周康寧,李國榮,曹大友

(招商局金陵船舶(南京)有限公司,南京 210015)

大型客滾船因其電站裝機(jī)容量大,主要負(fù)載與發(fā)電機(jī)電壓不同,分屬不同的配電板,需要經(jīng)歷多重轉(zhuǎn)換,電站管理系統(tǒng)還需適應(yīng)并網(wǎng)運(yùn)行和分區(qū)供電等多種工況,控制及邏輯關(guān)系復(fù)雜。同時,為給乘客提供較好的旅途體驗(yàn),避免瞬間電壓波動對AC230V系統(tǒng)的影響,通過配置清潔電源單元以獲得穩(wěn)定電壓和頻率的交流電源。然而,在全船失電后,配電系統(tǒng)需要完成到一系列自動啟動和系統(tǒng)恢復(fù),涉及發(fā)電機(jī)啟動、變壓器預(yù)充磁、清潔電源開機(jī)、各開關(guān)合閘和并網(wǎng)等流程,電站管理系統(tǒng)難以在45 s內(nèi)完成對所有負(fù)載恢復(fù)供電。此外,關(guān)于癱船試驗(yàn),鮮有關(guān)于主發(fā)電機(jī)控制電源配置的相關(guān)論述和系統(tǒng)分析報(bào)道。因主發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)所需不間斷電源由充放電板提供,絕大多數(shù)船舶癱船啟動試驗(yàn)時未斷開充放電板的蓄電池,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時,未考慮斷開蓄電池后的影響。充放電板的蓄電池被斷開后,其交流電源切換將導(dǎo)致其輸出電源短時失電,中斷發(fā)電機(jī)運(yùn)行。如果船舶長期失電,充放電板的蓄電池虧電,此時,這種不能為發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)提供連續(xù)電源的缺陷的系統(tǒng)將無法完成癱船啟動。因此,考慮通過改進(jìn)電站管理系統(tǒng)設(shè)計(jì),縮短客船在失電后系統(tǒng)恢復(fù)供電的時間,尋求一種主發(fā)電機(jī)控制電源不依賴于蓄電池的癱船啟動方案。

1 系統(tǒng)配置

為應(yīng)對安全返港[1]要求,某客滾船設(shè)計(jì)雙機(jī)艙,用于布置主配電板、直流配電板、主變壓器和清潔電源等設(shè)備。上建區(qū)域布置應(yīng)急發(fā)電機(jī)室,用于布置應(yīng)急發(fā)電機(jī)、應(yīng)急配電板等,電力系統(tǒng)為雙套設(shè)計(jì),單線圖見圖1。

圖1 電力系統(tǒng)單線圖

1.1 具體配置和布置

4臺主發(fā)電機(jī)、雙套AC690 V主配電板、AC400 V主配電板、AC230 V主配電板、主變壓器(AC690 V/400 V/400 V)、主變壓器(AC400 V/230 V)、清潔電源布置于兩側(cè)機(jī)艙、配電板室和變壓器室內(nèi)。雙套配電板之間設(shè)置聯(lián)絡(luò)開關(guān)。應(yīng)急配電板分別由應(yīng)急發(fā)電機(jī)和左、右兩側(cè)AC400 V主配電板供電。

設(shè)置三線圈變壓器[2]MT1/MT2分別供左、右兩側(cè)AC400 V主配電板和AC230 V主配電板,三線圈變壓器MT1/MT2與AC230 V主配電板之間通過清潔電源和MT3/MT4降壓變壓器連接。由于經(jīng)歷清潔電源的整流和逆變處理,AC230 V主電網(wǎng)不受外部大功率負(fù)載突加和突卸的影響,電網(wǎng)電壓和頻率穩(wěn)定。

通過三線圈變壓器MT1/MT2的設(shè)置,AC230 V的配電板不再像傳統(tǒng)方式經(jīng)由AC400 V配電板中轉(zhuǎn),降低了AC400 V配電板的容量及聯(lián)絡(luò)電纜的數(shù)量,MT1/MT2兼作了清潔電源的隔離變壓器,節(jié)省了隔離變壓器的配置,系統(tǒng)可靠性提高、建造成本降低。

1.2 主要工作模式

航行時,有以下兩種最基本工作模式。

1)分區(qū)運(yùn)行,在安全返港工況下,如一側(cè)機(jī)艙失去后,所有左、右機(jī)艙的配電板聯(lián)絡(luò)開關(guān)分閘,剩余機(jī)艙的配電板獨(dú)立運(yùn)行。

2)并網(wǎng)運(yùn)行,正常航行工況下,所有聯(lián)絡(luò)開關(guān)合閘,兩側(cè)配電系統(tǒng)并機(jī)運(yùn)行。

2 全船失電及恢復(fù)供電分析

2.1 電站管理系統(tǒng)邏輯控制及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該客滾船主發(fā)電機(jī)從啟動到電壓建立約需20 s,清潔電源開機(jī)約需12 s,再考慮到各變壓器預(yù)充磁時間、各階段的命令執(zhí)行時間,無法實(shí)現(xiàn)所有設(shè)備在45 s內(nèi)完成恢復(fù)供電。這需要從配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)和電站管理控制邏輯兩方面加以應(yīng)對。

2.1.1 電站管理控制邏輯

1)縮短各部件執(zhí)行時間,如將變壓器預(yù)充磁時間控制在3 s以內(nèi);副邊開關(guān)在原邊開關(guān)合閘反饋后,其延時合閘延時時間控制在1 s以內(nèi)。

2)清潔電源有旁通運(yùn)行和正常運(yùn)行兩種模式,旁通模式啟動時間相對較短,設(shè)置旁通模式為默認(rèn)啟動方式。

3)與主變壓器MT1/MT2的2個副邊相連AC400 V和AC230 V主配電板,主變壓器原邊開關(guān)合閘后,同步執(zhí)行下一級的恢復(fù)流程,最后執(zhí)行并網(wǎng)操作,重要設(shè)備在第一時間恢復(fù)供電。

2.1.2 關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)注點(diǎn)

AC230 V主配電系統(tǒng)恢復(fù)供電時經(jīng)歷了清潔電源、降壓變壓器以及若干個開關(guān),無法在45 s內(nèi)恢復(fù)完成供電。因此,重要設(shè)備的電源應(yīng)避免接自AC230 V配電系統(tǒng)。

2.2 發(fā)電機(jī)啟動及開關(guān)合閘控制

失電后,AC690 V主配電板檢測到AC690 V匯流排失電后,第一備用主發(fā)電機(jī)優(yōu)先啟動。同時,應(yīng)急配電板檢測AC400 V匯流排失電后,應(yīng)急發(fā)電機(jī)立即啟動。

主發(fā)電機(jī)電壓建立后,需要立即執(zhí)行合閘動作,AC690 V主配電板得電后,再執(zhí)行變壓器MT1/MT2的預(yù)充磁、AC400 V主配電板的開關(guān)合閘操作。

應(yīng)急發(fā)電機(jī)啟動后,應(yīng)急發(fā)電機(jī)開關(guān)合閘的時機(jī)主要有以下兩種方案。

方案一:立即合閘,AC400 V應(yīng)急配電板首先由應(yīng)急發(fā)電機(jī)恢復(fù)供電,待AC400 V主配電板恢復(fù)供電后,AC400 V應(yīng)急配電板再轉(zhuǎn)換為主配電板供電,應(yīng)急發(fā)電機(jī)自動延時停機(jī)。

方案二:延時合閘,檢測主AC400 V電源是否在規(guī)定時間內(nèi)完成恢復(fù)供電,如已完成,則應(yīng)急發(fā)電機(jī)開關(guān)無需執(zhí)行合閘的操作;如未完成,則應(yīng)急發(fā)電機(jī)開關(guān)再合閘,但必須在45 s內(nèi)完成應(yīng)急電源恢復(fù)供電。

考慮到客船配置了臨時應(yīng)急照明和附加應(yīng)急照明,不需要應(yīng)發(fā)電機(jī)在第一時間內(nèi)為照明系統(tǒng)提供電源,因此建議采用方案二,可減少不必要的操作和損耗。

2.3 配電板恢復(fù)供電流程

根據(jù)圖1的電力系統(tǒng)單線圖并依照2.1所述的原則和控制邏輯,分析主電機(jī)及應(yīng)急發(fā)電機(jī)啟動后的電力系統(tǒng)失電后的雙機(jī)艙配電系統(tǒng)恢復(fù)邏輯,見圖2。

3 癱船恢復(fù)供電分析

3.1 癱船的定義及設(shè)備配置

DNV規(guī)范 Pt.4 Ch.1 Sec.3 第2.3.14 條對癱船定義為“所有機(jī)械設(shè)備和電力系統(tǒng)都處于非運(yùn)行狀態(tài),且用于起動主推進(jìn)的以及用于主電源恢復(fù)的所有輔助設(shè)備,如壓縮空氣、蓄電池等均不可用?！卑c船是指輔助設(shè)備處于停止運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài),而非不能運(yùn)轉(zhuǎn)[3]。

該客滾船主要電力設(shè)備的特殊性如下。

1)雙燃料發(fā)電機(jī),每臺發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)所需功率約為600 W。

2)發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)為雙路電源輸入,一路主電源和一路應(yīng)急電源,交流電源整流后在DC24 V側(cè)并聯(lián),可實(shí)現(xiàn)不間斷切換。主電源取自AC230 V主配電板,應(yīng)急電源取自充放電板。

3)左、右機(jī)艙分別布置2臺主發(fā)電機(jī),每側(cè)機(jī)艙布置一臺充放電板供兩臺主發(fā)電機(jī)和其他DC24 V備用電源使用,每臺發(fā)電機(jī)未配置獨(dú)立的UPS。

4)配置清潔電源單元,其啟動時間長約12 s。

3.2 癱船后恢復(fù)流程

某客滾船癱船后電力系統(tǒng)恢復(fù)流程見圖3。圖中①表示AC400 V主配電板得電后,將立即為充放電板提供AC400 V主電源;②表示AC400 V主配電板得電后,可將原由應(yīng)急發(fā)電機(jī)供電的應(yīng)急配電板切換為主配電板供電;③表示AC230 V主配電板得電后,將立即為主發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)提供AC230 V電源。因清潔電源啟動時間較長,AC230 V主配電板恢復(fù)供電時間T2長于AC400 V主配電板恢復(fù)供電時間T1。

圖3 癱船后電力系統(tǒng)恢復(fù)流程

3.3 充放電板的設(shè)計(jì)和選型

3.3.1 常規(guī)設(shè)計(jì)方案

推薦的充放電板[4]內(nèi)配置一個整理流器和一個充電器,整流器接自AC400 V主配電板,供充放電板負(fù)載使用;充電器接自AC400 V應(yīng)急配電板,供蓄電池充電用,充放電板正常運(yùn)行時,整流器為全船負(fù)載提供DC24 V電源,充電機(jī)用于蓄電池的充電。整流器故障后,蓄電池仍可為負(fù)載提供30 min電源;充電機(jī)故障,整流器仍可為負(fù)載提供電源并為蓄電池應(yīng)急充電。參見圖4。

圖4 常規(guī)充放電板單線圖

對于200 AH的蓄電池,鉛酸電池的充電電流需要限制在16 A,鎳鎘電池的充電電流限制在32 A,充電機(jī)可配置在40 A,依據(jù)蓄電池類型調(diào)整其輸出電流。如按常規(guī)0.5 h放電需要計(jì)算,整流器容量需要配置至100 A,充電機(jī)的容量遠(yuǎn)小于整流器的容量。

癱船試驗(yàn)時,模擬充放電板蓄電池不可用,只有應(yīng)急電源在網(wǎng)時,充電器與全部負(fù)載直接接通,充放電器容量較小,不足以承受全部負(fù)載的負(fù)荷。

3.3.2 改進(jìn)方案

基于3.3.1所述,考慮設(shè)置充放電板主、應(yīng)急兩路AC400 V電源自動切換,雙路電源切換后,同時并接至充電器和整流器的輸入端,即只有應(yīng)急電源在網(wǎng)的工況下,整流器仍然可用。

但由于AC400 V和AC230 V主配電板分別從MT1和MT2主變壓器的兩個獨(dú)立線圈供電,與AC400 V主配電板相比,AC230 V主配電板需要額外經(jīng)歷主清潔電源啟動、MT3和MT4主變壓器預(yù)充磁等環(huán)節(jié),AC230 V主電源的恢復(fù)時間明顯晚于AC400 V,定義相差時間為T。如充放電板AC400 V主電源恢復(fù)供電時,立即由AC400 V應(yīng)急電源切換至AC400 V主電源,充放電板存在短時斷電,其輸出至主發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)急電源也隨之?dāng)嚯?而由于AC230 V主電源尚未恢復(fù)供電,進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)斷電,主發(fā)電機(jī)停車,失電恢復(fù)過程中斷。

此外,應(yīng)急配電板在檢測到AC400 V主電源恢復(fù)供電后,需要從應(yīng)急發(fā)電機(jī)電源轉(zhuǎn)換為主配電板電源供電,應(yīng)急配電板的電源的轉(zhuǎn)換也會導(dǎo)致充放電板的AC400 V應(yīng)急電源短暫失電。

上述問題可通過以下方法進(jìn)行改進(jìn)。

1)充放電板電源切換。在AC400 V主電源恢復(fù)供電后,將原先由AC400 V應(yīng)急電源立即切換至AC400 V主電源的方案改為延時切換,切換時間設(shè)置在主AC230 V主配電板電源恢復(fù)供電之后,即AC400 V主電源恢復(fù)供電后,可延時T+2 s后再進(jìn)行主電源切換。

2)應(yīng)急配電板的供電電源切換。AC400 V主電源恢復(fù)供電后,同樣延長換電時間,可延時T+4 s將應(yīng)急發(fā)電機(jī)主開關(guān)分閘,切換自AC400 V主配電板電源供電。

以上設(shè)置可以確保主發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的主AC230 V電源投入后,充放電板和應(yīng)急配電板再進(jìn)行電源的切換,主發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)將不再斷電,參見圖5。

圖5 改進(jìn)充放電板單線圖

4 結(jié)論

大型客船可通過配置清潔電源單元的方法使配電系統(tǒng)始終輸出穩(wěn)定的電壓,AC230 V配電系統(tǒng)將不受電網(wǎng)中突加或突卸大型負(fù)荷的影響。

需綜合考慮電力系統(tǒng)中各大型設(shè)備的啟動時間對重要設(shè)備供電的影響。AC690 V主配電板的聯(lián)絡(luò)開關(guān)不設(shè)欠壓保護(hù),任意1臺發(fā)電機(jī)啟動后,雙機(jī)艙下一級配電系統(tǒng)可同步進(jìn)行失電恢復(fù),最后并網(wǎng),減少失電恢復(fù)時間。

關(guān)于癱船后的動力恢復(fù),在斷開主發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)蓄電池的情況下,可通過增加充放電板主、應(yīng)急電源切換的方式解決充電器的過載問題;同時需要考慮充放電板及應(yīng)急配電板的電源切換所導(dǎo)致的短暫失電問題,通過設(shè)置延時切換方法予以應(yīng)對。