深遠海養(yǎng)殖平臺的電力推進應(yīng)用研究

黃溫赟，黃文超，黎建勛，趙新穎

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深遠海養(yǎng)殖平臺的電力推進應(yīng)用研究

黃溫赟，黃文超，黎建勛，趙新穎

（中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機械儀器研究所，上海200092）

在海洋捕撈產(chǎn)量逐年減少的情況下，海洋品的供應(yīng)將主要依賴水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展。我國近岸海域水土資源有限且受水質(zhì)狀況的限制，深遠海水域卻擁有著優(yōu)質(zhì)的水源、適宜的洋流性水溫等得天獨厚的優(yōu)勢，是發(fā)展現(xiàn)代水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)和海洋經(jīng)濟的新空間，也是推進國家海洋戰(zhàn)略的重要組成部分。深遠海養(yǎng)殖平臺是一種集深遠海養(yǎng)殖、魚苗培育、科考研究、漁獲物初加工，漁船補給等功能于一身的整體解決方案。根據(jù)養(yǎng)殖平臺的運行要求，結(jié)合電力推進系統(tǒng)的特點，創(chuàng)新性地將電力推進應(yīng)用在這種大噸位、無動力定位、需跨洋作業(yè)的工作母船上。首先分析了電力推進在該養(yǎng)殖平臺上應(yīng)用的優(yōu)劣勢；并根據(jù)其實際運行工況，對在其上的電力推進系統(tǒng)配備設(shè)計方案；最后通過使用ETAP軟件分析驗證該方案的潮流、短路電流以及諧波，確定方案的可行性。

深遠海養(yǎng)殖平臺 電力推進 ETAP

0 引言

人們對水產(chǎn)品的需求也在不斷提高，而我國陸上水產(chǎn)養(yǎng)殖的潛力已經(jīng)挖空，以及對海洋漁業(yè)資源養(yǎng)護的需求，海洋捕撈產(chǎn)品又逐年減少，海上養(yǎng)殖已經(jīng)成為人們獲取海洋水產(chǎn)品的主要方式。相比近海養(yǎng)殖，深遠海養(yǎng)殖憑借多樣的優(yōu)勢已經(jīng)成為世界各國養(yǎng)殖發(fā)展重點，而安全可靠的養(yǎng)殖設(shè)施裝備成為了深遠海養(yǎng)殖發(fā)展的關(guān)鍵。通過深遠海養(yǎng)殖平臺這樣的載體，實現(xiàn)海上定居與生產(chǎn)，對我國海域資源的保護和開發(fā)，以及海域疆土的長期守護，具有戰(zhàn)略意義[1]。

電力推進系統(tǒng)在船舶行業(yè)的應(yīng)用越來越多，它不僅在海洋油氣平臺、海洋工作船等海工領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，而且在郵輪、客船等商船領(lǐng)域也顯示出越來越寬闊的應(yīng)用前景。本文是對電力推進方式在深遠海養(yǎng)殖平臺的應(yīng)用進行研究。

1 電力推進系統(tǒng)的特點

與傳統(tǒng)的機械直接推進方式相比，電力推進系統(tǒng)在深遠海養(yǎng)殖平臺的應(yīng)用主要有以下突出的特點：

1)機動性能好、更適合復(fù)雜工況

電力推進系統(tǒng)采用電動機直接驅(qū)動螺旋槳，扭矩響應(yīng)速度快，螺旋槳由全速正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換到全速反轉(zhuǎn)的時間短。配置了全回轉(zhuǎn)槳及艏側(cè)推的船舶都可以在原地掉頭，機動性能好。對于長時間漂浮于某海域作業(yè)的漁業(yè)養(yǎng)殖平臺來說，動力系統(tǒng)需要長時間低負荷運行以保證不被漂移出某海域；相比于常規(guī)機械推進，電力推進系統(tǒng)靈活的運行方式更適合低負荷、復(fù)雜工況下運行。

2)系統(tǒng)冗余、生命力更高

電力推進系統(tǒng)使用多臺柴油發(fā)電機組，多套推進器，變頻器的模塊化和推進電動機的多繞組形式，個別機組的故障不會導(dǎo)致整船喪失動力，仍可能降功率運行，動力系統(tǒng)有了冗余。對于長時間在不靠港的漁業(yè)養(yǎng)殖平臺來說，增強了整船的生命力。

3)布局靈活、有效空間更多

與常規(guī)機械推進相比，電力推進船舶省卻了傳動軸系、減速齒輪箱，系統(tǒng)設(shè)備更多，但單臺設(shè)備體積更小，可以在船上分散靈活布置，因此可以合理有效的利用空間。對于漁業(yè)養(yǎng)殖平臺來說，可以增加漁艙艙容，提高經(jīng)濟效益。

4)振動噪聲小、環(huán)境更舒適[2]

電力推進系統(tǒng)的電站中柴油機等工作在恒速狀態(tài)下，振動比變速推進主機小，而且可以安裝在水線以上，可以通過分散、封閉布置，采用較好的隔振裝置，增加隔音罩等措施降低振動噪聲。深遠海養(yǎng)殖平臺需要在變化多端的海況下給養(yǎng)殖創(chuàng)造一個安靜低振的環(huán)境，電力推進船舶比常規(guī)機械推進船舶的振動噪音都有著良好的改善，更適合漁業(yè)養(yǎng)殖，同時住艙環(huán)境也得到改善。

5)減少排放物，更節(jié)能環(huán)保

深遠海養(yǎng)殖平臺運行工況復(fù)雜，變速較為頻繁、推進負荷變化區(qū)間大。電力推進系統(tǒng)配置有多臺柴油發(fā)電機組用于發(fā)電，可根據(jù)用電負荷選擇投入運行的發(fā)電機組臺數(shù)，使運行機組始終運行于高效工作區(qū)，保持燃油消耗率和碳氧化物、氮氧化物的排放最低，實現(xiàn)最大的燃油經(jīng)濟性，提高續(xù)航力，降低運行成本，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保[3]。

6)首次投資大，維護工作少

電力推進系統(tǒng)設(shè)備多，自動化程度高，價格也高，整船的建造成本會被推高。但同時由于靜止部件多，維護工作量?。和七M柴油機組的維護工作量比常規(guī)機械推進的柴油機少的多；推進電機一般只需要對軸承進行維護保養(yǎng)。大量電氣元件的使用需要更高要求的電氣設(shè)計，比如電力推進系統(tǒng)需考慮整船電力系統(tǒng)的諧波；同時也對操作船員提出了新的要求。

2 推進系統(tǒng)設(shè)計方案

根據(jù)設(shè)計書的要求，深遠海養(yǎng)殖平臺設(shè)計為長期在遠離陸地、水溫水質(zhì)適宜的深海海域進行經(jīng)濟性魚類養(yǎng)殖，同時可為平臺周邊作業(yè)漁船進行收鮮加工、物資補給等；平臺需在惡劣海況下安全生產(chǎn)，應(yīng)具有良好抗沉性的要求；平臺有游弋式航行要求、躲避惡劣海況的航速要求和機動靈活的操縱性要求。本平臺總體設(shè)定載重噸約為十萬噸，設(shè)計有兩種工況：一種是在定位于某特定的作業(yè)區(qū)域內(nèi)，調(diào)整平臺的位置及姿態(tài)，艏側(cè)推可能需要全負荷運行，主推進器功率則無需滿負荷運行，平臺具備一定的抗風浪能力，經(jīng)濟航速5 kn；另一種是作業(yè)區(qū)域轉(zhuǎn)移，和商船一樣，平臺由A地駛往B地，艏側(cè)推未投入使用，主推進器全功率運行，最大航速10 kn。

電力推進電機有不同的類型，直流電動機，交流同步電動機和交流異步電動機。變頻器也有電流型變頻器，電壓型變頻器等類型，其中電壓型變頻器應(yīng)用范圍比較廣，其有兩種整流前端，DFE和AFE。

DFE前端使用的功率器件是二極管。二極管單向?qū)щ?，是不可控器件。變頻器中的整流器一般為三相全控整流，即6脈沖整流，會產(chǎn)生5、7、11、13等次諧波，諧波含量很大，造成輸入功率因數(shù)降低和電流諧波增高。在采用雙機雙槳的船舶電力推進系統(tǒng)中，常見的是配備2套12脈波移相變壓器來減少諧波；對于整船電網(wǎng)來說，相當于配置了虛擬24脈沖變頻器[4]。

AFE整流前端使用的是可控型電力電子器件IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管)，利用PWM整流器實現(xiàn)AC／DC的電能變換。利用相應(yīng)的控制方式可以使輸入電壓和電流保持同相或反相，從而使前端整流器工作在逆變或者整流狀態(tài)。進而可以消除諧波，提高功率因數(shù)，回饋能量，保持直流母線電壓恒定。

根據(jù)養(yǎng)殖平臺總體初步的型線及阻力，推進系統(tǒng)估計需要提供6800 kW功率以達到10 kn航速?？紤]推進器價格及冗余設(shè)計，主推進器選擇兩個3500 kW的全回轉(zhuǎn)Z型推進器，提供船舶航行主動力；船首配置了兩個1250 kW的艏側(cè)推，以提供船舶側(cè)向推力。

為了減少整船電力系統(tǒng)諧波干擾和設(shè)備數(shù)量及尺寸，Z型推進器采用AFE變頻器驅(qū)動。推進電機采用交流異步電動機，選全淡水冷卻方式以縮小電動機體積并增強冷卻效果；由于電站容量足夠，艏側(cè)推選用軟啟動器啟動，以節(jié)省成本。

3 電力一次系統(tǒng)圖

根據(jù)初步電力負荷計算書的估算，考慮同時使用系數(shù)，平臺系統(tǒng)負載總功率為2000 kW，加上推進功率，整船電站總功率可達1 MW。為了經(jīng)濟性考慮，平臺推進電壓選用中壓6.6 kV；考慮平臺需要給作業(yè)漁船補給，其余負載電壓選用380 V，同時也配備220 V輸出；頻率選擇和國內(nèi)漁船相同的50 Hz。

中性點接地系統(tǒng)為絕大多數(shù)中壓電力系統(tǒng)所采用，本平臺選用中性點高電阻接地方式，其原因是：中壓系統(tǒng)對地電容電流較大，當發(fā)生單相接地故障時，不接地系統(tǒng)可能引發(fā)火災(zāi)。接地系統(tǒng)能自動檢測出故障點，并可自動切除故障；中壓電力設(shè)備的絕緣水平較低，當運行中產(chǎn)生的過電壓超過設(shè)備的耐受電壓標準時，安全運行性能將會受到破壞[5]。在電力推進系統(tǒng)中，變頻器、推進電機之間加裝接地電纜，實現(xiàn)可靠接地。

電力系統(tǒng)設(shè)計中未考慮動力定位，但體現(xiàn)了冗余。系統(tǒng)采用4臺2500 kW發(fā)電機；包含一套6.6 kV主配電板，一套380 V主配電板，一套220 V主配電板，一套380 V應(yīng)急配電板，一套220 V應(yīng)急配電板，每套主配電板均為由兩段匯流排組成；6.6 kV主配電板中間聯(lián)絡(luò)開關(guān)設(shè)置為常閉，以均衡分配各發(fā)電機的功率，380 V和220 V主配電板中間聯(lián)絡(luò)開關(guān)設(shè)置為常開。6.6 kV轉(zhuǎn)380 V選用兩套額定為1500 kVA雙繞組變壓器，選用較大容量是為了防止一臺變壓器故障不會引起整個系統(tǒng)癱瘓，平臺依舊能保持正常運行；380 V轉(zhuǎn)220 V變壓器容量同理配置。見圖1。

4 基于ETAP的電力系統(tǒng)分析

ETAP軟件是美國OTI公司研發(fā)的全圖形化的電力系統(tǒng)仿真分析、計算高級應(yīng)用軟件。ETAP計算軟件是包括電力系統(tǒng)設(shè)計和測試功能的綜合分析工具，可實現(xiàn)電力系統(tǒng)的潮流分析、短路分析、諧波分析等，以幫助設(shè)計人員對其設(shè)計的電力系統(tǒng)可行性進行估算[6]。

表1 DFE和AFE整流前端比較

計算前需要在ETAP軟件中建立單線圖模型。建模分為兩步：一是建立單線圖，二是輸入數(shù)據(jù)。將添加的各電氣元件的端子連接起來即可建立起單線圖；然后對各個電氣元件的參數(shù)進行設(shè)定，ETAP元件庫中集成了知名廠家電氣元件的數(shù)據(jù)模型，可根據(jù)需求直接選擇，如未選擇到所需數(shù)據(jù)也可手動輸入各項參數(shù)。

4.1 潮流分析

ETAP潮流分析程序計算母線電壓、支路功率因數(shù)、電流、和整個電力系統(tǒng)的潮流。該程序中允許進行調(diào)節(jié)平衡節(jié)點電壓，不調(diào)節(jié)多個電源與等效電網(wǎng)和發(fā)電機的連接。程序還可以計算傳輸電纜電壓降。

ETAP默認設(shè)置中包含臨界和邊界兩類警報，低于95%和高于105%將觸發(fā)臨界報警，相應(yīng)的電氣元件飄紅，低于98%和高于102%將觸發(fā)邊界警報，但顯示在報警視窗中。

作業(yè)工況下，主推進器功率限定在其額定功率的60%。由上圖可獲知該電站在作業(yè)工況下發(fā)電機及電路上的有功功率，無功功率；各匯流排電壓值；各電纜壓降值等。系統(tǒng)無飄紅元件，滿足要求；MCC2匯流排由于位置距離380 V配電板遠，電纜壓降大，電壓微低；220 V應(yīng)急配電板由于電力經(jīng)過多道的轉(zhuǎn)移，損失較大，電壓偏低。發(fā)電機有功功率計算值為2363 kW，使用率達94.5%，滿足電力推進系統(tǒng)的要求。

圖1作業(yè)工況潮流計算

轉(zhuǎn)場工況下，艏側(cè)推未使用，尾推滿負荷運行。由上圖可獲知該電站在作業(yè)工況下發(fā)電機及電路上的有功功率，無功功率；各匯流排電壓值；各電纜壓降值等。系統(tǒng)無飄紅元件，滿足要求；MCC2匯流排由于位置距離380 V配電板遠，電纜壓降大，電壓微低；220 V應(yīng)急配電板由于電力經(jīng)過多道的轉(zhuǎn)移，損失較大，電壓偏低。發(fā)電機有功功率計算值為2317 kW，使用率達92.7%，滿足電力推進系統(tǒng)的要求。

4.2 短路電流分析

ETAP 短路電流計算模塊提供了IEC、ANSI和GOST三種短路電流計算標準。本文選擇IEC標準進行短路電流計算。由于主推進器采用AFE變頻控制方式，對主電網(wǎng)并不貢獻短路電流，所以作業(yè)工況下的短路電流比轉(zhuǎn)場工況下的短路電流要大。本文只計算作業(yè)工況下的短路電流，如圖4所示。各配電板開關(guān)選擇ETAP庫中ABB的中壓/低壓開關(guān)，計算結(jié)果顯示系統(tǒng)中最大的短路電流出現(xiàn)在380 V主配電板上（40.0 kA），低于之前選用的短路電流為65 kA的低壓斷路器；6.6 V主配電板短路電流計算值為9.5 kA，低于之前選擇的短路電流為25 kA的中壓斷路器，滿足要求。系統(tǒng)中380 V主配電板和應(yīng)急配電板負載開關(guān)飄紅，顯示為短時耐受電流超過負載開關(guān)的額定值，表明當380 V主配電板短路時其上的負載開關(guān)均跳閘。

圖3作業(yè)工況下短路電流計算

圖4各主配電板諧波計算

4.3 諧波分析

ETAP諧波分析基于IEEE5l9標準，可實現(xiàn)諧波分析、諧波共振和頻率掃描分析，對電壓電流總RMS值、電壓電流總合成峰值、諧波失真度進行分析[7]。ETAP中諧波源有模擬電壓諧波源和電流諧波源，軟件元件庫已經(jīng)自帶知名廠家如Rockwell、ABB等各種諧波源類型及用戶可擴展的諧波源庫，也可以自定義添加。

本系統(tǒng)由于選用了ABB的AFE作為主推進器的控制方式，主推進器變頻器造成的電網(wǎng)諧波畸變很小；發(fā)電機功率因素選擇0.8，超瞬態(tài)電抗選擇25%，計算后系統(tǒng)內(nèi)諧波畸變很小，2%以內(nèi)，可滿足各大船級社的諧波要求。

5 結(jié)論

通過以上分析可知，電力推進在深遠海養(yǎng)殖平臺的應(yīng)用具有可行性，也有著一系列的優(yōu)勢；但電力系統(tǒng)設(shè)備繁多、系統(tǒng)復(fù)雜、初期投入大、船員要求高等原因有著一定的制約。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電力推進在經(jīng)濟和實踐上有著更有利的條件。另外，永磁電機、超導(dǎo)技術(shù)、燃料電池、超級電容器等研究也已經(jīng)有了一定的進展。這些技術(shù)一旦有所突破將使電力推進形成對原動機直接推進的絕對優(yōu)勢。電力推進的性價比越來越高，在未來資源的短缺，環(huán)保要求逐年提高的大環(huán)境下，將可能成為主流推進方式。

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[5] 劉波, 陳明, 候錦福, 等. 船舶綜合電力推進應(yīng)用探討[J]. 廣東造船, 2014, (6): 81-82.

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Application of Electric Propulsion System to Deep Sea Aquacultural Platform

Huang Wenyun, Huang Wenchao, Li Jianxun, Zhao Xinying

(Fishery Machinery and Instrument Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences, Shanghai 20092, China)

U662.3

A

1003-4862（2017）04-0015-05

2016-09-15

上海市科委項目“大型海上深遠海養(yǎng)殖平臺總體設(shè)計研究”（15DZ1202100）

黃溫赟（1985-），男，碩士，電氣設(shè)計員/工程師。研究方向：船舶電力推進。