灯光围网渔船电力推进系统设计

刘文达，窦晓峰

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

0 引言

当前世界渔业产业结构中仍以近海捕捞为主，但许多已开发多年的老渔场越来越拥挤，资源日益枯竭。不少发展中国家由于人口多，资源少，渔业发展陷入鱼越捕越少、越少越限制、越限制越穷的恶性循环中，因此不得不寻找新的渔场。尽管世界渔业的资源量在衰退，而渔获量却在增加，这主要得益于科学技术的推进。另一方面，那些发达国家，即使本国近海的渔业资源仍较丰富，其资源量也能保证捕捞业较长时期持续利用，但为了保护了本国资源，也纷纷转向了远洋渔业，利用它国资源和公海、大洋资源。

围网作业是根据捕捞对象集群的特性，利用长带形或一囊两翼的网具包围鱼群，采用围捕或结合围张、围拖等方式，迫使鱼群集中于取鱼部或网囊，从而达到捕捞目的。当今围网作业是开发中上层鱼类资源的主要渔具之一，世界围网渔业的年渔获量约占海洋捕捞总渔获量的 20%～30%，在海洋渔业中占有重要地位。20世纪70年代以来围网渔船发展总趋势是采用大型渔船，航程远，功率大，航速快。

随着捕捞作业精细化和远洋化发展，致使海洋资源一定程度的缩减，围网作业对渔业船舶便提出了更高的要求，主要包括振动噪音要求、捕捞作业精细化、可靠性、环保节能等，自动化程度高，操作简便。采用电力推进的高科技渔业船舶开始有了市场，电力推进方式越来越显示出其优越性，成为未来船舶动力装置的发展方向。

1 系统组成

渔船综合电力推进系统实现全船的供电、推进及操控功能，根据功能划分为2个分系统：供电系统、推进控制系统。一般电力推进系统的大致组成参见如下示意图：

图1 电力推进系统的组成示意图

1.1 供电系统

供电系统主要为全船提供电源，并提供必要的保护。供电系统的额定电压为400 V、额定频率为50 Hz，其组成主要包括：400 kW机组4套、50 kW机组一套、主配电板1套、功率管理系统（Power Management System PMS）1套。PMS是供电系统的控制核心，根据功率的需求对每台柴油发电机组进行监控并协调各柴油发电机组的工作，并可以对供电系统进行故障报警和处理，确保船舶的安全性。PMS主要实现以下功能：

1.1.1 机组的自动启动

供电系统在网机组功率总和达到90%（可在PMS系统的OP面板上设定，见软件设计）额定功率总和，储备功率不足，备用机组应自动启动。备用机组的优先顺序可人工设定。启动成功达到投网电压后自动投入的时间小于30 s。

机组启动指令的发出不超过三次，具有三次启动失败报警功能。当PMS收到一套机组启动失败信息后，则能自动将启动指令转至下一套备用机组，并发出报警信号。系统能对每套机组的自动启动予以闭锁，以便能安全地进行维修。

1.1.2 机组投入和并联运行

母线无电时，待用机组在达到一定电压和频率后立即投入。

母线有电时，待并机组可自动同步，自动合闸。

自动并车主要技术指标：合闸频差可调范围为：±0.1 Hz～0.5 Hz；合闸电压差:≤5%UN；允许合闸相角差：0～10°。

1.1.3 三相电流不平衡报警保护

渔船上使用金属卤化物灯作为诱鱼灯，220 V供电，功率达320 kW。为了降低投资和节省舱室空间，本供电系统采用了三相四线制，诱鱼灯直接从发电机输出主回路的中线和相线取220 V电压使用，诱鱼灯投入组合不合理将导致三相不平衡，存在中线电流的情况，同时可能引起电压波动，进而可能影响机组同步，且可能引起单相过载情况。针对可能的过载情况，在PMS设计中，实时监测三相电流、电压，进行三相不平衡报警，在三相不平衡时，适当提高电站功率储备，降低在线机组的负荷率，确保机组各相均不过载，确保电站供电连续性。

1.2 推进控制系统

推进系统为船舶航行提供推进动力。推进系统可完成船舶的进出港、航行和捕鱼作业等工况。推进系统由推进变压器，推进电机，推进变频器组成。为保证系统的安全可靠性，推进系统的还具有如下限制：

1）力矩限制

力矩限制一般在转速控制模式下进行，即当实际转速np小于给定转速时推进电机力矩可以上升；一旦过载，立即进行力矩限制。

2）功率限制

推进电机运行过程中，输出功率必须小于最大功率，且在运行过程中保证电网实际功率限制在电网可用功率的90%之内。所以功率限制不仅在推进电机实施功率过载情况下实施保护，而且保证电力推进实验系统的供电网运行稳定。

3）转速限制

推进电机的转速与螺旋桨匹配，一旦转速超过电机的额定转速，立即限制转速。

电力推进系统机械特性图如下：

图2 电力推进系统机械特性图

可以看出，电推系统特别适应渔船拖网运行工况下的低速大转矩负荷要求。

2 设计过程中的计算

为满足系统推进功率要求，本船电力推进系统内设备间的参数匹配非常关键。为此进行了短路电流计算、谐波计算等对系统的可靠性验证。

2.1 短路电流计算

短路电流计算书采用CCS COMPASS SRE01计算软件《船舶与海上设施短路电流计算》依照CCS规范进行计算，计算电力系统图如下。

图3 短路计算模型

表1 0.5 T计算结果汇总

2.2 谐波计算

表2 谐波计算结果

3 软件设计

本系统软件分为 PLC软件，触摸屏界面软件，IPC软件三类。PLC软件PLC中的控制程序用西门子STEP7 V5.5编程语言编制，触摸屏中的画面设计用WinCC Flexible软件设计。IPC软件采用Visual C++编制。

3.1 PMS监控系统PLC软件设计

PMS程序结构如下：

图4 PMS控制程序结构示意图

3.2 控制系统的PLC软件

PCS控制系统的PLC软件设计按照如下的状态图跳转作为控制方法编写。

图5 状态图跳转

图6 单线图

3.3 触摸屏人机界面软件

本系统设计了人性化的触摸屏人机界面，方便船员操作和实时掌握推进系统及供电系统各设备信息，页面包括单线图，机组，电气参，数参数设置，报警信息。

3.4 工控机软件界面

工控机人机界面如下：

图7 工控机人机界面

4 结束语

本灯光围网渔船电力推进系统是个高度自动化的系统，在电站管理方面集人工经验，电力系统自动化和检测技术于一体，推进变频器的功率控制功能使得船舶在恶劣的海况及复杂作业条件下保护船舶动力装置的安全，并保证船舶有稳定可靠的电力来源。电推系统操纵灵活，正车倒车无缝切换，转矩、转速响应快，适应动力定位需求，在较低航速工况下比较节能减排，且在全寿命周期运营费用低，这一系列优点使得电力推进系统成为越来越多包括渔船在内的民用船舶较优选择。

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