郝衛(wèi)明，劉文達

3500噸敷纜船綜合電力推進系統(tǒng)關鍵技術應用

郝衛(wèi)明，劉文達

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

為了提高某3500噸敷纜船綜合電力推進系統(tǒng)可靠性、智能化、系統(tǒng)冗余性能的技術指標,設計過程中采用了系統(tǒng)計算、仿真驗證等技術手段，在設備研制過程中采用了具有熱備冗余功能的智能化能量管理系統(tǒng)、智能化船舶機艙監(jiān)控系統(tǒng)、大功率低速柴油發(fā)電機組冗余控制技術、變頻軟啟動器同步切換電流抑制技術等關鍵技術。所有技術指標在系泊航行實驗中得到驗證。

綜合電力推進系統(tǒng) 敷纜船 系統(tǒng)冗余 智能控制

0 引言

某3500噸級敷纜船采用的綜合電力推進系統(tǒng)，為艦船動力提供了一種全新智能化、冗余化的動力系統(tǒng)方案，屬于船舶電力推進技術領域。同現(xiàn)有敷纜船相比，該裝置綜合采用了電力推進方式，并具有DP-2動力定位能力。以及進行智能化。

眾所周知，我國海岸線全長約18000公里，沿海散布著眾多島嶼，這些島嶼在經(jīng)濟、軍事、政治等方面具有重大意義，島嶼的電力供應、對外通訊關系著地方經(jīng)濟發(fā)展、國家安全和政治穩(wěn)定。近年來，由于環(huán)保及全球溫室效應影響，作為負責任的大國，我國大力發(fā)展可再生能源，特別是在可再生電能方面取得了長足發(fā)展，我國沿海淺灘及島嶼架設了大量的風電場、潮汐能發(fā)電場、太陽能發(fā)電廠，這些電能均需要通過海底電力電纜將電能輸送到岸基變配電站，在經(jīng)過電網(wǎng)送到負荷端。敷纜船的成功運營對于島嶼供電電纜和通訊電纜的埋設、維修工程，海上再生能源輸送及維護具有重要的意義。

1 系統(tǒng)組成

3500噸級敷纜船綜合電力推進系統(tǒng)單線圖如圖1所示。敷纜船綜合電力推進系統(tǒng)實現(xiàn)全船的冗余化供配電、推進、動力定位及監(jiān)測報警功能。根據(jù)功能劃分為4個分系統(tǒng)：供配電系統(tǒng)、推進系統(tǒng)、自動化系統(tǒng)及動力定位系統(tǒng)。供配電系統(tǒng)實現(xiàn)全船負載饋電和保護，供電系統(tǒng)額定電壓為690 V，額定頻率為50 Hz，其組成包括4臺2000 kW柴油發(fā)電機組、1臺300 kW柴油發(fā)電機組、1臺120 kW柴油發(fā)電機組、690 V主配電板一套、400 V輔配電板1套。推進系統(tǒng)為全船提供推進動力，可完成船舶敷纜作業(yè)、航行、進出港等工況，敷纜船配置了4套推進支路，每條支路包含了1臺推進移相變壓器、12脈動整流水冷型推進變頻器、一臺異步推進電機。自動化系統(tǒng)主要實現(xiàn)供配電系統(tǒng)的冗余化和智能化控制、監(jiān)測報警等功能，包含了熱冗余功率管理系統(tǒng)，監(jiān)測報警系統(tǒng)，以及智能化泵組管理系統(tǒng)。

本系統(tǒng)電站由多臺大功率柴油發(fā)電機組組成，單臺機組故障不影響系統(tǒng)功能，可靠性更高。采用冗余化低速大功率發(fā)電機組控制技術，精確控制機組轉(zhuǎn)速及電壓，提高供電系統(tǒng)穩(wěn)定性。熱冗余的智能化能量管理系統(tǒng)，針對系統(tǒng)全船供配電設備采用控制策略動態(tài)優(yōu)化的控制方案，提高供電安全性。配電系統(tǒng)可實現(xiàn)分區(qū)供電，對故障點進行隔離。保證供電連續(xù)性。

圖1 系統(tǒng)單線圖

2 主要技術特性及技術指標

2.1 主要技術特性

通過FMEA分析，該船推進系統(tǒng)配置4條推進支路，船舶艏艉異側(cè)支路通過推進電機、推進變頻器、移相變壓器連接到同一段供電母線，出現(xiàn)單點故障后，該裝置能夠保持設計條件下動力定位能力。主推進變壓器采用軸向分裂結(jié)構(gòu)，兩組原邊線圈均采用延邊三角形聯(lián)結(jié)。兩條支路推進系統(tǒng)同時運行時，對變壓器前端電網(wǎng)相當于虛擬24脈波整流，四條支路同時運行時，對前端電網(wǎng)相當于48脈動整流，可大大降低變頻器對電網(wǎng)的諧波影響[1]。

智能化監(jiān)測報警系統(tǒng)，采用基于移動終端的機艙設備運行狀態(tài)實時在線監(jiān)控及狀態(tài)評估，以及基于移動通訊的遠程故障診斷及故障預測，進一步降低系統(tǒng)全生命周期的維護保養(yǎng)成本。

通過變頻軟起技術降低大功率電機啟動過程中沖擊電流，通過推力分配技術提高電網(wǎng)高負荷下系統(tǒng)穩(wěn)定。

智能化監(jiān)測報警系統(tǒng)，采用基于移動終端的機艙設備運行狀態(tài)實時在線監(jiān)控及狀態(tài)評估，以及基于移動通訊的遠程故障診斷及故障預測，進一步降低系統(tǒng)全生命周期的維護保養(yǎng)成本。

通過變頻軟起技術降低大功率電機啟動過程中沖擊電流，通過推力分配技術提高電網(wǎng)高負荷下系統(tǒng)穩(wěn)定。

2.2 主要技術指標

主要技術指標如下表：

表1 主要技術

3 關鍵技術的突破情況

3.1 系統(tǒng)冗余性及匹配性優(yōu)化設計

敷纜船配置了具有DP-2附加標志的動力定位系統(tǒng)，對船舶的動力系統(tǒng)及其他系統(tǒng)提出來更加嚴格的冗余性要求，敷纜船為了取得DP-2的附加標志，必須進行FMEA分析，F(xiàn)MEA分析內(nèi)容涵蓋了所有與動力定位系統(tǒng)相關的設備和系統(tǒng)，經(jīng)過合理功能劃分及深入詳細的系統(tǒng)分析，確保各系統(tǒng)能夠?qū)吸c故障進行有效而快速的隔離，在不增加成本的前提下，確認系統(tǒng)設計滿足DP-2的要求。采用國產(chǎn)化供配電系統(tǒng)、監(jiān)控報警系統(tǒng)、推進系統(tǒng)，具備DP-2動力定位能力的大功率敷纜船。

針對敷纜船特點，采用供電設備分區(qū)管理、配電系統(tǒng)分區(qū)供電、推進系統(tǒng)冗余布置的設計方式提高了系統(tǒng)的供電連續(xù)性、可靠性和動力定位能力。

敷纜船采用分區(qū)供電，各段690 V母排連接兩臺主發(fā)電機組，各分區(qū)互為備用，實現(xiàn)連續(xù)供電。機組出現(xiàn)單機故障時，可由同一母線的備用機組為該母線提供電能，保證系統(tǒng)持續(xù)供電[2]。

敷纜船配置了四條推進支路，四臺推進器分布在船艏和船艉的左右舷兩側(cè)，并且艏艉異側(cè)的推進器連接在同一端母線上，保證了單故障點狀態(tài)下船舶姿態(tài)保持，滿足設計海況下，單點故障發(fā)生時DP-2定位能力的要求。

圖2 推進系統(tǒng)冗余設計

動力定位功能的實現(xiàn)，需要供配電系統(tǒng)、推進系統(tǒng)共同完成，多個系統(tǒng)之間的優(yōu)化控制和系統(tǒng)參數(shù)匹配技術尤為重要。敷纜船在作業(yè)狀態(tài)下，電力系統(tǒng)負載會發(fā)生較大范圍的波動，在船舶功率管理系統(tǒng)的控制下，在確保船舶作業(yè)安全的前提下，進行動態(tài)負載控制，以增強船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。本船采用基于動態(tài)負載控制方法的船舶推力分配方式，進一步打通了PMS系統(tǒng)和DP控制系統(tǒng)之間孤島效應，形成了結(jié)合功率管理的組合偏置推力分配方法。當負荷波動量大于閾值時，功率管理系統(tǒng)首先將機組控制模式切換為同步均衡控制模式，再向DP控制系統(tǒng)發(fā)出推力組合偏置信號，推進器通過偏置的推進器功耗用來緩沖其他負載的功率突降，維持電網(wǎng)穩(wěn)定[3]。

本船突破了動力定位系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)系統(tǒng)、推進系統(tǒng)之間系統(tǒng)控制策略優(yōu)化和系統(tǒng)參數(shù)匹配的關鍵技術。突破供配電系統(tǒng)、機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)、能量優(yōu)化管理系統(tǒng)、推進系統(tǒng)動力定位系統(tǒng)的冗余化設計關鍵技術。此功能的開發(fā)，為后續(xù)具有動力定位能力的工程船舶的提供了設計參考依據(jù)。

本項目進行了系統(tǒng)冗余化和匹配性設計，采用國產(chǎn)化供配電系統(tǒng)、監(jiān)控報警系統(tǒng)、推進系統(tǒng)，具備DP-2動力定位能力的大功率敷纜船。

圖3 動態(tài)推力組合分配原理圖

3.2 低速大功率發(fā)電機組冗余控制技術

目前大多數(shù)電力推進船舶采用高速發(fā)電機（一般采用6極或4極電機），發(fā)電機組轉(zhuǎn)速及穩(wěn)定較高，僅配置單獨的機組控制器。本船受制于成本限制，采用大功率低速發(fā)電機組（10極電機），為了保證供電系統(tǒng)可靠性，保證供電連續(xù)性，本船配置了兩套機組控制器，并且采用了兩種控制器，實現(xiàn)了下垂模式和同步均衡模式下機組的啟停、同步并車、解列、負荷分配、監(jiān)測報警等功能，兩種控制器可實時進行切換，兩套控制器分別通過獨立通訊網(wǎng)絡接入PMS系統(tǒng)。通過能量管理系統(tǒng)或者操作人員手動切換的方式，控制機組實現(xiàn)增減機、負荷均衡等操作。在正常狀態(tài)下，機組工作于有差調(diào)節(jié)或者恒頻調(diào)節(jié)模式下，若當前控制方式出現(xiàn)故障，系統(tǒng)會通過自動或者手動方式進入另一種控制方式。

在下垂控制模式下，實現(xiàn)了機組基于模擬量和數(shù)字通訊方式的負荷均衡模式。并能實時自動切換。本船突破了大功率低速發(fā)電機組雙控制冗余控制與控制器實時切換技術，同時突破了下垂模式下負荷分配系統(tǒng)的冗余控制和實時切換的關鍵技術。

圖4 機組冗余控制著原理圖

3.3 智能化熱備冗余PMS

按照船規(guī)要求，DP-2的船舶，在出現(xiàn)單個故障（不包括一個艙室或幾個艙室的損失）后，可在規(guī)定的環(huán)境條件下，在規(guī)定的作業(yè)范圍內(nèi)自動保持船舶的位置和艏向。對于PMS來講，應對分斷的母線分別設置獨立的PMS系統(tǒng)[4]，或者采用冗余的控制器，單個的PMS控制器故障不至于影響其他PMS控制器。本船采用熱備冗余的方式，配置兩套控制器，兩套機組控制器和現(xiàn)場I/O設備接入兩套獨立的通訊網(wǎng)絡，兩套控制系統(tǒng)同步運行，當其中一套主控制器出現(xiàn)故障時，在100 ms內(nèi)可無縫切換至另一臺控制器運行。

圖5 智能輔助操作模塊工作流程圖

PMS系統(tǒng)同時對動力系統(tǒng)主要設備進行了實時監(jiān)控，利用智能輔助控制系統(tǒng)，對動力系統(tǒng)設備進行實時的狀態(tài)評估和故障診斷，并依據(jù)設備實時狀態(tài)優(yōu)化PMS控制策略，實現(xiàn)機艙設備可靠、高效、穩(wěn)定的運行。

首次采用具有熱備冗余功能的智能化能量管理系統(tǒng),實現(xiàn)了系統(tǒng)控制策略優(yōu)化、設備狀態(tài)評估、在線故障診斷、全生命周期管理。本船突破了PMS的熱備冗余控制技術，同時突破了PMS基于系統(tǒng)設備狀態(tài)感知的優(yōu)化控制技術，實現(xiàn)了PMS系統(tǒng)與人工智能技術的深入融合，PMS系統(tǒng)更加智能化，船舶電力系統(tǒng)系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定、節(jié)能環(huán)保。

3.4 智能化機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)

敷纜船采用智能化機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)，系統(tǒng)采用冗余化設計，系統(tǒng)中配置多臺無線路由器和手持式無線終端，機艙操作人員通過手持式無線終端可是實時讀取機艙監(jiān)測報警數(shù)據(jù)，便于對機艙各設備的實時監(jiān)控，同時監(jiān)控系統(tǒng)接入互聯(lián)網(wǎng)，可以通過移動通訊網(wǎng)絡或衛(wèi)星寬帶與故障診斷中心實時通訊，并上傳機艙監(jiān)測報警數(shù)據(jù)，故障診斷專家通過實時上傳的參數(shù)和信號，對機艙各設備進行在線式遠程故障診斷[5]。

機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)采用冗余通訊接口，通過以太網(wǎng)進行實時同步通訊、兩條獨立的通訊網(wǎng)絡同時工作，一旦其中一條通訊網(wǎng)絡發(fā)生故障，另一條網(wǎng)絡仍能進行數(shù)據(jù)通訊，保證系統(tǒng)正常運行。

本船監(jiān)測報警系統(tǒng)突破了實時在線診斷技術，實現(xiàn)了監(jiān)測報警系統(tǒng)的智能化和冗余化設計，便于系日常維護和操作。

3.5 變頻軟起同步電流抑制

敷纜船配置了4臺315 kW的高壓沖水泵組，為了較小系統(tǒng)諧波，保證電網(wǎng)供電質(zhì)量，高壓沖水泵采用變頻軟啟動方式啟動泵組。變頻軟啟動器軟啟動完成后，采用鎖相環(huán)對交流電網(wǎng)電壓進行鎖相得到相位、幅值，并對交流電網(wǎng)采樣電壓進行濾波相位、幅值等補償后，將反電勢與交流電網(wǎng)電壓相位差作為轉(zhuǎn)速給定值的附加控制量，將反電勢與交流電網(wǎng)電壓幅值差作為磁鏈給定值的附加控制量，以調(diào)節(jié)輸出電壓相位和幅值使相位差、幅值差減小到可接受的動態(tài)區(qū)間。

本技術突破了變頻軟啟動器在切換過程中的大電流抑制技術包括電動機反電勢與交流電網(wǎng)電壓相位差、幅值差補償算法和主開關合閘延時預測補償處理。實現(xiàn)了切換過程中電流抑制，同時降低了電網(wǎng)諧波，提高了電網(wǎng)品質(zhì)。

圖6 變頻同步軟起電流抑制原理圖

4 結(jié)束語

該項目已經(jīng)順利完成系泊航行試驗，并順利交付船東使用，圓滿達到預期效果。敷纜船交付后，進行了多次作業(yè)，我所裝備運行狀態(tài)良好，期間未出現(xiàn)任何故障，保證了敷纜任務的順利進行。

本系統(tǒng)集成了DP-2動力定位系統(tǒng)的敷纜船，采用系列化標準變頻器和電機，對于以后類似的電力推進系統(tǒng)設計制造都提供了寶貴的經(jīng)驗和教訓。敷纜船的成功投入運行進一步刺激沿海島嶼經(jīng)濟發(fā)展，提高海洋可再生能源的利用率，促進全球信息聯(lián)通及全球電能聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

[1] 孫玉偉, 潘天雄, 嚴新平. 24脈波移相整流變壓器技術研究綜述[J]. 武漢理工大學學報（交通科學與工程版）, 2019, 43(3): 438-442.

[2] 竇曉峰, 金奎. 海洋平臺新型配電網(wǎng)絡研究[J]. 船電技術, 2017, 33(9): 20-23.

[3] 王琪瑋, 微電網(wǎng)負荷預測及運行控制方法研究[D]. 沈陽: 沈陽工業(yè)大學, 2013.

[4] 柯常國, 王勁, 楊俊飛. 電力推進船舶功率管理系統(tǒng)設計與研究[J]. 船電技術, 2013.9, 37(7): 17-21.

[5] 時永鵬. 船舶主要要素的智能化設計系統(tǒng)開發(fā)[D]. 上海: 上海交通大學, 2013.

Application of Key Technologies in Integrated Electric Propulsion System of a certain 3500 Tons Cable layer

Hao Weiming, Liu Wenda

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

U664.14

A

1003-4862（2021）08-0048-05

2020-12-31

郝衛(wèi)明（1988-），男。職稱：工程師。研究方向：船舶電力推進。E-mail: 15827524739@qq.com