(huì)造成柴油機(jī)保護(hù)裝置動(dòng)作停機(jī)。這一過程是不可逆轉(zhuǎn)的，也就是說只要保護(hù)裝置動(dòng)作，即使負(fù)載降到額定值以下柴油機(jī)也會(huì)停機(jī)。

此3種保護(hù)動(dòng)作均可能導(dǎo)致最后一臺(tái)在網(wǎng)發(fā)電機(jī)組停止工作。

一般情況下，推進(jìn)系統(tǒng)的用電負(fù)荷是整個(gè)電力推進(jìn)船舶用電最大的一部分，通常占到了50%～80%，即使PMS將非重要負(fù)載優(yōu)先卸載，其剩余的在網(wǎng)負(fù)載仍會(huì)遠(yuǎn)高于僅剩的在網(wǎng)發(fā)電機(jī)組最大輸出功率。因此在設(shè)計(jì)PMS及電站控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)考慮在出現(xiàn)上述特殊情況時(shí)，迅速限制推進(jìn)功率，才能有效地解決過負(fù)荷問題。但柴油機(jī)功率調(diào)整是一個(gè)機(jī)械過程，其響應(yīng)速度遠(yuǎn)低于電子設(shè)備的響應(yīng)速度。根據(jù)國內(nèi)外的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，如果在0.2～0.5 s之內(nèi)能夠?qū)⒇?fù)載降到柴油機(jī)能夠承受的范圍，則柴油機(jī)保護(hù)裝置及其他保護(hù)均不會(huì)動(dòng)作，可以保證主電源供電的連續(xù)性；否則，柴油機(jī)會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)由于嚴(yán)重過載而停機(jī)，同樣導(dǎo)致最后一臺(tái)在網(wǎng)發(fā)電機(jī)組解列而主電網(wǎng)失電。

本文建議此時(shí)應(yīng)考慮PMS和推進(jìn)控制系統(tǒng)的密切配合，盡可能地節(jié)省控制系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間。必須指出，由于PMS普遍采用PLC來實(shí)現(xiàn)對發(fā)電機(jī)組的監(jiān)測，當(dāng)監(jiān)測到上述故障后，PMS將信號通訊到變頻器進(jìn)行推進(jìn)限制，而PLC其工作過程一般分為輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段，稱作一個(gè)掃描周期。以SIEMENS的PLC為例，一個(gè)掃描周期大約需要幾十毫秒，如果通訊任務(wù)很多的，時(shí)間就更長了。故建議采用變頻器的邏輯控制單元主動(dòng)監(jiān)測在網(wǎng)機(jī)組狀態(tài)，例如監(jiān)測電網(wǎng)頻率參數(shù)。目前，求取電網(wǎng)瞬時(shí)頻率的算法很多，如文獻(xiàn)[6]的方法，當(dāng)電網(wǎng)頻率在0.3 s內(nèi)由50 Hz變化到60 Hz，是可以在4 ms內(nèi)監(jiān)測出這個(gè)階躍變化的[7]，這樣將縮減從PMS監(jiān)測出異常到通訊至變頻器這個(gè)時(shí)間，有利于更快地進(jìn)行功率限制響應(yīng)。這一控制方式的有效性筆者在以往的實(shí)船設(shè)計(jì)和試驗(yàn)中也得到過驗(yàn)證。例如，當(dāng)模擬某臺(tái)發(fā)電機(jī)組故障時(shí)，故障發(fā)電機(jī)的輸出功率、電網(wǎng)頻率和電壓會(huì)發(fā)生大幅波動(dòng)；或在網(wǎng)某臺(tái)發(fā)電機(jī)主開關(guān)故障跳閘，變頻器若主動(dòng)監(jiān)測在網(wǎng)機(jī)組的輸出功率、頻率、電壓、發(fā)電機(jī)主開關(guān)這幾個(gè)參數(shù)中的一項(xiàng)或多項(xiàng)，采用相關(guān)的邏輯控制，無論變頻器采用直接轉(zhuǎn)矩控制[8]或是矢量控制[9]等，只要控制系統(tǒng)迅速做出反應(yīng)，封鎖或限制逆變器開關(guān)管的PWM輸出脈沖信號，迅速限制輸出電流(即推進(jìn)轉(zhuǎn)矩)，由于推進(jìn)功率與轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩均成正比關(guān)系，即使轉(zhuǎn)速也不能迅速降低，也可以達(dá)到限制推進(jìn)功率的作用，即實(shí)現(xiàn)對限制推進(jìn)功率的快速響應(yīng)，從而避免最后一臺(tái)在網(wǎng)發(fā)電機(jī)組解列停機(jī)。

5 結(jié)論

內(nèi)河急流航段全回轉(zhuǎn)舵槳的電力推進(jìn)船舶電站型式可以采用推進(jìn)母線分段不連接的方式，或采用在使用帶保護(hù)的母聯(lián)開關(guān)斷路器的方式，對于后一種方式，建議如下。

1)有條件的電力推進(jìn)船舶，盡量采用多于2臺(tái)發(fā)電機(jī)組構(gòu)成主發(fā)電系統(tǒng)，并保持每一段分匯流排都有在網(wǎng)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行。

2)有條件的電力推進(jìn)船舶，將柴油機(jī)的功率裕量增加，使如發(fā)生第3節(jié)所述突發(fā)情況時(shí)，柴油機(jī)的過載率可以低一些。

3)當(dāng)有可能發(fā)生第3節(jié)所述突發(fā)情況時(shí)，應(yīng)具備有效措施，盡可能在0.2 s～0.5 s以內(nèi)將推進(jìn)功率限制到合理值，以保證主電網(wǎng)最后一臺(tái)在網(wǎng)機(jī)組不會(huì)因電網(wǎng)過載而解列，導(dǎo)致主電網(wǎng)失電。

內(nèi)河急流航段對船舶的安全可靠性要求很高，全回轉(zhuǎn)舵槳的電力推進(jìn)船舶可能發(fā)生的故障中最嚴(yán)重的是主電源的失電，應(yīng)尤其注意防止其發(fā)生而造成影響船舶及人生安全的事故。

[1] 中國船級社.鋼制內(nèi)河船舶建造規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2009.

[2] ADNANES A K.Maritime electrical installations and diesel electric propulsion [M].ABB Marine AS,Oslo,Norway,2003.

[3] 劉元豐,楊渡軍,陳 禾,等.三峽庫區(qū)橋區(qū)河段船舶運(yùn)動(dòng)模型與仿真研究[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2010,29(1):138-141.

[4] 康 偉,褚建新,黃 輝,等.可回轉(zhuǎn)雙槳電力推進(jìn)船舶運(yùn)動(dòng)模型的研究[J].中國航海,2011,53(1):107-116.

[5] 朱永祥,程浩忠,安 亮. 基于PPU的小型船舶電站經(jīng)濟(jì)型控制方案研究[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2011,30(5):1044-1048.

[6] YUKINORI Inoue, SHIGEO Morimoto,MASAYUKI Sanada.Output maximization using direct torque control for sensorless variable wind generation system employing IPMSG [C]∥EPE-PEMC,2008:1859-1865.

[7] 俞萬能,鄭晏穎.船舶電網(wǎng)頻率實(shí)時(shí)檢測仿真研究[J].中國造船,2012,53(1):159-163.

[8] RAHMAN M F.Analysis of direct torque control in permanent magnet synchronous motor drives [J].IEEE Trans on P.E..1997,12:528-536.

[9] MOERSCHELL J,TURSINO M.A new vector control scheme for inverter-fed permanent magnet synchronous motor using DSP [C]∥Con.Rec.IV European Conference in Power Electronics and Applications,Firenze:1991:100-104.