第３Ｏ卷第３期 ２ ０ １ ５年９月 青岛大学学报（工程技术版） ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＱＩＮＧＤＡｏ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（Ｅ＆Ｔ） Ｖｏ１．３Ｏ Ｎｏ．３ Ｓｅｐ．２ ０ １ ５ 文章编号：１００６～９７９８（２０ｌ５）０３—００９０—０６；ＤＯＩ：１０．１３３０６／ｊ．１００６—９７９８．２０１５．０３．０１８ 电力推进船舶电站管理系统的应用研究 李 欣，张士中，张志平 （国家海洋局第一海洋研究所，山东青岛２＇６６０６１） 摘要：针对目前科考船舶对电力推进系统的要求，本文以“科学号”船舶吊舱电力推进系 统为例，从科考船电力推进系统的基本构成，功率管理系统（ｐｏｗｅｒ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ， ＰＭＳ）的原理、构成及作业功能等方面，分析了海洋科考船采用吊舱推进系统的优越性 能，研究了ＰＭＳ工作状况以及对船舶电力系统的影响。研究结果表明，吊舱推进系统的 推进电机和螺旋桨共轴，形成的推进模块，使实船便于安装、拆卸，极大地提高了运行 效率和推进功率。与传统的推进系统相比，船舶噪音控制和振动方面得到了极大的改善， 推进模块可水平旋转３６０。，使推进器的方位角自行调节和控制，提高了船舶的操纵性能 和经济性能。该研究对科考船电站管理起到了指导性作用。 关键词：科考船；电力推进；吊舱；转舵模块；电站管理 中图分类号：Ｕ６６５．１２ 文献标识码：Ａ 船舶动力推进系统是船舶技术的关键系统，也是近３０年来发展最活跃的领域之一。自２０世纪８０年代 后期，伴随着电力半导体技术、交流调速技术以及计算机技术的迅速发展，交流调速电机日趋成熟，电力推进 从直流电力推进发展到直接转矩控制和矢量控制的交流电力推进。目前，最前沿的推进系统是将推进电机 和螺旋桨直接连接成一体，并采用模块化整体设计安装在船体底部，即通常所说的吊舱式电力推进系统…。 这种吊舱式电力推进系统具有全方位旋转的优点，使船舶具有良好的操纵性和机动性，推进功率大，而且机 舱布置更加紧凑灵活，其不仅在大型船舶和特种船舶（如破冰船、挖泥船、科考船等船舶）中占有越来越大的 份额，而且在豪华游轮、车客渡船、穿梭油轮以及近海客货船中也充分显示出其广阔的应用前景，我国自行设 计和建造的新一代综合科学考察船…“科学号”就采用这种结构紧凑的吊舱式推进系统。由于科考船科考 任务多变，船舶动态多样（如ＤＰ动力定位作业状态、漂航试验、地震勘探作业、ＲＯＶ作业、地质柱状取样作 业、深海拖曳、走航测量等），使得每一种船舶动态都对船舶电站的管理系统提出了不同的要求。因此，对电 力推进系统提 更高的要求已成为海洋调查船舶动力设计和选型的重要内容。ＰＭＳ是电力推进船舶的关 键控制系统之一，主要完成供电分系统中发电机组控制和能量管理等功能，为电力推进系统和动力定位系统 及其它用电设备提供可靠和稳定的电力能源 。目前，国外ＰＭＳ技术发展已比较成熟，国内则起步较晚，真 正具有一定规模和实力的企业不多，尤其是针对科考船ＰＭＳ技术的研究更为缺乏。因此，本文以“科学号” 船舶吊舱电力推进系统为例，给出了功率管理系统的控制原理、设备构成及功能，研究了ＰＭＳ丁作状况及 对船舶电力系统的影响。该研究对推进船舶自动化技术的发展具有实际意义。 １ 科考船电力推进系统的构成 本研究以我国白行设计和建造的新一代综合科学考察船——“科学号”的电力电站管理系统为例，其电 力推进系统主要由柴油机、发电机、配电板、推进移相变压器、推进变频器以及吊舱式的推进装置组成。柴油 收稿日期：２Ｏ１５—０３—１０；修回日期：２０１５ ０５一ｌ９ 作者简介：李欣（１９６８～），男，山东曹县人，甲类轮机长，主要从事科考船工作。 通讯作者：张志平（１９６６一），男，山东乳山人，硕士，高级船长，主要从事科考船工作。Ｅｍａｉｌ：ｑｄｚｚｐ＠ｌ６３．ｃｏｎｌ ９２ 青岛大学学报（工程技术版） 第３０卷 图３ ＰＭＳ功率控制系统工作原理图 ３ ＰＭＳ系统的设备构成 ＰＭＳ是由柴油机调速器、发电机开关同步调节器、安全保护单元、ＣＰＵ处理单元、输入／输出单元等设 备组成。柴油机调速器具有负荷分配和速度控制功能。“科学号”使用的ＶＩＫＩＮＧ２２电子调速器有２种工 作模式：即ＩＳ（）一模式（同步控制、负荷均分模式）和ＤＲＯ（）Ｐ～模式（速度调差、负荷均分模式）。通常情况下， 柴油机调速器工作在ＩＳＯ～模式，并联运行的发电机通过ＬＳ—ＣＡＮ通讯进行负荷分配，发电机转速不受调 速器速度特性影响，全负荷范围内保持额定转速，ＰＭＳ不参与任何调节。如果Ｉ Ｓ—ＣＡＮ通讯中断或发电 机发生故障，调速器自动转为ＤＲＯＯＰ一模式工作，并联运行的发电机按照ＰＭＳ设定的速度曲线进行调速和 分配负荷。每台发电机都设有同步调节器，当发电机要求并网时，ＰＭＳ向对应的同步调节器发出同步指令， 同步调节器根据待并机与电网之间的电压、相位差发指令给柴油机调速器，调节发电机转速，直到满足同步 条件，发电机开关合闸。 安全保护单元通过数据线与ＰＭＳ进行通讯。当运行机组出现故障时，向ＰＭＳ发出停机要求，ＰＭＳ启 动备用机组并网运行后，停止故障发电机机组，以保证电站供电连续性。ＣＰＵ处理单元有２个单独运行的 ＡＣ８００Ｍ程序控制器，每个控制器分别连接配电板设备，冗余性高。当主配电板母联开关断开时，ＰＭＳ将作 为２个不同的系统工作，通过数据线与外围设备进行通讯，完成处理ＰＭＳ的所有功能。由于ＰＭＳ是监测报 警自动化系统的组成部分，输入／输出信号依托监测报警自动化系统的采集箱进行通讯，并具有自检功能。 ４ ＰＭＳ的功能 船舶电站的作用是保证供电的安全性、可靠性、稳定性以及减少船员的劳动强度，在保证船电安全的前 提下最大限度的节省能源，以提高科考船运行的经济性。 ４．１ ＰＭＳ系统的基本功能 ＰＭＳ综合管理控制柴油发电机组、同步调节器、调速器和配电板主开关。自动监测相关电气参数和动 作信号、报警，并通过逻辑判断功能去控制发动机组，在必要时启动，实现负载自动分级启动＿８］，保证足够数 量的发电机组连接到主配电板，提供电力供应。ＰＭＳ系统根据船舶动态需要提供发电机的数量（最小数量 和最大数量）和发电机的启动顺序，自动调整发电机组、主开关和其他设备的工作状态，用以完成船舶电站的 自动管理、保护、故障处理等功能。 ４．２ ＰＭＳ系统的自动管理功能 １） 自动启停发电机。当发电机组设定在自动模式时，负荷程序根据电站负荷的需求（达到已设定并网 第３期 李欣，等：电力推进船舶电站管理系统的应用研究 ９３ 机组总额定功率的８５ ），按照选择好的启动顺序，自动启动下一台备用机组；而当电站负荷降低，小于已设 定并网机组总额定功率的７０ ，负荷程序自动停止一台机组。启动、停止机组时间根据实船需要设定。 ２） 自动同步。安装在配电板内 的同步装置接受ＰＭＳ指令，调整待 并机的频率，直到待并机开关合闸。 在规定时间内达不到同步要求，发出 同步失败报警，ＰＭＳ启动下一台备用 机组。 ３） 负荷自动分配。一般情况 下，系统使用均载模式（ＩＳＯ模式）工 作，均载模式是柴油机的一个功能，监 二＝［ 测柴油机的负荷率和电网负荷率，通 过调节柴油机转速，使每个柴油发电 机组负荷率和电网负荷率一致ｌｇ］。如 一｛姜眇胴 ＿１ ． 果均载模式出现故障，则自动切换到 图４ ＰＭＳ功率控制系统工作原理图 一翩 栅 一一 倾斜模式（ＤＲＯＯＰ模式），即通过ＰＭＳ对全船的电站进行管理分配ｍ］，保持电站频率恒定，均衡分配负荷。 ＰＭＳ功率控制系统工作原理图如图４所示。 ４．３ ＰＭＳ保护功能 ＰＭＳ具有保护发电柴油机免受严重损坏，保证电站连续供电的功能。ＰＭＳ保护功能原理如图５所示。 一 机闭状组锁态ｒｆ ｌｌＩ攀Ｈ莓Ｈ攀Ｈ机动式『模手ｒＩ ＿＿１ＪＩ下台组Ｉ一机ｒｆ Ｉ＿］Ｉｊ发主关ｆ开电ｒＩ Ｉ 『萤Ｉ■Ｖ１ Ｌ『 １次报一． 运行机组 图５ ＰＭＳ保护功能原理图 发电柴油机有主要报警、次要报警和一般性报警。当运行机组发生主要报警（如超速、滑油压力过低、缸 套水超高温等）或触动应急停车按钮时，柴油机本身的安全保护装置立即触发停车电磁阀进行停车，同时，将 停车信号发送给ＰＭＳ系统，ＰＭＳ立即断开发电机主开关，按预设的顺序启动下一台备用机组，故障机组被 强制为手动模式；当运行机组发生次要报警（如燃油低压、滑油低压、冷却水高温等），ＰＭＳ将首先启动一台 备用机组，调节同步，并车入网，然后停止故障机组，并强制为手动模式。这些警报消除之前，发电机组处于 启动闭锁状态。 ４．４ ＰＭＳ系统故障处理 １）ＰＭＳ具有报警和自动采取措施功能，当启动失败时，启动指令发出后，机组启动时间超出设定的最 大启动时间，则发出启动失败警报，启动下一备用机组。 ２） 同步失败报警。同步指令发出后，同步调节超出设定的最大同步时间，则发出同步失败警报，启动 下一备用机组。 ３） 开关故障跳闸。运行发电机的开关没有ＰＭＳ的指令而分闸，则ＰＭＳ发出开关故障跳闸报警，并 启动下一备用机组。 ９４ 青岛大学学报（工程技术版） 第３０卷 ４） 断开故障。ＰＭＳ发出开关分闸指令，但相应的发电机开关没有断开，则ＰＭＳ发出开关断开故障报 警，并将该机组的自动模式转为手动模式。 ５）停车故障。ＰＭＳ发出停车指令后，柴油机在设定时间内没有停止运行，ＰＭＳ则发出报警，将该机 组自动模式转为手动模式。 ６） 运行故障。柴油机组在自动模式下运行，如ＰＭＳ没有发停车指令而机组自行停车，ＰＭＳ发出机组 运行报警。 ７） 功率监测故障。由于断线或保险丝熔断，导致ＰＭＳ功率监测失败，ＰＭＳ不能监测电站功率消耗， 是一个危险的警报，将启动备用机组。 ８） 开关信号报警。ＰＭＳ检测到机组的功率，而检测不到该机组开关合闸信号，则发出开关信号报警， 表明开关状态信号故障。 ９）频率／电压报警。ＰＭＳ检测到发电机组运行，而检测不到发电机的频率或电压信号，则发出报警。 ＰＭＳ系统故障处理原理图如图６所示。 图６ ＰＭＳ系统故障处理原理图 ５ ＰＭＳ推进管理功能 推进控制单元通常与推进单元、电站管理系统、桥楼控制系统（包括遥控操纵杆、自航系统、动力定位系 统）连接在一起。由于电力推进设备的功率在电站的总负荷中占很大比例（６０ 左右），故ＰＭＳ系统必须对 推进控制单元的负荷状态进行监控，防止柴油机组超载，避免全船停电危险的发生。ＰＭＳ有２种不同的负 荷控制功能：一是ＰＭＳ系统检测到每台推进单元实际负荷要求，利用负荷剪切计算法则，在２台推进单元之 间分配电站可利用负荷；二是由于突发事件导致电站功率不足，发电柴油机不能保持电网频率恒定，推进控 制单元自动减掉部分使用功率，使电站供电频率保持正常，防止发生低频跳电的危险，并且所有ＰＭＳ系统 功能来自２个ＣＰＵ控制，分别控制左、右舷电站及用电设备。正常情况下，如果一边电站故障，另一边电站 负责保持船舶正常航行，提高了船舶的可靠性。由于发电柴油机的调速器具有负荷分配和同步调节的特性， 当ＰＭＳ本身发生故障（如ＣＰＵ失电、通讯中断、操作站故障等），不会引起发电机跳闸和停机，只会使ＰＭＳ 丢失部分功能，并且所有设备具有本地操作功能，可以完全不依靠ＰＭＳ进行运行，增加了船舶可靠性。 ６ 结束语 本文以“科学号”船舶吊舱电力推进系统为例，研究了ＰＭＳ工作状况及对船舶电力系统的影响。研究 结果表明，吊舱推进系统的推进电机和螺旋桨共轴，没有其它中间环节，形成的推进模块，这不仅使实船 便于安装、拆卸，而且极大地提高了运行效率和推进功率。海洋试验结果也证明了海洋科考船采用吊舱推进 系统的优越性能。船舶可根据电站的工况确定在网发电机的台数，使每台发电机组工作在理想的负荷空间， 从而保证柴油机燃烧状况良好。这样不仅提高了推进效率，而且使废气排放减少，从而保证船舶更加绿色、 第３期 李欣，等：电力推进船舶电站管理系统的应用研究 ９５ 环保；在船舶噪音控制和振动方面与传统的推进系统相比得到很大改善。另外，由于取消了尾轴、舵系统等， 各种控制系统和冷却、润滑系统也随之取消，从而节省了仓容和尾部的配重，使尾部安装简化，布置灵活。水 下凸体比传统推进系统减少，减小了船舶阻力，进一步提高了推进效率，保证了船舶各种设计指标的快速性， 推进模块水平旋转３６０。，使推进器的方位角可自行调节和控制。因此，该研究极大地提高了船舶的操纵性 能和经济性能。 参考文献： ［１］ 喻林．小型电力推进船舶ＰＭＳＭ控制系统的研究与设计［Ｄ］．大连：大连海事大学，２００８． ［２］ 吕金华．船舶电站自动控制系统的可靠性设计口］．电力学报，２００２，１７（２）：１３８—１４１． ［３］ 张统光．浅析船舶电站容量确定和计算方法［Ｊ］．中国水运，２０１１，１１（２）：１０６—１０７． ［４］陈次祥，唐石青，王良秀，等．电力推进技术下的船舶电站发展ＥＪ］．舰船科学技术，２０１０，３２（８）：３ｏ一３２ ［５］谭放韬．电力推进型船舶ＰＭＳ电站管理系统设计［Ｊ］．电子世界，２０１３（１２）：４７． Ｅ６］方杰．船舶电站自动控制系统的概述［Ｊ］．科技与管理，２０１３（３）：６—８． ［７］ 凌良勇．基于模式控制的ＰＭＳ在工程船舶中的应用研究口］．船舶，２０１４（４）：９８—１０４． ［８］范大鸣．船舶电站自动控制系统的设计［Ｊ］．船舶，２０１０，２１（５）：３９—４０． Ｅ９］ 刘慧．智能柴油发动机测功仪［Ｄ］．济南：山东大学，２００４． ［１Ｏ］万德玉，刘少，董占春．浅谈柴油机的低负荷性能ＥＪ］．内燃机与动力装置，２００８（４）：１—４． Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｓｔａｔｉｏｎ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｎ ｔｈｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ Ｓｈｉｐ ＬＩ Ｘｉｎ，ＺＨＡＮＧ Ｓｈｉｚｈｏｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｚｈｉｐｉｎｇ （Ｔｈｅ Ｆｉｒｓｔ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｏｃｅａｎｏｇｒａｐｈｙ ｏｆ Ｓｔａｔｅ Ｏｃｅａｎｉｃ Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ，Ｑｉｎｇｄａｏ ２６６０６１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｉｍｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｔｈｅ ｓｃｉｅｎｃｅ—ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｈｉｐ ａｎｄ ｍａｋｅｓ ｐｏｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ“ＫＥＸＵＥ”ａｓ ｔｈｅ ｅｘａｍｐｌｅ．Ｉｔ ｓｔａｒｔｓ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｓｔｒｕｃ— ｔｕｒｅ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｔｈｅ ｓｃｉｅｎｃｅ—ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｈｉｐ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｅ ａｎｄ ｗｏｒｋ Ｉｕｎｃ— ｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ（ＰＭＳ）ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｓｕｐｅｒｉｏｒｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｃｉｅｎｃｅ—ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｈｉｐ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｐｏｄ ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ．Ｉｔ ａｌｓｏ ｓｔｕｄｉｅｄ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ＰＭＳ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｎ ｓｈｉｐ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ ａｒｅ ｃｏａｘｉａｌ ｉｎ ｔｈｅ ｐｏｄ ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｔｈｅｙ ｆｏｒｍ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ ＳＯ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｈｉｐ ｉｓ ｅａｓｙ ｔｏ ｉｎｓｔａｌｌ ａｎｄ ｒｅｍｏｖｅ，ｗｈｉｃｈ ｇｒｅａｔｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｔｈｅ ｓｈｉｐ ｎｏｉｓｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｇｒｅａｔｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｔｈｅ ｐｒｏｍｏｔｅ ｍｏｄｕｌｅｓ ｃａｎ ｒｏｔａｔｅ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｌｙ ３６０。ａｎｄ ｉｔ ｍａｋｅｓ ｔｈｅ ａｚｉｍｕｔｈ ｏｆ ｔｈｒｕｓｔｅｒｓ ｓｅｌｆ－ｒｅｇｕｌａｔｅ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏ１．Ｔｈｉｓ ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ｈａｎｄｌｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍ— ａｎｃｅ ａｎｄ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈｉｐ．Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｈａｓ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｔｏ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｃｉｅｎｃｅ—ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｈｉｐ ｐｏｗｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｈｉｐ；ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ；ａｚｉｐｏｄ；ｐｒｏｍｏｔｅ ｍｏｄｕｌｅｓ；ｐｏｗｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ
