DP-2 工況下閉合母聯(lián)電力系統(tǒng)設(shè)計

孫 哲，王克虎，徐 楠

（1. 中船郵輪科技發(fā)展有限公司，上海 200137；2. 上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

0 引 言

對于傳統(tǒng)的配備動力定位（Dynamic Positioning, DP）系統(tǒng)（DP-2）的海洋工程船和特種船而言，在進行DP 作業(yè)時，其電站均采用孤島模式，即互為冗余的電站之間的斷路器保持斷開狀態(tài)，這樣就能將多個電站作為獨立的電力系統(tǒng)運行。這種運行方式可降低對電力系統(tǒng)保護的依賴性和隱藏故障的影響。雖然失去冗余系統(tǒng)的一部分風(fēng)險沒有降低，但失去整個電力系統(tǒng)的風(fēng)險會大大降低。因此，孤島模式的電力系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于DP-2 及DP-2 以上等級的DP 系統(tǒng)中。孤島模式的電力系統(tǒng)和閉合母聯(lián)模式的電力系統(tǒng)見圖1。

但是，從船東或平臺使用者的角度來說，采用孤島模式的電力系統(tǒng)意味著需配備更多的在網(wǎng)發(fā)電機，耗費更多的燃油和運行時間，且電力系統(tǒng)的靈活性大大降低，維護保養(yǎng)的成本和難度更高。

因此，隨著海工技術(shù)和電氣技術(shù)的不斷發(fā)展，閉合母聯(lián)模式的電站在DP 系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛。閉合母聯(lián)式電力系統(tǒng)是指在進行DP 作業(yè)時，互為冗余的多個電站之間的斷路器保持閉合狀態(tài)，使冗余的電站系統(tǒng)共線工作，為全船提供電力。與孤島模式的電站相比較，閉合母聯(lián)模式的電站具有油耗及發(fā)電機運行時間更少、電力系統(tǒng)更靈活和容錯性更強等優(yōu)點。

圖1 孤島模式的電力系統(tǒng)和閉合母聯(lián)模式的電力系統(tǒng)配置

對于閉合母聯(lián)模式的電力系統(tǒng)而言，其存在的最主要的問題是故障會對不同冗余分組的電站同時造成影響。因此，本文對DP-2 模式下閉合母聯(lián)電力系統(tǒng)設(shè)計的基本原則和設(shè)計要點進行分析。

1 閉合母聯(lián)電力系統(tǒng)設(shè)計的基本原則

對于DP 作業(yè)的船舶而言，其閉合母聯(lián)電力系統(tǒng)的設(shè)計原則是：當發(fā)生的故障可能影響到整個電力系統(tǒng)的正常運行時，連接各冗余電力系統(tǒng)的母聯(lián)開關(guān)及時斷開，電網(wǎng)重新配置成孤島模式，與DP 相關(guān)的系統(tǒng)可在孤島模式下繼續(xù)運行，不會降低性能（功率、轉(zhuǎn)速和壓力等）。概括起來就是閉合母聯(lián)電力系統(tǒng)應(yīng)具備在任何情況下以孤島模式運行，且不影響與DP 相關(guān)的系統(tǒng)繼續(xù)運行的能力。

為實現(xiàn)上述基本原則，在設(shè)計閉合母聯(lián)系統(tǒng)時需考慮以下因素。

1.1 故障發(fā)生之后系統(tǒng)的響應(yīng)

廣義上來講，系統(tǒng)發(fā)生故障之后的響應(yīng)大體上可歸納為以下步驟：

1) 啟動所有的備用發(fā)電機；

2) 對冗余組內(nèi)的故障進行隔離；

3) 斷開冗余電力系統(tǒng)之間的斷路器；

4) 確保系統(tǒng)在孤島模式下繼續(xù)運行。

需注意的是，系統(tǒng)的運行模式并非單指配電系統(tǒng)，電站自動控制系統(tǒng)、發(fā)電機自動調(diào)壓系統(tǒng)、發(fā)電機調(diào)速系統(tǒng)和DP 控制系統(tǒng)的結(jié)論分析系統(tǒng)等都要求既能在閉合母聯(lián)模式下運行，又能在孤島模式下運行。

1.2 系統(tǒng)的短路故障穿越能力

當電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，會影響整個系統(tǒng)瞬時的電壓降（見圖2），所有連接在母排上運行的電氣設(shè)備都會受到影響，對于閉合母排的系統(tǒng)而言，這意味著整個電力系統(tǒng)和所有負載都會受到該電壓降的影響。對此，要求閉合母聯(lián)系統(tǒng)中所有非故障區(qū)域的開關(guān)和用電負載都能在系統(tǒng)的電壓下降-回升期間繼續(xù)運行，這種能力稱為短路故障穿越能力，其設(shè)計是閉合母聯(lián)系統(tǒng)設(shè)計的重點，后續(xù)將做詳細論述。

綜上所述，閉合母聯(lián)電力系統(tǒng)設(shè)計是基于冗余DP 系統(tǒng)進行的，在設(shè)計中同樣需優(yōu)先考慮DP 系統(tǒng)的預(yù)期最差設(shè)計工況，閉合母聯(lián)電力系統(tǒng)的任何單點故障都不允許出現(xiàn)超出預(yù)期最差設(shè)計工況的現(xiàn)象。因此，需從電力系統(tǒng)的選擇性保護、冗余性雙路供電、電站管理系統(tǒng)（Power Management System, PMS）和發(fā)電機保護系統(tǒng)等方面進行設(shè)計。下面對DP-2 模式下的閉合母聯(lián)電力系統(tǒng)設(shè)計進行分析。

圖2 系統(tǒng)短路時電壓-時間曲線

2 DP-2 模式下的閉合母聯(lián)電力系統(tǒng)設(shè)計與配置

為更好地了解DP-2 模式下的閉合母排設(shè)計理念，首先對國際海事組織（International Maritime Organization, IMO）MSC/Circ.645 指導(dǎo)文件的要求進行分析。對于上述DP-2模式，電力系統(tǒng)需分成2 個或2 個以上單獨的子系統(tǒng)，當有1 個子系統(tǒng)發(fā)生故障時，至少還有1 個其他系統(tǒng)可保持正常運行。電力系統(tǒng)可作為一個整體系統(tǒng)運行（即上述閉合母聯(lián)模式），但必須設(shè)置能在發(fā)生短路或過載故障時自動跳開的母聯(lián)開關(guān)，以防止故障從1 個子系統(tǒng)傳遞給其他子系統(tǒng)[1]。

由IMO MSC/Circ.645 指導(dǎo)文件的要求可知，對DP-2 電力系統(tǒng)的基本要求是可在孤島模式下運行，或在閉合母聯(lián)的模式下發(fā)生單點故障時能返回到孤島模式運行，而不會使整艘船舶丟失動力和定位能力。

對于隱藏故障，DP-2 系統(tǒng)只要求整體上能有效預(yù)防隱藏故障，即可通過對系統(tǒng)進行監(jiān)測和報警來消除隱藏故障的影響[2]。對于各斷路器，尤其是對于總線上的母聯(lián)斷路器（隱藏故障可能導(dǎo)致故障發(fā)生時母排無法有效斷開為孤島模式的配置），該系統(tǒng)并沒有特殊的要求。

下面逐一分析組成閉合母聯(lián)電站的各種配置和滿足DP-2 要求的設(shè)計。

2.1 過載保護設(shè)計

對于閉合母聯(lián)電站過載保護，可通過配電盤自身硬件、自動PMS 和DP 控制系統(tǒng)中的1種或多種來完成[3]，但在系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)充分考慮各種保護方式的協(xié)調(diào)性。當過載保護系統(tǒng)自身發(fā)生故障時，不能導(dǎo)致超出最差設(shè)計預(yù)期工況的情況出現(xiàn)，具體要求如下：

1) 單臺發(fā)電機過載不會導(dǎo)致所有在網(wǎng)的推進器進入減載模式。這是一個與開環(huán)系統(tǒng)截然不同的設(shè)計理念。在開環(huán)系統(tǒng)中，為最大程度地保持冗余分組內(nèi)的發(fā)電機不因長時間過載而失電，通常會要求其在網(wǎng)的推進器進入減載模式。由于電力系統(tǒng)為孤島模式，只有1 個冗余分組內(nèi)的推進器的推力受影響，不會超出最差設(shè)計預(yù)期工況的范圍。但是，對于閉合母聯(lián)電力系統(tǒng)，所有推進器都在同一個電網(wǎng)中，若因單臺發(fā)電機過載而限制所有推進器的負荷，會導(dǎo)致所有冗余分組內(nèi)的推進器的推力受影響，這顯然超出了最差設(shè)計預(yù)期工況的要求，因此不能因單臺發(fā)電機過載而使所有推進器進入減載模式。

2) 單臺或多臺發(fā)電機因發(fā)生故障而停機不會導(dǎo)致其他正常的DP 冗余分組失電[4]。對于閉合母聯(lián)電站系統(tǒng)，當發(fā)電機因發(fā)生故障而停機時，除了對應(yīng)發(fā)電機的斷路器跳開以外，與其冗余分組相鄰的母聯(lián)短路器通常也要快速自動斷開，以保證正常的DP 冗余組的配電系統(tǒng)不會因受到影響（如短路傳播、過載和逆功等）而失電。

3) 母聯(lián)開關(guān)跳開不會導(dǎo)致各DP 冗余組失電。如前文所述，對于閉合母聯(lián)配電系統(tǒng)，其最基本的設(shè)計是發(fā)生故障時自動斷開各冗余組之間的母聯(lián)開關(guān)，系統(tǒng)重新配置成孤島模式并正常運行。

2.2 發(fā)電機調(diào)速器故障保護設(shè)計

發(fā)電機的調(diào)速器主要用來控制發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，即控制發(fā)電機輸出的有功功率。發(fā)電機轉(zhuǎn)速控制是各發(fā)電機并聯(lián)運行（即負荷分配）的一部分，發(fā)電機調(diào)速器設(shè)計會影響閉合母聯(lián)電站系統(tǒng)設(shè)計。

發(fā)電機調(diào)速器設(shè)計的基本要求是當其發(fā)生單一故障（失電、網(wǎng)絡(luò)故障等）時不會影響其他發(fā)電機正常運行。

為更好地理解發(fā)電機調(diào)速器的設(shè)計選型，首先對發(fā)電機調(diào)速器的2種并聯(lián)模式（即無差模式和有差模式）進行分析。

1) 無差模式：單臺發(fā)電機運行時采用這種模式，即設(shè)定一個頻率（轉(zhuǎn)速），根據(jù)負載變化來調(diào)整反饋修正值，達到穩(wěn)定頻率的作用。當2臺或多臺發(fā)電機并列運行時，各發(fā)電機的調(diào)速環(huán)會并接在一起，可通過修正調(diào)速器參數(shù)來使各發(fā)電機并列運行，并能使其穩(wěn)定在固定的預(yù)設(shè)頻率上。

2) 有差模式：發(fā)電機的轉(zhuǎn)速-負載曲線是一條下垂的直線，調(diào)速系統(tǒng)會根據(jù)負載情況修正調(diào)整調(diào)速環(huán)之后的頻率，該頻率并不是要穩(wěn)定的頻率，需進行二次調(diào)速（比如通過PMS 或手動輸入來調(diào)整），以得到穩(wěn)定的頻率。這樣做的目的是，當機組帶載率突然變得很高和很低時，防止發(fā)電機過載或逆功導(dǎo)致停車。

通過分析可知，無差模式與有差模式的主要區(qū)別在于：

1) 有差模式的負荷調(diào)整和發(fā)電機進網(wǎng)/退網(wǎng)是基于PMS（或手動）進行的，即發(fā)電機依靠外部信號控制，與其他發(fā)電機調(diào)速裝置沒有直接的電氣連接，無發(fā)生公共故障的風(fēng)險；

2) 無差模式是將所有在網(wǎng)的發(fā)電機調(diào)速環(huán)并接在一起，通過數(shù)據(jù)分享、共同修正來實現(xiàn)負荷分配和發(fā)電機并聯(lián)運行，電站管理單元不參與發(fā)電機調(diào)速。

由這2種模式的特點可知：有差模式更能保持各冗余分組的獨立性，即系統(tǒng)受到公共故障的影響更小；無差模式具有恒頻、均載、發(fā)電機運行更穩(wěn)定和經(jīng)濟性好等特點。因此，閉合母排的電力系統(tǒng)通常會采用無差模式運行，但當發(fā)生故障時，系統(tǒng)會自動跳回到安全性更高的有差模式。

綜上所述，當發(fā)生調(diào)速器故障時，系統(tǒng)必須跳回到預(yù)設(shè)的安全模式，即有差模式，由電站管理單元控制各發(fā)電機調(diào)速，并配合閉合母聯(lián)電力系統(tǒng)中母聯(lián)開關(guān)的斷開（系統(tǒng)配置改為孤島模式），保證各冗余分組（非故障組）的發(fā)電機可在組內(nèi)繼續(xù)并聯(lián)運行。

2.3 短路故障穿越能力

短路故障穿越能力設(shè)計是整個閉合母聯(lián)電站系統(tǒng)設(shè)計的重點和難點，因為短路故障穿越能力不僅僅是對配電系統(tǒng)的要求，連接在整個電力系統(tǒng)中的設(shè)備（如分配電設(shè)備、起動器和變頻器等）都需結(jié)合短路電流、電壓降和選擇性保護進行分析研究，并根據(jù)閉合母聯(lián)系統(tǒng)對短路故障穿越能力的要求，對各設(shè)備的電氣保護參數(shù)（尤其是欠壓保護）進行合理的設(shè)計。

閉合母聯(lián)電力系統(tǒng)對DP 相關(guān)設(shè)備和非DP 相關(guān)設(shè)備都有短路故障穿越能力要求[2]。

2.3.1 DP 冗余組設(shè)備的要求

對于DP 相關(guān)設(shè)備，在發(fā)生短路故障期間，所有電氣設(shè)備（非故障區(qū)域）都要保持發(fā)生短路故障之前的運行狀態(tài)不變，即不能因電壓降而出現(xiàn)斷路器跳開或設(shè)備停止運行等狀況，涉及的電氣系統(tǒng)或設(shè)備如下：

1) 推進器和相應(yīng)的推進變頻器不能因電壓降而停車或退出DP 狀態(tài)；

2) 推進器、舵機和發(fā)電機組輔助系統(tǒng)（如燃油、滑油、伺服油和冷卻水等系統(tǒng)）的泵組不能因瞬時電壓降而停泵；

3) 欠壓保護系統(tǒng)（如配有）不能在瞬時電壓降期間動作；

4) 對于雙路供電的直流蓄電池或不間斷電源系統(tǒng)，不能因瞬時電壓降而導(dǎo)致系統(tǒng)供電在不同的冗余分組間切換。

針對上述要求，在設(shè)計過程中，應(yīng)采用以下設(shè)計方法：

1) 對于變頻器控制的推進器，由于變頻器電源單元內(nèi)的電容作為蓄能裝置，可在很大程度上抵消電壓波動，因此對于變頻器來說，瞬時電壓降通常不會導(dǎo)致變頻器停車或跳閘。但是，變頻器的控制電路及其電氣元件通常無法在瞬時電壓降期間保持正常工作，因此會導(dǎo)致整個變頻器停止運行，進而導(dǎo)致推進器停車，造成超出最差預(yù)期設(shè)計工況的情況出現(xiàn)。因此，對于變頻器控制的推進器設(shè)計，變頻器的主供電不需要考慮瞬時電壓降穿越問題；對于變頻器的控制電路，需使用相同DP冗余分組內(nèi)的不間斷電源供電，以保證變頻器的控制電路在瞬時電壓降期間的穿越能力。

2) 對于由可調(diào)螺距螺旋槳（Controllable Pitch Propeller, CPP）控制的推進器，雖然可通過設(shè)置供電回路的斷路器來保證推進器和可調(diào)槳單元瞬時電壓降的穿越能力，但可調(diào)槳系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)速度相比變頻器過慢會導(dǎo)致發(fā)電機過載，即將故障擴散到非故障的冗余分組，因此可調(diào)槳并不適合在閉合母聯(lián)電力系統(tǒng)中使用。

3) 對于推進器和發(fā)電機輔助系統(tǒng)的泵組，主船級規(guī)范通常會要求其啟動器在電力系統(tǒng)失電之前脫扣，因此啟動器的欠壓保護不能取消[5]，設(shè)計時應(yīng)考慮其啟動器欠壓保護數(shù)值的設(shè)置（電壓值及延時），既要保證欠壓脫扣功能，又要保證其在發(fā)生短路故障時，瞬時電壓降的穿越能力。泵組啟動控制回路的電氣元件無法在瞬時電壓降期間正常工作，因此對于與獨立DP相關(guān)的泵組的啟動器控制回路，同樣需采用相同DP冗余分組內(nèi)的不間斷電源供電，以保證啟動器的控制電路在瞬時電壓降期間的穿越能力。

對于與DP相關(guān)的蓄電池或不間斷電源系統(tǒng)，通常僅由相關(guān)的冗余分組供電，若要求主/應(yīng)急雙路供電，則推薦供電電路的轉(zhuǎn)換通過手動來完成。

以某半潛項目為例，模擬得到短路故障發(fā)生時440V 配電盤和6.6kV 配電盤電壓降-時間曲線分別見圖3 和圖4。

圖3 440 V 配電盤電壓降-時間曲線

圖4 6.6 kV 配電盤電壓降-時間曲線

由圖3 和圖4 可知：短路故障于2.00s 的時間點發(fā)生，造成配電盤電壓降；隨著故障區(qū)域被隔離，系統(tǒng)經(jīng)歷0.09s 的時間之后其電壓又恢復(fù)到了穩(wěn)態(tài)波動的正常范圍內(nèi)。但是，短路故障形成的瞬時電壓降在440V 配電盤上和6.6kV 配電盤上有明顯的不同：在440V 配電盤上電壓降至270V，電壓降約為40%；在6.6kV 配電盤上電壓降至5.2kV，電壓降約為21%。由此可看出，短路故障對中壓配電盤電壓降的影響要小于低壓配電盤。這就是閉合母聯(lián)電站系統(tǒng)通常只對中壓配電盤的母排進行連接，低壓配電盤的母排為孤島模式的原因之一。

2.3.2 非DP 冗余組設(shè)備的要求

對于非DP 相關(guān)設(shè)備，要求在短路故障造成的電壓降期間保持斷路器或啟動器開關(guān)的狀態(tài)，即在故障隔離、電壓重新建立之后可不經(jīng)人為干預(yù)自動恢復(fù)運行（而不是重新啟動），即在穿越期間，斷路器或接觸器保持閉合。此外，可設(shè)計備用泵組切換或備用電源切換來滿足電壓降穿越的要求，但在設(shè)計時必須保證切換的電源來自于相同的DP 冗余分組。

無論是DP 相關(guān)設(shè)備，還是非DP 相關(guān)設(shè)備，當短路故障被隔離、系統(tǒng)重新建立電壓時，由于發(fā)電機自動調(diào)壓裝置的特性，電網(wǎng)電壓會出現(xiàn)一個大于正常工作電壓的波峰，如圖4 中的2～4s 時間段內(nèi)的波形。該時間段的電網(wǎng)處于過壓狀態(tài)，因此在設(shè)計時同樣需考慮設(shè)備的過壓保護和元件的耐壓等級，既不能在這段時間內(nèi)將電氣元件損毀，又不能因過壓保護動作而導(dǎo)致設(shè)備停止運行。

2.4 滿足DP-2 要求的閉合母聯(lián)電力系統(tǒng)單線圖例

圖5 和圖6 為滿足DP-2 閉合母聯(lián)電力系統(tǒng)最低要求的典型系統(tǒng)配置，對于具體的海工項目，可在此基礎(chǔ)上根據(jù)項目的具體要求增加配置。

圖5 滿足DP-2 閉合母聯(lián)電力系統(tǒng)最低要求的典型系統(tǒng)配置（電力）

圖6 滿足DP-2 閉合母聯(lián)電力系統(tǒng)最低要求的典型系統(tǒng)配置（控制）

3 結(jié) 語

通過本文的分析可知，對于DP-2 系統(tǒng)中閉合母聯(lián)電力系統(tǒng)的設(shè)計，除了要滿足IMO MSC/Circ.645 指導(dǎo)文件和各船級社相應(yīng)規(guī)范的要求以外，還需對配電盤、調(diào)速器和自動電壓調(diào)節(jié)裝置等裝置及保護系統(tǒng)的故障進行深入研究，并對發(fā)電機、推進器及相關(guān)負載的短路電流、選擇性保護和短路故障穿越能力進行逐一分析，從而合理設(shè)計出滿足DP-2 系統(tǒng)要求的閉合母聯(lián)電力系統(tǒng)。