论船舶混合动力推进系统

论船舶混合动力推进系统

刘晓琼

澳龙船艇科技有限公司 广东省 519055

摘要：从船舶低碳排放实现措施来看，目前造船界还没有成熟的解决方案；从主要减排措施来看，主要包括改善物流（贡献率约14.6%）、提高能源使用效率（贡献率约26.9%）、降低航速（贡献率约21.9%）和能源变革（贡献率约36.6%）4个方面，采用混合动力推进系统可大大降低维护成本，降低油耗，减少噪音，减少排放，降低污染。为了更好的提倡绿色环保航行，本文提出的船舶混合动力推进系统综合了上述的“降低航速”及“能源变革”两方面，因为这个系统是指通过柴油与电力混合推进主机航行，当船舶需要高速航行时，采用柴油发动机带动螺旋桨推进，当船舶需要低速航行时，灵活切换成电机带动螺旋桨推进。

这种混合动力推进系统可以广泛用于中大型游览客船，以及一些执法巡逻船，它们停泊于排放要求很高的码头，在靠离码头，需要低速减排航行，这种混合动力灵活切换的方式也是一个不错的选择。

关键词：混合动力推进系统；绿色环保；灵活切换；轴带电机；变频器；并车；PMC；轴带遥控

下面简要介绍一下这种混合动力系统在实船中的设计方案，用到该推进系统的是一艘三机三桨豪华游览客船，动力系统主要由3台柴油主机和1台轴带电机，船上配备2套主发电机组提供400V 3PH 50Hz电源，经过1座400V/220V主配电板给全船交流设备供电。高速航行时，启动3台柴油主机作为船舶推进动力源输出，运行1台发电机满足日用负载需求，另外1台发电机作为备用发电机；慢速航行时，3台主机停机，由1台轴带电机驱动螺旋桨，日用负载和1台轴带电机负荷由2台发电机组并网提供，电力系统单线图如下：

一、设备组成

主要设备包括：2台主发电机、主配电板、2台船用变压器、PMS（功率管理系统）、AFE推进变频器、轴带推进电机、轴带遥控系统装置、UPS(不间断电源）。

2. 主要设备介绍

系统中的主发电机、主配电板、船用变压器属于船舶电力系统常规设计范畴，在此不细讲。下面主要介绍推进变频器、PMS（功率管理系统）及轴带遥控系统装置、推进控制单元（DCU）。

2.1推进变频器

变频器采用AFE型式的变频方案，节省了空间，并且AFE变频器的谐波远低于12脉变频器（参考《钢质海船入级规范 2018 及其修改通报》第 4 篇第 1 章规范要求：电力系统的总谐波畸变（THD）不应超过 8%。），因此可以有效降低电网的谐波含量，在推进设备（如有变频艏侧推）或其它变频设备使用的情况下，以保证电网谐波电压含量THD＜5%的指标和任何单次电压谐波畸变不超过＜3%的指标要求。

2.2 PMS（功率管理系统）

2.2.1 PMS概述

功率管理系统（PMS）采用模块化的设计，系统简洁、易于升级，是电力推进系统中必不可少的部分，它根据电力推进系统的功率需求，自动地管理发电机组的运行和电能的分配。PMS系统安装在主配配电板中，它根据功率的实时需求对每台发电机组进行监控并协调发电机组的工作，并可以对电站系统进行故障报警和处理，为推进系统和其他用电设备提供可靠、稳定及优化配置的电力能源。

2.2.2 PMS组成介绍

PMS主要包括控制主站、人机界面、控制软件、通讯接口。

PMS控制主站: 安装在配电板中，接口发电机组、配电板等设备，并输出控制指令.

人机界面: 集中管理数据，存储、检索、趋势显示,可以监测柴油发电机组的运行工况，以及全船重要用电设备的工况，还可以通过触摸屏手动控制机组的并网、解列以及更改控制参数。

PMS控制软件: 用于自动控制电站及提供保护。

机舱监测报警系统接口: 标准RS485通讯接口。

2.2.3 PMS功能描述

PMS系统可以实现多台机组的起动、停止、并网、解列、功率分配的功能。

1. PMS模式选择，PMS具有半自动、自动控制模式选择，半自动是通过触摸屏手动控制发电机组的起停、并网、解列。自动控制是PMS程序自动控制发电机组的相关功能。

2. 发电机组遥控起停，当PMS工作在半自动模式下，触摸屏上可直接手动控制发电机组的起动、停止；当PMS工作在自动模式下，程序根据电站负载的状况自动控制发电机组的起动、停止。

3. 机组备用/优先选择，PMS对柴油发电机组的起/停顺序按照优先级管理，并可在线修改机组的优先级顺序。通过对发电机组的起动和停车时的优化选择保证各机组有相同的使用期，提高机组有效利用率，当发电机起动成功之后，可以自动并网合闸。当系统发出停车指令后，可以自动解列/停车。

4. 电站运行状态监测备用发电机组自动起动，系统监测到一台发电机组预报警，则立即起动备用机组投入电网，以预防单台发电机组故障对电网的影响。

5. 大功率负载起动问询功能，大功率设备（如有）启动前，需向PMS申请，PMS将检测在网的可用功率，当在网可用功率满足该设备起动条件时，PMS发出允许启动信号。过负载自动分级卸载，将船上各类负载分级，当故障发生或启动大负载，需对功率进行限制时，先将优先级低的或当时不重要的负载卸载，以保证推进系统的运行。

6. 功率限制功能，当在网功率不能满足推进功率和其他设备的需求时，PMS会发出功率限制指令给推进系统限制推进功率的增加。

7. 触摸屏功能，监测显示发电机组的运行状态、汇流排电压、电流等运行参数、电能分配状况等；同时可以在线修改电网设置参数。

另外可对发电机组进行动态实时故障报警监测，并对故障进行相应的处理。

8. 系统自检功能，系统在起动过程中进行自检，系统本身出现的问题通过屏幕故障报警

2.3 主推进遥控系统（RCS）

遥控系统分为两个部位控制：驾驶室和机旁（机舱）。在驾控台控制面板上，集成了一体化手柄，可以通过操纵手柄控制主推进电机的转速，驾控室设有备用系统，在监控主站发生故障时，可以通过备用系统控制推进系统。在机舱设置机旁控制箱，可在机旁箱就地操作电机。

推进电机遥控系统用以实现柴油主机和轴带电机的PTI电机模式切换控制要求，主要功能有：（1）驾控台和机旁控制转换，机旁优先于驾控台，在机旁箱设置机旁/遥控转换开关。（2）起动控制，按照程序，满足启动条件，自动起动推进电机，根据起动联锁条件提供锁止起动的保护。（3）转速功率控制，根据设定曲线控制电机转速；根据电站的功率允许值，控制推进的功率；（4）停车控制，停车分为三种：正常停车、故障停车、紧急停车。（5）故障降速，当变频器、电机超负荷时，首先进行降速控制。（6）越控，操作者可根据船舶行驶情况越控故障降速功能。

2.3 推进控制单元（DCU）

DCU是电力推进系统中必不少的部分，主要用于变频电机推进系统的控制，由一整套PLC控制系统组成。对船舶电网及推进设备进行控制和保护。它的主要功能为：变频系统起/停控制、推进电机转速和转矩控制、船舶电网保护、推进变频器保护、推进电机保护、功率限制保护、报警输出等。

结束语：采用混合动力系统，可以很大程度降低维护成本，降低油耗，减少噪音，减少排放，降低污染，但是在国内还未完全普及使用，这一点还需要进一步发展，紧追世界先进水平，所以加强对中大型船舶的混合动力解决能力，需要船舶领域技术人员共同努力。

1. 参考文献《2020年十大海事科技趋势预测 》期刊-新技术时代

2. 《钢质海船入级规范 2018 及其修改通报》