混合推進漁船電站模擬試驗系統(tǒng)

Power Station Simulation Test System of Hybrid Propulsion Fishing Vessel

楊帆1鄒義1李姍1陳琳1程武2

(1.中國船舶重工集團公司第七〇四研究所，上海，200031;

2.上海衡拓實業(yè)發(fā)展有限公司，上海，200031)

FanYang1YiZou1ShanLi1LinChen1WuCheng2

(No.704ResearchInstitute,CSIC,Shanghai200031,China;

ShanghaiHunterIndustryDevelopmentCorp.,Ltd.)

[摘要]混合推進漁船電站包括兩臺柴油發(fā)機組和一臺可逆軸帶電機，搭建了縮比試驗驗證系統(tǒng)，進行了四工況轉換試驗，并驗證了系統(tǒng)整體系能及控制策略。

Abstract[]Hybrid propulsion fishing vessel includes two diesel generator sets and one reversible shaft motor. Small scale test system is used in four working condition test, and it is verificated of system performance and control strategy.

關鍵詞：混合推進漁船可逆軸帶電機動力輸入輸出控制策略

文章編號：1006-8244(2015)03-043-05

中圖分類號：U463.212

基金項目*國家863高技術(2009AA045002)

作者簡介：楊帆，中國船舶重工集團公司第七〇四研究所(200031)，工程師。

Key words: hybrid propulsion fishing vesselreversible shaftPTI/PTOcontrol strategy

1　概述

大型遠洋拖網加工漁船需要長期遠離陸地連續(xù)作業(yè)，采用混合推進的方式可以綜合利用能效。具體形式是：主柴油機(中速柴油機)通過動力輸入輸出(Power Take In/Power Take Off，PTI/PTO)可逆切換齒輪箱帶動可調螺距螺旋槳，并且通過PTI/PTO可逆切換齒輪箱帶一臺大功率可逆軸帶電機。正常情況下采用主柴油機推進；在主柴油機故障的情況下，可逆軸帶電機逆變?yōu)殡妱訖C，此時輔助柴油機作為動力源進行電力推進；在船舶捕魚作業(yè)時電站系統(tǒng)由可逆軸帶電機和輔助柴油發(fā)電機組向全船分區(qū)供電；當全速航行時，可采用可逆軸帶電機逆變?yōu)殡妱訖C，與主柴油機聯(lián)合推進。采用這種混合動力控制方式，可以充分發(fā)揮PTO模式下綜合利用主機剩余功率、減少原動機設備成本、節(jié)省空間、降低機艙噪音的優(yōu)勢；同時也可在PTI模式的電力推進和聯(lián)合推進等不同工況下的綜合發(fā)揮能效。[1]

由于是國內首次結合863課題進行混合推進船舶電站系統(tǒng)的設備國產化研制及實船應用，為滿足遠洋漁船電站的設計要求，驗證設備性能及控制策略，我們搭建了一套混合推進漁船電站模擬試驗系統(tǒng)，采用小比例樣機的形式進行系統(tǒng)試驗驗證；小比例試驗驗證后，針對試驗中遇到的問題進行設備改進，進而研制工程樣機裝船應用。

2　系統(tǒng)概況

2.1電站模擬試驗系統(tǒng)電網結構

漁船電站模擬試驗系統(tǒng)由2臺30 kW的柴油發(fā)電機組DG1、DG2和1臺60 kW的可逆軸帶機組SG組成，電網結構如圖1所示。

2.2混合推進模式

系統(tǒng)可以工作在PTI/PTO模式下，主要包括以下四種推進模式：

a) 軸帶電機單獨推進模式

當船舶低速航行或推進主機發(fā)生故障時，采用軸帶電機單獨推進模式。軸帶電機處于“電動”狀態(tài)，受推進控制系統(tǒng)控制，電站控制系統(tǒng)轉移控制權限。

b) 主機推進帶軸帶電機發(fā)電模式

當船舶巡航時，如航速較低，軸帶電機可充分利用推進主機的功率儲備裕量向全船供電，使推進主機高效率低能耗運行，實現(xiàn)節(jié)能。軸帶電機處于“發(fā)電狀態(tài)”，受電站控制系統(tǒng)控制。

圖1　漁船電站模擬試驗系統(tǒng)單線圖

c) 主機單獨推進模式

當船舶巡航時，若航速較高，多采用主機單獨推進模式。軸帶電機與主機離合器脫開，處于“待機”狀態(tài)，不受任何控制系統(tǒng)控制。

d) 聯(lián)合推進模式

當船舶需要最高航速航行時，軸帶電機與主機并聯(lián)，共同作為船舶主動力。軸帶電機處于“電動”狀態(tài)，受推進控制系統(tǒng)控制，電站控制系統(tǒng)轉移控制權限。

3　設備組成

根據混合推進漁船電站的實際配置，混合推進漁船電站模擬試驗系統(tǒng)由小比例電動發(fā)電機組及其控制系統(tǒng)、主配電板、電站監(jiān)控系統(tǒng)、負載系統(tǒng)等設備組成，各部分功能分述如下：

3.1電動發(fā)電機組及其控制系統(tǒng)

如圖 2所示，漁船電站1#、2#發(fā)電機組為常規(guī)柴油發(fā)電機組，模擬試驗系統(tǒng)采用電動發(fā)電機組模擬柴油發(fā)電機組的方式，可降低試驗成本，并減少廢氣排放。具體方式為電網接1#、2#變頻器，1#、2#變頻器輸出至電動機，電動機帶同軸發(fā)電機發(fā)電。通過機組控制器模擬柴油機特性曲線，從而完成變頻器對電動機的控制，進而影響發(fā)電機的輸出波形。如圖 3所示，3#發(fā)電機為可逆軸帶電機，在可逆軸帶電機變頻器、控制器的控制下，可工作在發(fā)電或電動狀態(tài)下。

圖2　采用電動發(fā)電機組模擬常規(guī)柴油發(fā)電機組

圖3　軸帶電機和模擬負載電機

3.2主配電板

試驗系統(tǒng)主配電板采用常規(guī)400 V、50 Hz交流配電板，包括1屏母聯(lián)屏、1屏輔助發(fā)電機屏、1屏軸發(fā)及負載屏。

圖4　可逆軸帶電機變頻器

圖5　主配電板

圖6　電站監(jiān)控系統(tǒng)

3.3電站監(jiān)控系統(tǒng)

電站監(jiān)控系統(tǒng)由控制主站、控制從站1、控制從站2、控制從站3、人機界面、網絡交換機組成，控制主站包括主站控制器和電量變送裝置，控制從站i(i=1，2，3)包括從站控制器、同步裝置和電量變送裝置。

電站監(jiān)控系統(tǒng)主要采用以下網絡形式，具體網絡結構見圖4、圖5、圖6。

a) 以太網通訊

控制主站、控制從站1、2、3之間通過以太網交換機形成以太網通訊，通訊協(xié)議采用MODBUS TCP。

b) RS485通訊

控制主站分別與電量變送裝置4、電量變送裝置5采用RS485通訊，控制從站1、2、3分別與電量變送裝置1、2、3采用RS485通訊，通訊協(xié)議MODBUS 485。

圖7　電站監(jiān)控系統(tǒng)網絡結構

圖8　控制主站網絡結構

圖9　控制從站網絡結構

3.4負載系統(tǒng)

系統(tǒng)采用與軸帶電機同軸的電機提供反向扭矩，從而模擬螺旋槳負載；采用阻抗負載模擬電站常規(guī)負載。

圖10　通訊網絡

4　控制功能與控制策略

電站監(jiān)控系統(tǒng)具有“手動”、“半自動”和“自動”三種控制方式，可以通過方式轉換開關相互切換：“手動”優(yōu)先于“半自動”，“半自動”優(yōu)先于“自動”。

在手動控制方式下，電站監(jiān)控系統(tǒng)具有對電網與各發(fā)電機組的參數(shù)顯示與監(jiān)測報警功能，電站監(jiān)控系統(tǒng)不對電網及各發(fā)電機組發(fā)送動作指令，對電網或發(fā)電機組的操作需操作人員利用配電板或機旁控制箱的操作按鈕進行手動操作。

在半自動控制方式下，操作人員在操作面板上對設備發(fā)布操作指令，由電站監(jiān)控系統(tǒng)自動執(zhí)行該功能。主要包括調頻調載、半自動機組啟動、停機、半自動斷路器合閘(同步)、分斷(解列)等功能。

在自動控制方式下，電站監(jiān)控系統(tǒng)可以自動完成對系統(tǒng)的控制。主要包括優(yōu)先級切換、失電自啟動、功率增機、功率減機、故障換機、重載控制、分級卸載等功能。

駕控臺用于發(fā)出整個漁船的控制指令，通過四種混合推進模式下的切換，并將控制指令及軸帶電機的電動/發(fā)電狀態(tài)傳遞給電站監(jiān)控系統(tǒng)：當軸帶電機為發(fā)電機時，由電站監(jiān)控系統(tǒng)控制；當軸帶電機為電動機時，由推進控制系統(tǒng)控制。過渡過程由原控制系統(tǒng)控制軸帶電機降功率直至0 kW，然后將控制權限交還。

5　電站監(jiān)控系統(tǒng)與推進控制系統(tǒng)的交互

考慮到系統(tǒng)的安全性，電站監(jiān)控系統(tǒng)需要計算電站的有功功率裕量，并將該數(shù)值通過4~20 mA電流信號實時傳遞給推進控制系統(tǒng)。在并車推進模式下，推進控制系統(tǒng)根據電站的有功功率裕量可加大/減小推進功率的輸出，如果發(fā)電機組應急停機或斷路器突然跳閘，此時有功功率裕量可能為0，甚至是負值。雖然其他在網的發(fā)電機組具有一定的過載能力，但此時屬于不安全運行狀態(tài)，隨時有可能因為過載保護或過流保護停機或跳閘。為防止剩余在網發(fā)電機組過載保護停機導致全船失電，推進控制系統(tǒng)應迅速限制變頻器的輸出，降低推進功率，保證系統(tǒng)有充足的功率裕量。同時，供電系統(tǒng)應啟用備用機組并網，為系統(tǒng)提供充足的功率裕量。

有功功率裕量的計算方法如下：

a) 可逆軸帶電機工作在電動狀態(tài)

P總=P1+P2

P總N=P1N+P2N

P裕=P總N+P總

b) 可逆軸帶電機工作在發(fā)電狀態(tài)

P總=P1+P2+P3

P總N=P1N+P2N+P3N

P裕=P總N-P總

P總：并聯(lián)運行機組總實際有功功率；

P總N：并聯(lián)運行機組總額定有功功率；

P裕：有功功率裕量；

Pi：第i臺機組實際有功功率；

P1N：第i臺機組額定有功功率。

6　總結

針對國家863高技術基金課題 “大型遠洋拖網加工船綜合推進及自動電站集成系統(tǒng)”項目(2009AA045002)電站系統(tǒng)中的關鍵技術難題，項目組在柴油機功率、電網負載結構等方面進行了簡化處理，搭建了可以滿足電站系統(tǒng)試驗驗證需求的漁船電站模擬試驗系統(tǒng)，從系統(tǒng)角度、設備角度以及控制需求、控制策略等方面對該電站進行了系統(tǒng)的試驗驗證，改進了原有設計不合理之處，從而為研制的工程樣機后續(xù)在實船上的應用打下了良好的基礎。

參考文獻

[1]祁亮.多機并車聯(lián)合動力裝置綜合實驗臺的設計和試驗研究[D].武漢：武漢理工大學，2012.亮.多機并車聯(lián)合動力裝置綜合實驗臺的設計和試驗研究[D].武漢：武漢理工大學，2012.