母聯(lián)閉合型海工平臺電力系統(tǒng)仿真

龔喜文， 張凱杰

(上海船舶運輸科學研究所 艦船自動化系統(tǒng)事業(yè)部， 上海 200135)

隨著全球社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，現(xiàn)代各類大型船舶(包括海洋工程平臺)電力系統(tǒng)的總裝機容量呈幾何級數(shù)增長，傳統(tǒng)低壓交流電力系統(tǒng)已遠遠不能滿足其總功率增加的需要。現(xiàn)代電力電子技術(shù)的快速發(fā)展使得中壓電力系統(tǒng)能很好地解決采用低壓電力系統(tǒng)帶來的一系列問題，同時中壓電力系統(tǒng)具有輸送電能力強、能源利用率高、對地電容小、系統(tǒng)穩(wěn)定性好等特點[1]，具有廣闊的應用前景。國際社會對排放的要求越來越嚴格，大型動力定位海工平臺對于中壓電力系統(tǒng)在提高能效、降低維護和運行成本、減少對生態(tài)系統(tǒng)的影響等方面提出更高的要求。與傳統(tǒng)的分區(qū)供電相比，采用環(huán)網(wǎng)供電、開環(huán)運行方式的母聯(lián)閉合型中壓電力系統(tǒng)在提高發(fā)電效率、降低廢氣排放、實現(xiàn)更經(jīng)濟運行等方面具有很大優(yōu)勢，是海工平臺電力系統(tǒng)未來技術(shù)發(fā)展的趨勢。

目前已有部分文獻對動力定位(Dynamic Positioning, DP)船舶電力系統(tǒng)的研究情況進行報道。在DP-2動力定位系統(tǒng)中設計采用低壓排電力系統(tǒng)供電方案，并針對該電力系統(tǒng)的故障響應做出簡要分析。[2]對于環(huán)形供電網(wǎng)絡中短路電流大小的計算方法，可得出環(huán)形電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時對整個系統(tǒng)的影響。[3-4]在DP-3動力定位船舶中設計采用中壓等級電力系統(tǒng)，兩段匯流排之間采用物理方式進行分隔，電力系統(tǒng)具有故障條件下的正常供電能力。[5]對中壓電力系統(tǒng)的電壓等級進行劃分，對于海工船舶發(fā)電機總裝機容量超過20 MW的電力系統(tǒng)，應選取11 kV的電壓等級。[6]同時,文獻設計電力系統(tǒng)閉環(huán)母線結(jié)構(gòu)，對電氣聯(lián)鎖與系統(tǒng)保護等方面做了詳細的分析。對于我國海工船舶發(fā)展現(xiàn)狀進行分析，對中壓電力系統(tǒng)在實船上的應用進行詳細的介紹,同時還分析了電力推進系統(tǒng)在中壓電網(wǎng)中的應用。[7]對半潛式電力推進船舶的中壓電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行分析說明，同時對中壓網(wǎng)絡中隔離開關(guān)和接地開關(guān)的重要性進行簡要說明。[8]但對于中壓電力系統(tǒng)，特別是在母聯(lián)閉合型中壓電力系統(tǒng)方面的研究報道很少。目前，國際上動力定位海工平臺電力系統(tǒng)的研發(fā)制造基本被AKA、SIEMENS、ABB、GE、瓦錫蘭等行業(yè)巨頭壟斷，國內(nèi)尚無成型產(chǎn)品推出。

為滿足我國動力定位海工平臺對電力系統(tǒng)的發(fā)展要求，本文研究挪威船級社(DNV GL)最新頒布的增強型DP附加標志(Dynamic Positioning System With Enhanced Reliability,DP-ER)附加標志的規(guī)范要求，結(jié)合已完成的母聯(lián)閉合型海工平臺電力系統(tǒng)設計成果，對該母聯(lián)閉合型電力系統(tǒng)進行建模，仿真分析工況切換和故障條件下電力系統(tǒng)的動態(tài)響應特性。

1 DP-ER附加標志的規(guī)范要求

2017年7月，DNV-GL頒布了《RULES FOR CLASSIFICATION》[9]，在“Part 6 Additional class notations Chapter 3 Navigation,manoeuvring and position keeping”中提出新的DP系統(tǒng)附加標志——DP-ER，對系統(tǒng)的魯棒性和適應性要求更強，提出新的母聯(lián)閉合型母線結(jié)構(gòu)，對電力系統(tǒng)的冗余設計也提出更高的要求，同時還要求電力系統(tǒng)的冗余組件采用熱備機的保護模式。

1.1 母聯(lián)閉合型母線結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的采用DP-3系統(tǒng)的船舶為保證DP系統(tǒng)的供電可靠，各艙室的主匯流排常采用孤島式設計，即電力系統(tǒng)采用多組冗余設備設計，每組冗余設備采用A60級隔離，安裝在單獨的艙室，同時為了防止故障蔓延電力系統(tǒng)，都采用孤島式結(jié)構(gòu)(見圖1)。

近年來，隨著母聯(lián)開關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，其性能逐漸滿足短路等電力系統(tǒng)故障的保護要求，DNV船級社于2015年4月頒布的DNV GL-OTG-10中DP-Classed Vessels with Closed Bus-Tie(s)相關(guān)指導手冊提出新的電力系統(tǒng)母線結(jié)構(gòu)—母聯(lián)閉合型母線結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使得電力系統(tǒng)能夠更加合理地分配電能，能有效節(jié)約電能。[10]同時,手冊還指出對傳統(tǒng)DP-3等級下的船舶可以通過結(jié)構(gòu)升級，安裝相應的母聯(lián)開關(guān)，使電力系統(tǒng)形成閉環(huán)母線結(jié)構(gòu)。

母聯(lián)閉合型母線結(jié)構(gòu)將各個孤島主匯流排通過雙母線開關(guān)連接，使各匯流排首尾連接，形成環(huán)形結(jié)構(gòu)(見圖2)。

母聯(lián)閉合型母線結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點：

1) 由于電力系統(tǒng)采用環(huán)形匯流排結(jié)構(gòu)，這樣可使電能在負載中共享，使并網(wǎng)發(fā)電機與負載匹配，因此可有效地減少燃料的消耗，降低對環(huán)境的污染。

2) 該結(jié)構(gòu)下的發(fā)電機組，可在不斷電的情況下切換發(fā)電機組，使發(fā)電機可分時段間歇運行，縮短發(fā)電機組的運行時間，以達到對發(fā)電機的保護。

3) 該結(jié)構(gòu)使得電力系統(tǒng)有功功率和無功功率的分配更加容易，優(yōu)化系統(tǒng)的功率共享。

4) 對于該結(jié)構(gòu)，當電力系統(tǒng)發(fā)生故障導致該匯流排組件無法正常工作時，故障匯流排兩端的母線開關(guān)跳閘，將故障切除，保證電力系統(tǒng)正常工作。

1.2 故障冗余設計

對于母聯(lián)閉合型母線結(jié)構(gòu)電力系統(tǒng)，需要滿足此結(jié)構(gòu)下系統(tǒng)的冗余設置和保護功能都與孤島結(jié)構(gòu)下的一致。對比于DP-3電力系統(tǒng)的冗余設計要求，DP-ER電力系統(tǒng)為使系統(tǒng)工作穩(wěn)定性更強，對于冗余組件，規(guī)范要求冗余設計應滿足n-1原則和n+1原則。

1.2.1n-1原則

DP-ER系統(tǒng)應設有備份保護功能。當發(fā)生故障，系統(tǒng)無法進行保護功能或保護功能執(zhí)行后仍不能解除故障時，此時應利用備份保護功能，隔離故障系統(tǒng)或組件。在備份保護系統(tǒng)執(zhí)行后，新的冗余組件滿足系統(tǒng)冗余設計要求。設總的發(fā)電機數(shù)為n臺，假定1臺備用發(fā)電機發(fā)生故障無法啟動，這意味著可用的備用發(fā)電機數(shù)將少1臺為n-1，此時剩余的可用備用發(fā)電機仍應滿足系統(tǒng)的供電要求，即n-1原則。

1.2.2n+1原則

DP電力系統(tǒng)中，無論在任何情況下，至少應有1臺發(fā)電機處于冗余備用狀態(tài)。

1.3 組件熱備機保護模式

對于傳統(tǒng)的冗余保護，常采用故障發(fā)生后冗余設備啟動并進行自動切換。為保護電網(wǎng)供電安全，DNV規(guī)范要求DP-ER電力系統(tǒng)的的冗余發(fā)電機應處于熱備機的保護模式(Standby Start and Changeover)。當電力系統(tǒng)正常工作時，電網(wǎng)會根據(jù)負荷的大小自動分配在網(wǎng)發(fā)電機組臺數(shù)，滿足功率匹配。當電力系統(tǒng)發(fā)生故障導致在網(wǎng)發(fā)電機不能正常工作時，冗余發(fā)電機組能夠快速切換入網(wǎng)，使故障對電網(wǎng)的沖擊降到最低，滿足失電保護功能。同時,當系統(tǒng)執(zhí)行完失電保護功能后，系統(tǒng)的冗余組件仍應滿足n+1和n-1原則。

綜上，DNV對DP-ER附加標志電力系統(tǒng)的要求為：DP-ER附加標志電力系統(tǒng)應采用母聯(lián)閉合型母線結(jié)構(gòu)、n+1和n-1冗余設計原則以及冗余發(fā)電機熱備用保護模式原則。

2 母聯(lián)閉合型海工平臺電力系統(tǒng)架構(gòu)及配置說明

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

通過對目標船及同類海工平臺現(xiàn)場調(diào)研、與船級社進行技術(shù)交流和業(yè)務研討，獲得主流海工平臺中壓電力系統(tǒng)的大量一手技術(shù)資料，查閱相關(guān)參考文獻，參考DP-ER附加標志的要求，已完成母聯(lián)閉合型海工平臺電力系統(tǒng)設計，系統(tǒng)架構(gòu)見圖3。相關(guān)DP動力設備組，電纜組路徑，系統(tǒng)組分布在4組相對獨立的A60級防火分割空間和水密分割空間內(nèi)，形成滿足DP3規(guī)范要求的物理分割布局要求。在DP和非DP模式下，4段中壓母排都可以通過中間的母聯(lián)開關(guān)連接起來組成1段或2段母排供電，但所有母聯(lián)開關(guān)不能同時閉合。電力系統(tǒng)正常工作時，4個方位的4臺推進器同時工作，能量管理系統(tǒng)PMS根據(jù)推進器、日常負荷等的具體需求進行發(fā)電機匹配供電。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于當電力系統(tǒng)正常工作時，發(fā)電機會根據(jù)負載變化自動匹配運行機組臺數(shù)，并將電網(wǎng)電能進行共享，達到提供運行可靠性、節(jié)省能源的目的。

2.2 具體配置

本文對此架構(gòu)系統(tǒng)開展仿真研究，具體配置如下：

1) 交流中壓11 kV、頻率60 Hz。

2) 8臺中壓柴油發(fā)電機組，額定功率為3 750 kVA，額定轉(zhuǎn)速為900 r/min，每2臺接入1段中壓母排，布置在一個獨立的機艙內(nèi)。

3) 4套11 kV主DP中壓配電板，最高工作電壓12 kV，額定電壓11 kV、匯流排的額定電流1 095 A，額定短路分斷電流22 kA。

4) 4臺推進器變壓器，容量為5 300 kVA/2 650 kVA/2 650 kVA,電壓變比11 kV/0.71 kV/0.71 kV。

5) 4臺推進器，單機功率4 400 kW，每段中壓母排上接入1臺推進器。

6) 4套690 V 主DP輔助配電板，額定電壓為690 V，匯流排額定電流2 929 A，額定短路分斷電流54 kA。

7) 負載主要有推進器、推進器輔助系統(tǒng)，其他主要負載包含各種吊機及其供電變壓器、絞車、空調(diào)、廚房等。

3 母聯(lián)閉合型海工平臺電力系統(tǒng)建模

依據(jù)圖3母聯(lián)閉合型海工平臺電力系統(tǒng)架構(gòu)，進行適當簡化，在商用電力系統(tǒng)分析軟件 Paladin Design Base中搭建系統(tǒng)仿真模型見圖4。

模型包括4個獨立艙室，每個艙室包括2臺發(fā)電機，發(fā)電機編號G1～G8，各發(fā)電機通過發(fā)電機保護斷路器分別與11 kV中壓主匯流排連接(編號BUS1～BUS4)；主匯流排可通過母聯(lián)開關(guān)(編號CB1～CB4)相連；主匯流排通過11 kV/0.71 kV變壓器(編號T1～T4)為推進電機供電，推進電機編號M1～M4；主匯流排通過11 kV/0.69 kV變壓器(T5～T8)與690 V輔助配電盤(編號BUS5～BUS8)連接，為推進系統(tǒng)輔助負載和其他負載等日常負荷(編號L1～L4)供電，BUS5～BUS8之間無電氣連接。

設母聯(lián)開關(guān)CB2初始斷開，從而構(gòu)成母聯(lián)閉合C型結(jié)構(gòu)，以滿足所有母聯(lián)開關(guān)不能同時閉合的要求。仿真模型內(nèi)各設備參數(shù)配置與第2.2節(jié)所述相同。

4 母聯(lián)閉合型海工平臺電力系統(tǒng)仿真驗證分析

該海工平臺可運營于航行、停港、DP作業(yè)等模式，本文僅對占平臺服務周期比例很高的DP作業(yè)模式進行仿真驗證。在該模式下運行工況包括極好服務天氣(工況1)、標準作業(yè)天氣(工況2)、較惡劣海況(工況3)等3種。對于工況3，根據(jù)發(fā)電機組無/有隱藏故障分為兩種情況。在每種工況下為保持動力定位，推進電機需要根據(jù)實際情況輸出功率，仿真時該參數(shù)綜合考慮工況、發(fā)電機隱藏故障、負載率等選取。不同工況下仿真用的發(fā)電機在網(wǎng)臺數(shù)、推進電機功率、日常負荷、發(fā)電機負載率和無/有隱藏故障等參數(shù)見表1。

表1 不同工況系統(tǒng)參數(shù)對比

4.1 工況切換下電力系統(tǒng)動態(tài)響應

4.1.1工況1切換至工況2

在該切換過程中，在網(wǎng)發(fā)電機數(shù)由2臺增加至4臺，推進電機M1-M4輸出功率由額定功率占比2%提高至20%，設日常負荷保持不變?yōu)? 096 kW。設工況1時在網(wǎng)運行發(fā)電機為G1和G5，第130 s發(fā)電機G3和G7并網(wǎng)，第145 s時4臺推進電機M1～M4功率由100 kW升至880 kW。

在工況1切換至工況2過程中，電力系統(tǒng)動態(tài)響應情況見圖5。由圖5可知:發(fā)電機G3、G7并網(wǎng)后，主匯流排電壓和頻率經(jīng)過約10 s振蕩后趨穩(wěn)，電壓最大波動低于0.08 p.u.，穩(wěn)定值約為1.05 p.u.；頻率最大波動小于0.03 Hz，穩(wěn)定值約60.025 Hz。從第145 s開始，推進電機輸出功率由極低值，經(jīng)10 s時間逐漸升至880 kW，主匯流排電壓和頻率均存在小幅振蕩衰減，振蕩時間約20 s，電壓最大波動約0.01 p.u.，最終穩(wěn)定在1.04 p.u.；頻率最大波動小于0.015 Hz，最終穩(wěn)定在60.022 Hz。整個切換過程中，電網(wǎng)電壓和頻率波動范圍均滿足設計要求。

4.1.2工況2切換至工況3(發(fā)電機組無隱藏故障)

在該切換過程中，在網(wǎng)發(fā)電機臺數(shù)由4臺增加至6臺，推進電機M1-M4輸出功率由額定功率占比20%提高至50%，設日常負荷保持不變?yōu)? 096 kW。設工況2時在網(wǎng)運行發(fā)電機為G1、G3、G5和G7，第130 s發(fā)電機G4和G6并網(wǎng)，第145 s時4臺推進電機M1～M4功率由880 kW升至2 200 kW。

在工況2切換至工況3(發(fā)電機組無隱藏故障)過程中，電力系統(tǒng)動態(tài)響應情況見圖6。由圖6可知：發(fā)電機G4和G6并網(wǎng)時，主匯流排電壓和頻率經(jīng)過約5 s振蕩后趨穩(wěn)，電壓最大波動低于0.03 p.u.，小幅降低后穩(wěn)定在1.04 p.u.；頻率最大波動<0.06 Hz，穩(wěn)定值基本不變60.02 Hz。從第145 s開始，推進電機輸出功率由880 kW，經(jīng)10 s時間逐漸升至2 200 kW，其間主匯流排電壓和頻率均存在一定程度振蕩衰減，振蕩約15 s后，電壓最大波動約為0.015 p.u.，最終穩(wěn)定在1.03 p.u.；頻率最大波動約0.04 Hz，最終穩(wěn)定在60.015 Hz。該切換過程中，電網(wǎng)電壓和頻率變化范圍也滿足設計要求。

由以上仿真結(jié)果可知，該電力系統(tǒng)處于工況切換過程，系統(tǒng)的電壓及頻率變化幅度均未超過15%限制，所設計的系統(tǒng)能耐受工況切換造成的沖擊。

4.2 故障下電力系統(tǒng)的動態(tài)響應分析

船舶電力系統(tǒng)故障一般有局部配電板故障、發(fā)電機故障、推進器失效故障、全船失電故障等。本文以工況3(較惡劣海況，發(fā)電機組無/有隱藏故障兩種情況)條件下，主匯流排發(fā)生短路故障為例，仿真分析系統(tǒng)動態(tài)響應，對電力系統(tǒng)設計進行驗證。在仿真模型中，電力系統(tǒng)故障響應動作的要求和保護開關(guān)動作順序的要求均按DP-ER附加標志要求進行設置,同時發(fā)電機均設置為熱備機狀態(tài)，以降低備用冗余發(fā)電機并入電網(wǎng)時對電網(wǎng)的沖擊。

4.2.1主匯流排故障下電力系統(tǒng)的動態(tài)響應

在這種情況下，電力系統(tǒng)由6臺發(fā)電機(G1、G3、G4、G5、G6、G8)為4臺推進器及其日常負荷供電，為實現(xiàn)動態(tài)定位，各推進器的功率為50%額定功率。設匯流排BUS2在系統(tǒng)時間第35 s時發(fā)生短路接地故障，設置BUS2兩端母聯(lián)開關(guān)CB1在系統(tǒng)時間第35.3 s時動作(CB2初始斷開)，以隔離故障匯流排，達到故障隔離保護功能；之后并入發(fā)電機G2，即由5臺發(fā)電機(G1、G2、G5、G6、G8)為剩余的3臺推進器M1、M3和M4供電，剩余的1臺發(fā)電機(G7)處于熱備機保護模式,見圖7。

主匯流排短路故障(發(fā)電機組無隱藏故障)時電力系統(tǒng)動態(tài)響應情況見圖8。由圖8可知：匯流排BUS2在35 s發(fā)生故障時，系統(tǒng)電壓瞬間跌落，由1 p.u.降至0.34 p.u.；在35.3 s失電保護開關(guān)動作、隔離故障匯流排后，系統(tǒng)迅速回升至0.7 p.u.，經(jīng)過約7 s恢復穩(wěn)定。系統(tǒng)頻率在發(fā)生故障時升至60.28 Hz，在35.3 s失電保護開關(guān)動作后，降至59.35 Hz，之后系統(tǒng)經(jīng)過約2 s調(diào)整，逐漸恢復至60 Hz并達到穩(wěn)定。

4.2.2主匯流排故障下電力系統(tǒng)的動態(tài)響應

在這種情況下，電力系統(tǒng)由5臺發(fā)電機(G1、G3、G4、G6、G8)為4臺推進器及日常負荷供電，為實現(xiàn)動態(tài)定位，各推進器的功率為40%額定功率。設匯流排BUS2在系統(tǒng)時間第35 s時發(fā)生短路故障，設置BUS2兩端母聯(lián)開關(guān)CB1在系統(tǒng)時間第35.3 s時動作(CB2初始斷開)，以隔離故障匯流排，達到故障隔離保護功能；同時設匯流排BUS3所連發(fā)電機組存在隱藏故障，無法正常工作。為滿足系統(tǒng)供電需求，熱備用發(fā)電機G2并網(wǎng)供電。系統(tǒng)最終由4臺發(fā)電機(G1、G2、G7、G8)為剩余的3臺推進器供電,見圖9。

主匯流排短路故障(發(fā)電機組有隱藏故障)時電力系統(tǒng)動態(tài)響應情況見圖10。

由以上仿真結(jié)果可知：該電力系統(tǒng)在發(fā)生主匯流排故障時，不論發(fā)電機組無/有隱藏故障，在故障隔離后，系統(tǒng)能快速恢復正常供電，具有較強的調(diào)壓、調(diào)頻能力。

5 結(jié)束語

本文通過對DNV最新頒布的DP-ER附加標志的規(guī)范要求的研究，得到DP-ER海工平臺電力系統(tǒng)應采用閉環(huán)母線結(jié)構(gòu)、冗余設計和熱備機保護模式。基于已完成的母聯(lián)閉合型電力系統(tǒng)設計成果，結(jié)合DP-ER附加標志的要求，建立母聯(lián)閉合型海工電力系統(tǒng)仿真模型，仿真分析工況切換和故障條件下電力系統(tǒng)的動態(tài)響應特性，驗證系統(tǒng)耐沖擊、抗故障能力。本研究可為母聯(lián)閉合型中壓電力系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究和關(guān)鍵設備的研制提供借鑒和參考。