未來海洋平臺電力系統研究

張浩

?

未來海洋平臺電力系統研究

張浩

（武漢船舶電力推進裝置研究所，武漢 430064）

本文首先介紹了當前海洋平臺電力系統的組成，分析了傳統海洋平臺電力系統的特殊性，并指出當前電力系統在未來大型深水海洋平臺應用中的局限性。本文提出一種基于直流電制和區域配電技術的海洋平臺電力系統，并介紹了這種電力系統的優點，研究了這種系統進行實際應用需要解決的關鍵技術。最后，本文指出未來大型深水海洋平臺的電力系統方案必會優先考慮直流系統方案。

海洋平臺 電力系統 直流

0 引言

海洋平臺（Offshore Platform）是為海上鉆井、采油、集運、觀測、導航、施工等活動提供生產和生活設施的建筑物。主要可以分為固定式、活動式、半固定式三大類。

海洋平臺種類的不同，其具備的功能也不盡相同，但它們都需要一套電能品質好、性能可靠的電力系統，以滿足海上各種惡劣海況持續用電的要求。本文在研究目前海洋平臺電力系統配置的基礎上，從穩定性、可靠性、先進性的角度介紹一種基于直流配電系統的新型海洋平臺電力系統，并指出了該系統實際應用中需突破的關鍵技術。

1 海洋平臺電力系統的組成

海洋平臺電力系統主要由：電源、配電裝置、配電電網、負載四部分組成[2]。電源：海洋平臺電源目前主要由柴油發電機組和應急蓄電池組成。配電裝置：配電裝置主要是對電源能量的統一分配，并具備監視、測量、保護、控制等功能，主要由主配電板、應急配電板、分電箱等組成。配電電網：配電電網是電纜電線以及拓撲網絡的總稱，也是連接電源、配電裝置、與負載的中間環節。它根據功能又可以分為：動力電網、照明電網、應急電網等。負載：海洋平臺的負載主要有艙室設備、甲板機械、照明、通導、推進等用電負載。

2 海洋平臺電力系統的特殊性

海洋平臺電力系統是一個典型的孤島系統，使得其與一般的電力系統相比有著很大的差異，主要有[3]：

1) 電站的裝機容量

陸用電網一般裝機容量達幾百萬兆瓦，一般的船舶電站裝機容量為1至6個MW，而海洋平臺電站裝機容量一般從10 MW到20 MW之間。

此種容量電站的穩定性要求、發電機性能要求既不同與陸上電網的相關情況，也不能完全套用一般船舶電站的要求。必須滿足海洋平臺特殊的運行要求。例如：一個海洋平臺設置2個獨立的電站系統，彼此并網運行；電站系統能夠滿足大容量用電設備的沖擊要求；發電機組的調速特性擁有更高的過載能力。

2）電網輸電線路的距離短

海洋平臺電網類似船舶電網，發電機端電壓、電網電壓、負再電壓基本是一個電壓等級，所以輸配電裝置較陸上系統簡單。但受平臺體積限制，電氣設備比較集中電網長度不長，因此發電機和電網的保護比陸上系統要簡單。通常發電機的保護與電網的保護共用一套裝置，但可靠性要求確又同樣嚴格。

3）電氣設備的環境惡劣

海洋平臺運行的地點都在海洋，環境條件比陸上設備環境條件要嚴格的多；同時，由于海洋平臺長期處于海上，沒有停靠碼頭概念，對電氣設備在惡劣環境中的可靠性比船舶要求更高。因此，既要從電氣設備設計制造的本身提出較高的適應性要求，還要從系統層面優化設計來提高整個海洋平臺電力系統對惡劣環境的適應性。

3 目前海洋平臺電力系統的局限性

目前基于交流電制的海洋平臺電力系統廣泛應用于各類型平臺。從近海固定式平臺到遠海的深水移動式平臺，交流電制的平臺電力系統無處不在。隨著今后海洋石油開采向深水區域的不斷進發，海洋平臺的任務使命不斷增多，電站裝機容量和負載不斷加大，基于交流電制的海洋平臺電力系統的局限性將日益突出：

1）電站容量受限；2）電制受限；3）電能質量問題；4）電網保護方法問題。

目前海洋平臺電力系統的繼電保護和陸地電力系統類似，基本上采用時間電流原則，來實現保護的選擇性、速動性、靈敏性和可靠性。但海洋平臺和船舶上電纜長度較短，線路阻抗很小，這使得相鄰兩級保護開關保護范圍內的短路電流大小很相近，保護開關的動作閥值很難整定。因此在艦船上利用時間電流原則實現保護的選擇性、快速性多數情況下不能得到較好保證。

4 基于直流電制的海洋平臺電力系統

當期，美國海軍在大型全電力推進軍艦電力系統方案中提出一種基于直流電制的區域配電系統概念，它可以滿足艦船大容量用電需求下的供電持續性、抗損性、先進性。

本文認為該技術同樣適用于未來大型的深水海洋平臺電力系統。它該技術基于新型直流電源和直流分區供電兩大關鍵技術。如下圖2所示。這里的直流電源是指：將交流發電機與相控整流元件整合在一起的整流發電機組，如下圖中G1 、G2、G3 、G4。分區供電技術是指將海洋平臺電源和用電負載按照功能或安全艙室劃分出不同的區域，然后利用多條直流匯流母線將的直流電能冗余送至各個用電區域，配以綜合電能自動化管理系統，再由各個區域配電板分配電能。區域配電板可以再集成相應逆變模塊，然后在在各個區域內部進行交流電供電。

相比傳統的交流電制平臺電力系統，采用直流電制的平臺電力系統有如下優點[4，6]：

1）相對于交流電制的電力系統，海洋平臺電力系統采用直流電制后可以使得發電機運行頻率與配電要求互不相關，可以讓發電機和整流器的成本、尺寸、質量等達到集成化、最優化。原動機也可以設計成在經濟的轉速下運行，降低燃油消耗和熱量散發。2）該技術可以適用于高轉速、高功率密度的燃氣輪機發電。例如，英國MT30船用燃氣輪機定功率高達36 MW，但體積遠遠小于同等容量的數臺柴油機的體積，只需2臺該型發電機組就可以滿足平臺60 MW的電能需求。

3）發電機經過整流裝置后，彼此間采用直流電進行并網，相比交流電制并網要容易許多，同時，直流輸電線路損耗又小。

4）由于在發電機輸出采用整流裝置，用電端的大型設備變頻裝置可以直接接收直流電能，省去了變頻裝置的整流模塊，同時整個電力系統的配電網絡上還不存在諧波問題。

5）采用區域配電技術后，各個區域的區域配電板具有電力分配、檢測、限流和保護等多項功能，替代了大型機電開關裝置，使得系統保護裝置設計簡單而且更加反應靈敏，故障情況也可以在一個配電區域內處理，提高供電連續性和電源管理的自動化程度，限制大容量電動機起動時沖擊電流，有利于保持匯流排母線的電壓穩定。

5 直流電制的電力系統的關鍵技術

1）變速發電控制技術

目前，德國Siemens公司和瑞士ABB均在船舶領域推廣基于直流電制船舶電力系統，其中首要關鍵技術就是變速發電控制技術。海洋平臺電力系統的發電機組運行于恒壓恒頻狀態，原動機的調速器和發電機的調壓器彼此獨立，相對容易調節。采用變速發電形式后，原動機的轉速調節必須與發電機的調壓器統一控制，實現原動機的降速運行同時保持發電機端輸出電壓盡可能恒定、

2）直流電網保護技術

雖然目前在陸上直流輸電、直流牽引方面已經積累了完善的保護標準和規范，但是海洋平臺短距離、中等容量直流電網的保護方案研究還比較少。50～100 MW的海洋平臺直流電網穩定性綜合保護方案還需要進一步的研究和試驗。

3）電力系統監視控制技術

基于直流電制的海洋平臺電力系統實際上是一個分布式發電與供電系統，面對平臺上種類繁多的用電負載和區域供電單元，一套具有綜合性、冗余性的自動化電站控制系統也是未來直流電網進入海洋平臺的關鍵技術之一。

6 結束語

基于直流電制的海洋平臺電力系統的實際應用雖然還有諸多的關鍵技術有待進一步的發展。但從2013年開始，德國Siemens公司和瑞士ABB推出的船舶基于直流配電的電力推進解決方案不斷完善，克服海洋平臺電力系統直流化的關鍵技術也將隨之順帶解決。可以預見，未來10年內，6000 m作業水深以上的大型深水海洋平臺的電力系統方案必會向直流系統方向發展。

[1] 馬偉明. 艦船動力發展的方向—綜合電力系統[J].海軍工程大學學報, 2002，14(6)：1-6.

[2] 王煥文. 艦船電力系統及自動化裝置[M]. 北京: 科學出版社, 2004.

[3] 唐劍飛, 桂永勝. 艦船電力系統國內外最新進展和發展趨勢[J]. 船電技術, 2010，(2)：10-13.

Reviews on Power System for Offshore Platform

Zhang Hao

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM46

A

1003-4862（2014）11-0071-03

2014-08-25

張浩（1981-），男，工程師，碩士研究生。研究方向：艦船電力推進系統。