混合推进渔船电站模拟试验系统

Power Station Simulation Test System of Hybrid Propulsion Fishing Vessel

杨帆1邹义1李姗1陈琳1程武2

(1.中国船舶重工集团公司第七〇四研究所，上海，200031;

2.上海衡拓实业发展有限公司，上海，200031)

FanYang1YiZou1ShanLi1LinChen1WuCheng2

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

ShanghaiHunterIndustryDevelopmentCorp.,Ltd.)

[摘要]混合推进渔船电站包括两台柴油发机组和一台可逆轴带电机，搭建了缩比试验验证系统，进行了四工况转换试验，并验证了系统整体系能及控制策略。

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.

关键词：混合推进渔船可逆轴带电机动力输入输出控制策略

文章编号：1006-8244(2015)03-043-05

中图分类号：U463.212

基金项目*国家863高技术(2009AA045002)

作者简介：杨帆，中国船舶重工集团公司第七〇四研究所(200031)，工程师。

Key words: hybrid propulsion fishing vesselreversible shaftPTI/PTOcontrol strategy

1　概述

大型远洋拖网加工渔船需要长期远离陆地连续作业，采用混合推进的方式可以综合利用能效。具体形式是：主柴油机(中速柴油机)通过动力输入输出(Power Take In/Power Take Off，PTI/PTO)可逆切换齿轮箱带动可调螺距螺旋桨，并且通过PTI/PTO可逆切换齿轮箱带一台大功率可逆轴带电机。正常情况下采用主柴油机推进；在主柴油机故障的情况下，可逆轴带电机逆变为电动机，此时辅助柴油机作为动力源进行电力推进；在船舶捕鱼作业时电站系统由可逆轴带电机和辅助柴油发电机组向全船分区供电；当全速航行时，可采用可逆轴带电机逆变为电动机，与主柴油机联合推进。采用这种混合动力控制方式，可以充分发挥PTO模式下综合利用主机剩余功率、减少原动机设备成本、节省空间、降低机舱噪音的优势；同时也可在PTI模式的电力推进和联合推进等不同工况下的综合发挥能效。[1]

由于是国内首次结合863课题进行混合推进船舶电站系统的设备国产化研制及实船应用，为满足远洋渔船电站的设计要求，验证设备性能及控制策略，我们搭建了一套混合推进渔船电站模拟试验系统，采用小比例样机的形式进行系统试验验证；小比例试验验证后，针对试验中遇到的问题进行设备改进，进而研制工程样机装船应用。

2　系统概况

2.1电站模拟试验系统电网结构

渔船电站模拟试验系统由2台30 kW的柴油发电机组DG1、DG2和1台60 kW的可逆轴带机组SG组成，电网结构如图1所示。

2.2混合推进模式

系统可以工作在PTI/PTO模式下，主要包括以下四种推进模式：

a) 轴带电机单独推进模式

当船舶低速航行或推进主机发生故障时，采用轴带电机单独推进模式。轴带电机处于“电动”状态，受推进控制系统控制，电站控制系统转移控制权限。

b) 主机推进带轴带电机发电模式

当船舶巡航时，如航速较低，轴带电机可充分利用推进主机的功率储备裕量向全船供电，使推进主机高效率低能耗运行，实现节能。轴带电机处于“发电状态”，受电站控制系统控制。

图1　渔船电站模拟试验系统单线图

c) 主机单独推进模式

当船舶巡航时，若航速较高，多采用主机单独推进模式。轴带电机与主机离合器脱开，处于“待机”状态，不受任何控制系统控制。

d) 联合推进模式

当船舶需要最高航速航行时，轴带电机与主机并联，共同作为船舶主动力。轴带电机处于“电动”状态，受推进控制系统控制，电站控制系统转移控制权限。

3　设备组成

根据混合推进渔船电站的实际配置，混合推进渔船电站模拟试验系统由小比例电动发电机组及其控制系统、主配电板、电站监控系统、负载系统等设备组成，各部分功能分述如下：

3.1电动发电机组及其控制系统

如图 2所示，渔船电站1#、2#发电机组为常规柴油发电机组，模拟试验系统采用电动发电机组模拟柴油发电机组的方式，可降低试验成本，并减少废气排放。具体方式为电网接1#、2#变频器，1#、2#变频器输出至电动机，电动机带同轴发电机发电。通过机组控制器模拟柴油机特性曲线，从而完成变频器对电动机的控制，进而影响发电机的输出波形。如图 3所示，3#发电机为可逆轴带电机，在可逆轴带电机变频器、控制器的控制下，可工作在发电或电动状态下。

图2　采用电动发电机组模拟常规柴油发电机组

图3　轴带电机和模拟负载电机

3.2主配电板

试验系统主配电板采用常规400 V、50 Hz交流配电板，包括1屏母联屏、1屏辅助发电机屏、1屏轴发及负载屏。

图4　可逆轴带电机变频器

图5　主配电板

图6　电站监控系统

3.3电站监控系统

电站监控系统由控制主站、控制从站1、控制从站2、控制从站3、人机界面、网络交换机组成，控制主站包括主站控制器和电量变送装置，控制从站i(i=1，2，3)包括从站控制器、同步装置和电量变送装置。

电站监控系统主要采用以下网络形式，具体网络结构见图4、图5、图6。

a) 以太网通讯

控制主站、控制从站1、2、3之间通过以太网交换机形成以太网通讯，通讯协议采用MODBUS TCP。

b) RS485通讯

控制主站分别与电量变送装置4、电量变送装置5采用RS485通讯，控制从站1、2、3分别与电量变送装置1、2、3采用RS485通讯，通讯协议MODBUS 485。

图7　电站监控系统网络结构

图8　控制主站网络结构

图9　控制从站网络结构

3.4负载系统

系统采用与轴带电机同轴的电机提供反向扭矩，从而模拟螺旋桨负载；采用阻抗负载模拟电站常规负载。

图10　通讯网络

4　控制功能与控制策略

电站监控系统具有“手动”、“半自动”和“自动”三种控制方式，可以通过方式转换开关相互切换：“手动”优先于“半自动”，“半自动”优先于“自动”。

在手动控制方式下，电站监控系统具有对电网与各发电机组的参数显示与监测报警功能，电站监控系统不对电网及各发电机组发送动作指令，对电网或发电机组的操作需操作人员利用配电板或机旁控制箱的操作按钮进行手动操作。

在半自动控制方式下，操作人员在操作面板上对设备发布操作指令，由电站监控系统自动执行该功能。主要包括调频调载、半自动机组启动、停机、半自动断路器合闸(同步)、分断(解列)等功能。

在自动控制方式下，电站监控系统可以自动完成对系统的控制。主要包括优先级切换、失电自启动、功率增机、功率减机、故障换机、重载控制、分级卸载等功能。

驾控台用于发出整个渔船的控制指令，通过四种混合推进模式下的切换，并将控制指令及轴带电机的电动/发电状态传递给电站监控系统：当轴带电机为发电机时，由电站监控系统控制；当轴带电机为电动机时，由推进控制系统控制。过渡过程由原控制系统控制轴带电机降功率直至0 kW，然后将控制权限交还。

5　电站监控系统与推进控制系统的交互

考虑到系统的安全性，电站监控系统需要计算电站的有功功率裕量，并将该数值通过4~20 mA电流信号实时传递给推进控制系统。在并车推进模式下，推进控制系统根据电站的有功功率裕量可加大/减小推进功率的输出，如果发电机组应急停机或断路器突然跳闸，此时有功功率裕量可能为0，甚至是负值。虽然其他在网的发电机组具有一定的过载能力，但此时属于不安全运行状态，随时有可能因为过载保护或过流保护停机或跳闸。为防止剩余在网发电机组过载保护停机导致全船失电，推进控制系统应迅速限制变频器的输出，降低推进功率，保证系统有充足的功率裕量。同时，供电系统应启用备用机组并网，为系统提供充足的功率裕量。

有功功率裕量的计算方法如下：

a) 可逆轴带电机工作在电动状态

P总=P1+P2

P总N=P1N+P2N

P裕=P总N+P总

b) 可逆轴带电机工作在发电状态

P总=P1+P2+P3

P总N=P1N+P2N+P3N

P裕=P总N-P总

P总：并联运行机组总实际有功功率；

P总N：并联运行机组总额定有功功率；

P裕：有功功率裕量；

Pi：第i台机组实际有功功率；

P1N：第i台机组额定有功功率。

6　总结

针对国家863高技术基金课题 “大型远洋拖网加工船综合推进及自动电站集成系统”项目(2009AA045002)电站系统中的关键技术难题，项目组在柴油机功率、电网负载结构等方面进行了简化处理，搭建了可以满足电站系统试验验证需求的渔船电站模拟试验系统，从系统角度、设备角度以及控制需求、控制策略等方面对该电站进行了系统的试验验证，改进了原有设计不合理之处，从而为研制的工程样机后续在实船上的应用打下了良好的基础。

参考文献

[1]祁亮.多机并车联合动力装置综合实验台的设计和试验研究[D].武汉：武汉理工大学，2012.亮.多机并车联合动力装置综合实验台的设计和试验研究[D].武汉：武汉理工大学，2012.