张 优 李 欣

（1.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011；2.国家海洋局第一海洋研究所 青岛266061）

引 言

由中国船舶及海洋工程设计研究院设计、武昌船舶重工有限责任公司建造的“科学”号海洋科学综合考察船，于2012年9月交付中国科学院海洋研究所使用。本船是一艘集多学科、多功能、多技术手段为一体，满足海洋研究需求的现代化海洋科学综合考察船，可实现大洋环流系统与气候变化、海洋动力过程与灾害、深海生物、基因资源及生物多样性、大洋生态系统与碳循环、洋中脊与大陆边缘热液系统及地球深部过程、深海海底油气（含天然气水合物）资源形成机理等的主要科学调研，技术水平和考察能力达到并超过国际综合科学考察船的同等水平，成为我国远洋科学综合考察的主力船之一。

“科学”号具备全球航行能力、 B3级冰区加强、一人桥楼OMBO、动力定位DP-1和机舱周期无人值班AUT- 0等入级符号。采用电力推进系统，具有布置灵活性高、机动性好、振动小、噪声低和冗余度高等特点，在特种用途船舶上优势明显，尤其在综合调查船上更具有良好的发展前景。

1 综合电力推进系统的配置

本船服务航速12 kn，最大航速达15 kn，在ROV作业、地质柱状取样作业时采用动力定位系统（DP-1）定点定位工作。其操纵性能、定位性能要求高，不同工况下负荷变化范围大，配置电站应满足经济、高效、环保的要求。

本文将从发电机系统、配电系统、主电力推进系统、主推进遥控系统及自动化控制系统等五个方面分别阐述其功能特点，以及在电力推进船舶中的重要作用。

1.1 主发电机组

主电站由4台发电机组构成（3大1小）。大功率的主发电机型号为AMG 0560LR06 LSE，单机功率2 610 kW、电压AC 690 V、频率50 Hz、功率因数（滞后）0.8、转速1 000 r/min、防护等级IP44、水冷、绝缘等级H、温升等级H。小功率的主发电机型号为AMG 0400LK06LAE，单机功率758 kW、电压AC 690 V、频率50 Hz、功率因数（滞后）0.8、转速1 000 r/min、防护等级IP44、水冷、绝缘等级H、温升等级H。该发电机兼做停泊发电机使用。

调研结果显示：大多数科考船在巡航时为2台发电机并联运行，例如我国天然气水合物综合调查船（海洋6号）、英国JAMS COOK、西班牙SARMIENTO DE GAMBOA等。因为这样配置可以降低单个柴油发电机组的装置容量，前期投入的经济性好，运行时冗余度高。但为减少船员在巡航时的工作量，本船要求在巡航时仅运行1台发电机组，但矛盾的是机舱空间狭窄，单台发电机的体积和容量受限。因此，电气设备在满足系统性能指标的前提下，应优先采用效率高的电机、风机和泵组。尤其电力推进电机是本船最大的电力负载，对其功率的选择应特别予以重视。推进电机的功率，取决于船舶的航行速度、船体线型、舵桨效率、舵桨的安装形式等总体性能参数，其中每一个参数的调整，都会影响到推进电机功率的选择，严重时可颠覆电站容量的配置。所以，在方案论证前期，应尽可能获取准确可靠的电机和舵桨数据，保证电站配置的合理性和经济性。

“科学”号在各种典型工况负荷预估情况如下：巡航航速12 kn时，运行1台功率为2 610 kW的发电机，夏季时负荷率为84.8%，冬季时负荷率为80.2%。最大航速15 kn时，运行2台2 610 kW的发电机和1台758 kW发电机，夏季时负荷率为79.6%，冬季时负荷率为76.5%。ROV作业、动力定位（DP-1）投入时，运行3台2 610 kW的发电机，夏季时负荷率为73.7%，冬季时负荷率为71%。

从以上分析数据可以看出：在3个典型工况下，不仅具有备用发电机，而且所运行的柴油机均在经济负荷点附近工作，电站配置能满足船舶的动力需求。

试航时为6月中旬，气候适宜，空调、风机等设备的运行工况介于冬、夏季之间，当船舶以12 kn航速行进时，推进电机的功率为2×750 kW，单台发电机输出功率为2 050 kW，电站负荷率为78%。其值略小于电力负荷估算书预报值，因为当时所有调查实验室、样品储藏室的空调机组、冷藏机柜、风机、实验仪器等设备均未投入工作，所有厨房设备均未启用（用专用厨房集装箱的燃气进行伙食供应）。实船实验结果证明：电站完全满足船舶使用要求，并为今后试验设备的更新和发电机老化留有适当裕度。

“科学”号目前已投入执行科考任务的营运中。在海况良好时进行海上漂泊实验，只需要开动1台758 kW小型发电机，用于生活用电和小负荷电力推进（抵制风浪），因其震动小、油耗低，而且科考试验环境安静，获得广大船东好评。

1.2 电力推进配电系统

电力推进系统的单线图如下页图1所示。AC 690 V主配电板包括发电机屏、同步屏和馈电屏，馈电屏主要为主推进设备、艏侧推设备、日用变压器和大功率特种设备等供电。

图1 电力推进系统单线图

由于电力推进的采用以及科考作业专用大型设备的投入，电站的容量逐渐变大，短路电流也随之增大，给配电板设计带来的重要问题就是断路器的选型。目前船用断路器发展得已很完善，分段能力和接通能力基本可以满足使用要求，但选择性保护的匹配还存在一定难度。科考船设备数量众多，部分重要设备由分电箱供电，这样导致选择性分析变得较为复杂。

我们通常可以根据断路器的时间电流特性曲线获得上下级开关的选择性。目前也有特殊设计的断路器，具有限流作用或允通能量脱扣作用。限流作用是指在通过其中短路电流所产生的电动斥力作用下，使其触头快速（例如3～5 ms）分断，使这一短路电流尚未达到峰值时即被切断，达到只允许限定的电流通过以阻止预期最大短路电流通过的目的。允通能量是指脱扣期间通过断路器的特定能量“I2t”，发生短路时，受故障影响的设备部件受到热应力，而热应力大小与故障电流的二次方及保护设备分断电流所需时间成正比。允通能量是标志低压断路器的基本性能之一，要通过试验测试，保证每台产品的特性均在规定范围内。具有限流作用和允通能量脱扣作用的断路器，能够减小热效应和机械应力，提高断路器间选择性的能力，避免上级断路器选型过大。

我们有效地利用ABB断路器的允通能量特性，提高了开关之间的选择性。例如，本船设有2台柴油分油机、2台滑油分油机，由于船舶没有配备蒸汽锅炉，每台分油机的加热方式为电加热。考虑到配电板的尺寸不能过大，故采用2个分电箱分别为分油机及其电加热器集中供电。分油机属于次要设备，分电箱的供电断路器和负载断路器应具有选择性。

表1为关于柴油分油机分电箱（5P）和滑油分油机分电箱 （6P）短路电流的估算值，可以看出，5P和6P的短路电流有效值为18.5 kA。主配电板上为5P、6P供电的开关为断路器型号为T4H250 PR221 R160（QF13/14），5P、6P为分油机设备馈电的最大断路器为S1N125 R63。

表1 柴油分油机分电箱 (5P)和滑油分油机分电箱 (6P)短路电流

以5P分电箱为例，从图2的时间电流曲线上看，在短路电流小于3.2 kA时，5P/6P供电断路器T4H250 PR221 R160 与5P/6P内负载断路器S1N125 R63具有完全选择性；但当在短路电流大于3.2 kA时，时间电流曲线已不能反映是否具有选择性，应采用允通能量曲线进行分析。

从图3的允通能量曲线上看，当短路电流为10 kA时，上级断路器T4H250 PR221 R160的允通能量为0.548 A2s，大于下级断路器S1N 125R63的允通能量0.362 A2s；当短路电流为18.5 kA时，上级断路器T4H250 PR221 R160的允通能量为0.673 A2s，大于下级断路器 S1N 125 R63的允通能量0.571 A2s。在短路电流介于3.2～18.5 kA时，可以做到完全选择性。

图2 时间电流曲线

图3 允通能量曲线

同时根据时间电流曲线、允通能量曲线进行全船选择性分析，整个电力系统的断路器选型既安全又经济。

说明：QF12：配电变压器原边开关 E3H1600 PR122 1600A；

QF14：配电变压器副边开关（400 V配电板进线开关）E3N2500 PR122 2500A；

QF37：5号分电箱供电开关 T4H250 PR221DS 160A；

QF44：5号分电箱最大负载开关 SIN125 R63 63A。

1.3 电力推进系统的组成及谐波的解决

电力推进虽存在初期投资增加、设备复杂、电网谐波大等不足之处，但振动小、噪声低、操纵性能好、冗余度高等突出优势，使其在船舶上获得日益广泛的使用和推广。

主推进变压器：2台、额定功率2 186 kVA、连接方式Dd0y11±7.5°、绝缘等级F、温升等级F、水冷。

主推进变频器：2台，型号ACS800，额定功率2 680 kVA、直接转矩控制（DTC）、12脉冲、水冷。

主推进装置：吊舱COMPACT AZIPOD系统2套，每套包括功率传输和转向模块、支撑模块、推进模块、螺旋桨等。推进电机为永磁同步电机，额定功率为1 895 kW，额定转速310 r/min，推进形式为拉式。螺旋桨直径2.3 m，桨叶数为4个。转舵马达功率为37 kW，转舵变频器亦为12脉冲。主推进电机和螺旋桨直接连接，结构简单紧凑；特有的转舵单元使推进模块全方位旋转，替代了常规船舶舵机的功能。不仅便于推进装置的安装、维护，而且传输效率也得到提高。

刹车电阻：推进刹车电阻2个，转舵刹车电阻2个。

谐波问题：交流变频调速系统的关键技术问题，就是电网的谐波性能。变频器中的整流器（二极管、晶闸管），为非线性元件电路，在电源输入的电流中会产生谐波电流，引起电源内阻抗产生相应的谐波电压。谐波电压施加到电网的电气设备中，造成附加发热、绝缘降低等影响，并使测量仪表产生误差。电力推进系统的谐波计算也十分复杂，涉及单个发电机组的容量、总电站的容量、发电机的功率因数、发电机的超瞬态阻抗Xd〃、变频器的工作形式和原理、变频电动机的功率、变压器的容量、变压器的阻抗压降和重要电机的参数等重要设备的参数；尤其对于大容量的电站系统，短路电流和谐波是一对相互牵制的参数，例如增大发电机的超瞬态阻抗Xd〃，可以减少短路电流，但却加大了谐波影响。谐波问题在初步设计时就应加以重视。

电压型交-直-交变频调速的主要形式有6脉冲、12脉冲、24脉冲、AFE等，随着谐波抑制的能力增大，价格也随之上升。经过论证，主推进电机的变频器确定为12脉冲（主汇流排联络开关合闸时，可达虚拟24脉冲的效果），交流输入电网虽仍有一定的谐波电流，但在规范允许范围内，是一种性价比较高的设备。另外，本船在降低谐波干扰和电磁干扰方面也采取一些防护措施。大功率的科考设备采用AFE变频器，降低干扰强度；从变频器到被控制设备的电缆采用变频电缆，被 “污染”的AC 690 V电源电缆单独敷设；敏感设备的电缆填料函采用EMC金属填料函，少用或不用非金属填料等。

本船试航时，在两个典型工况下，用示波器于配电板处对电网的电流和电压进行测量，波形光滑，无线电、导航设备运行正常。实测的谐波值见下页表2所示，总谐波均小于5%，最大单次谐波小于3%，完全满足并优于CCS的要求，为全船电气设备、尤其是敏感的科考设备，提供一个安全洁净的工作平台。

1.4 主推进遥控系统

遥控系统提供控制每个Compact Azipod推进和转舵的方式和手段。控制模式主要分为：

表2 配电板谐波实测值

方位角推力操纵模式：推力由方位角控制杆控制，给出一个设定的“向前/向后”命令；转舵由可旋转360°的方位角控制杆来控制。总之，360转角内都可得到推进功率。

舵轮模式：推力控制由桥楼中央的方位角控制杆控制；转舵由桥楼中央的主舵轮控制，转舵控制类同于普通船舶的随动控制模式。

应急控制模式：应急手柄，“向前/向后”为推力的非随动控制，“向左舷/向右舷”是转舵的非随动控制。

在科考船上，主推进的遥控控制位置较多，主要有驾驶室中央、驾驶室左翼、驾驶室右翼、作业操控室、机舱集控室、机组就地等。

为避免误操作，电力推进各控制站之间的优先等级规定如表3所示。

表3 电力推进控制站之间的优先等级表

1.5 监测报警系统（含电站管理系统PMS）

本船的监测报警系统采用ABB的HC800设备，拓扑图参考如图4所示。

图4 监测报警系统拓扑图

系统由过程控制器、I/O系统、操作站、打印机、UPS等构成。过程控制器通过冗余IP控制网络（Control Network CN）与操作站进行通讯、通过Profibus 和一些其他标准通讯协议和I/O站进行通讯。过程控制器控制了所有的逻辑和数据库，系统具有模块化和可扩展性。系统的主要功能为：报警列表、系统列表、事件列表、轮机员呼叫和延伸报警板、轮机员安全报警系统、风机和泵的控制功能、PMS电站管理系统、系统自诊断功能等。

发电机、电力推进电机、操舵电机、变频器、推进变压器、配电变压器等重要设备，均布置在船舶的左右两舷，其供电遵循“同侧供电”的原则，即为左侧/右侧重要设备服务的水泵、油泵、风机等，由AC 400 V配电板上的左侧/右侧两段分别供电。这样，如果机舱一侧发生事故，至少与“幸存”发电机、配电板同侧的推进系统不会丧失动力，提高船舶的生命力。同理，在PMS和IAS的设计中，也遵循“同侧接入”原则，即机舱里的I/O机柜分左右布置，涉及PMS、发电机、推进设备的报警和状态、风机和泵的控制功能等关键参数，接入同侧的I/O机柜，不仅减少电缆的交互延伸，在机舱一侧发生事故的情况下，也尽可能将对IAS和PMS的影响降低到最小，增强自动化系统的安全性。

电力推进船舶电站管理系统的一个显著的特点就是限功率功能。推进电机的需求为全船最大的负载，在电机转速上升的过程中很容易造成运行发电机过载，在备用发电机未及起动时可能会引起电站失电。PMS将电站的可用功率信号输出到变频控制机柜，变频器根据电站的可用功率，对推进器的运行状态进行连续监测，必要时进行功率限制控制，待备用发电机自动起动、同步并网后，才允许增加主推进器的功率。

本船的PMS对柴油发电机采用恒速模式（Isochronous control and load sharing mode）控制和降速模式（Speed droop mode）控制。降速模式即常规控制模式，在此不再赘述。恒速模式是柴油机的一个功能，采用CAN bus专用电缆，将所有柴油发电机组、配电板联络开关连接起来。每个柴油机的控制板均可监视与该网络连接的所有柴油机的负荷率，计算出整个电网的负荷率，将本柴油机的负荷率和电网负荷率相比较，然后调节本发电机的转速，直至每个柴油发电机组负荷率和电网负荷率相一致。在某一发电机加载或减载的过程中，负载转移按照预设的速度进行控制（应急情况具有特定的加载速度），以达到均衡分配的目的。卸载时，如果被控制柴油机的负荷降低到预设定值，相应的柴油机控制板发出该发电机断路器分闸命令；如果恒速模式出现故障，则会自动切换至降速模式。可以看出，采用恒速控制模式，各个柴油机频率相同，负荷分配均衡，从而大大提高电网的品质。

2 结 论

电力推进则具有调速范围广、驱动力矩大、易于正反转、布置灵活、振动和噪音小、居住环境舒适等优点，尤其是采用综合电站，提高了能源利用效率。随着人类对地球环境保护意识的不断提高，设计节能、低耗、环保、高效型的船舶日益重要。目前，电力推进是满足节能减排要求的较好选择，特别在作业工况复杂的科学考察船上，其优势更为显著，必将会有更广阔的发展前景。

［1］ 中国船级社.船舶电力系统过电流选择性保护指南［S］.2007.

［2］ 吴斐文，张慧洲，张晓东.交流变频调速电力推进系统的典型应用［J］.船舶，2002（1）：52-57.

［3］ 徐丹铮，缪燕华，吴斐文.大功率电力系统船舶的电气设计［J］.船舶，2009（5）：36-42.

［4］ 罗成汉，陈辉.电力推进船舶电力系统中的谐波［J］.船舶工程，2007（1）：73-76.

［5］ ABB.交流传动谐波指南［S］.2008.

［5］ 何家伟，邵能灵.基于EDSA的电力推进船舶电力系统谐波建模与分析［J］.船舶，2013（4）：62-66.

［6］ 邓穗湘，沈雄.永磁电机在船舶电力推进中的应用与仿真［J］.航海技术，2005（4）：44-47.