自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用

張丁標(biāo)，戴洪祥，藍(lán)巨滔，張育嬋

（1.中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東廣州510715；2.廣船國(guó)際有限公司，廣東廣州510715）

0 引 言

為解決資源短缺、排放污染和氣候變暖等問(wèn)題，開(kāi)發(fā)清潔、可再生能源越來(lái)越受關(guān)注，海上風(fēng)力發(fā)電具有環(huán)保清潔、資源豐富、裝機(jī)容量大、傳輸距離短、不占用土地資源、風(fēng)速高且穩(wěn)定、湍流強(qiáng)度小和視覺(jué)及噪聲污染少等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)得到了很多國(guó)家的重視。同時(shí)，傳統(tǒng)的柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)占用船舶空間大，能源利用率低，近年來(lái)隨著電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是隨著電機(jī)控制技術(shù)、交流變頻調(diào)速技術(shù)和電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)在運(yùn)行效率、機(jī)動(dòng)性和可靠性等方面取得了突破性進(jìn)展。因此，研發(fā)一型配置綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的船舶具有極強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

1 200 t自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)是國(guó)內(nèi)最新型高端風(fēng)電安裝平臺(tái)，入中國(guó)船級(jí)社，配有動(dòng)力定位（Dynamic Position，DP）系統(tǒng)（DP1）和1 200 t繞樁吊，是國(guó)內(nèi)第一座桁架式齒輪升降風(fēng)電安裝平臺(tái)，其總長(zhǎng)為84.5 m，型寬為43.3 m，型深為7.6 m，設(shè)計(jì)吃水為4.7 m，樁腿長(zhǎng)為91.5 m，最大作業(yè)水深為60 m，主要應(yīng)用于7 MW及7 MW以下海上風(fēng)機(jī)的打樁、安裝和維護(hù)等作業(yè)中，具有較強(qiáng)的抗風(fēng)和抗海流沖擊能力。

1 系統(tǒng)組成

該1 200 t自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)的電力推進(jìn)系統(tǒng)由主發(fā)電機(jī)組、主變壓器、600 V配電板、能量管理系統(tǒng)（Power Management System，PMS）、主推進(jìn)電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、側(cè)推電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、AC 400 V低壓配電板、遙控系統(tǒng)和不間斷電源等組成。電力推進(jìn)系統(tǒng)單線圖見(jiàn)圖1；電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)備配置見(jiàn)表1。

圖1 電力推進(jìn)系統(tǒng)單線圖

表1 電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)備配置

2 電站及作業(yè)工況

由于海上風(fēng)場(chǎng)作業(yè)比較復(fù)雜，因此需充分考慮電站的運(yùn)行模式。海上風(fēng)電安裝平臺(tái)作業(yè)工況通常包括平臺(tái)移位、升平臺(tái)、提舉和降平臺(tái)等，每種工況又可根據(jù)作業(yè)方式的不同進(jìn)行細(xì)分，如平臺(tái)移位可分為移位、在動(dòng)力定位模式下進(jìn)行浮吊和在定位錨機(jī)模式下進(jìn)行浮吊等情況進(jìn)行精細(xì)計(jì)算，力求更加合理地確定使用的發(fā)電機(jī)組數(shù)量，降低能耗。

在不同工況下運(yùn)行不同數(shù)量的發(fā)電機(jī)，根據(jù)全船電力負(fù)荷計(jì)算的各工況下的發(fā)電機(jī)數(shù)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2，各臺(tái)發(fā)電機(jī)的功率均為1 550 kW。

表2 1 200 t自升式風(fēng)電安裝平臺(tái)各作業(yè)工況下的發(fā)電機(jī)數(shù)量

3 配電系統(tǒng)

配電系統(tǒng)為全船提供電能，包含配電板和PMS。5臺(tái)1 550 kW主柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組（發(fā)電機(jī)組非供貨范圍）作為主電源，為全船提供600 V、50 Hz的電源，經(jīng)2臺(tái)AC 600 V／AC 230 V的1 250 kVA主變壓器降壓，給全船400 V和230 V負(fù)載配送電能。由于整船的供電系統(tǒng)設(shè)備繁多、負(fù)載運(yùn)行工況多變，借助PMS可高效、集中、自動(dòng)化地管理全船電網(wǎng)。PMS控制站設(shè)在集控室內(nèi)，發(fā)電機(jī)組、推進(jìn)系統(tǒng)等重要電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)可實(shí)時(shí)監(jiān)控，并自行對(duì)設(shè)備的運(yùn)行情況和功率進(jìn)行調(diào)整，確保船舶電網(wǎng)穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，避免出現(xiàn)癱船等重大安全事故和隱患。

該船配置有1套AC 600 V配電板，分為3段母排，其中1＃～4＃樁腿升降機(jī)由左右配電板供電，1 200 t吊機(jī)由左右配電板共同供電。因此，當(dāng)配電板中的某段母排出現(xiàn)故障時(shí)，可由另一段母排供電，確保平臺(tái)在海上作業(yè)或起升下降時(shí)供電的安全性和可靠性。

4 電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括主推進(jìn)和側(cè)推的變頻器、電機(jī)和推進(jìn)器，變頻方案通常有2種，一種是虛擬24脈沖整流變頻，另一種是有源前端（Active Front End，AFE）變頻。虛擬24脈沖變頻器包含移相變壓器、線電抗器、二極管整流橋模塊、快速熔斷器、直流回路電抗器、直流回路電容器、絕緣型雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）、逆變器模塊和輸出du／dt濾波器；AFE變頻器采用有源濾波器加IGBT整流，利用對(duì)IGBT晶閘管的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電壓的調(diào)制解調(diào)，從而精確控制直流母線電壓，同時(shí)大大減少由變頻器產(chǎn)生的諧波電流，被稱為低諧波變頻器。

本文所述風(fēng)電安裝平臺(tái)通過(guò)綜合考慮，其變頻器采用AFE型式的變頻方案，不僅能省去移相變壓器，節(jié)省空間，而且其諧波遠(yuǎn)低于虛擬24脈沖變頻器，可有效降低電網(wǎng)的諧波含量，在使用吊機(jī)、推進(jìn)設(shè)備等大負(fù)載的情況下能充分滿足電網(wǎng)諧波電壓含量THD（Total Harmonic Distortion）小于8%、單次諧波小于3%的指標(biāo)要求。此外，主電網(wǎng)是AC 600 V配電，考慮到市場(chǎng)上推進(jìn)電機(jī)的主流電制為690～660 V，若按AC 600 V匹配，則電機(jī)選型需要升檔，這會(huì)導(dǎo)致成本增加。因此，利用AFE變頻器的整流單元的增壓（boost）功能提升整流單元輸出的直流電壓，使變頻器的輸出電壓維持在AC 690 V左右，這樣不僅有利于推進(jìn)電機(jī)的選型和日用設(shè)備維護(hù)，充分發(fā)揮AFE變頻器的優(yōu)勢(shì)，而且能為整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)提供較大的提升空間。

5 短路電流計(jì)算

船舶電力系統(tǒng)的短路電流計(jì)算是整個(gè)系統(tǒng)安全性判斷、斷路器設(shè)計(jì)整定和設(shè)備選擇校驗(yàn)的重要依據(jù)。

由于本文所述平臺(tái)的電站容量高達(dá)5×1 550 kW，且配置的主要設(shè)備的數(shù)量和功率非常大，因此需對(duì)主配電板的主母排短路電流進(jìn)行精心計(jì)算，防止選用不合適的主配電板造成重大損失。該船通過(guò)計(jì)算軟件ETAP12.6.0，依據(jù)IEC 61363-1進(jìn)行計(jì)算，選用以下工況。

工況：在“升平臺(tái)作業(yè)”工況下發(fā)生短路故障（此時(shí)電網(wǎng)短路電流值最大），此時(shí)5臺(tái)主發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，MSB 600 V母聯(lián)開(kāi)關(guān)合閘，1臺(tái)主變壓器運(yùn)行，MSB 380 V母聯(lián)開(kāi)關(guān)合閘，MSB 380 V等效電機(jī)功率約為900 kW，1臺(tái)主照明變壓器運(yùn)行。具體短路電流計(jì)算圖見(jiàn)圖2。

圖2 短路電流計(jì)算圖

經(jīng)仿真計(jì)算，主配電板母排B1.1（MSB 600 V-A）和B1.2（MSB 600 V-B）的短路電流I＝60.61 kA，通過(guò)與主配電板廠協(xié)商，最終選用主配電板母排短路電流為85 kA的主配電板。

6 諧波計(jì)算

本文所述平臺(tái)設(shè)置有3臺(tái)主推進(jìn)器、2臺(tái)側(cè)推器、1臺(tái)1 200 t繞樁吊和4臺(tái)打樁器，3臺(tái)定位錨等設(shè)備均采用變頻驅(qū)動(dòng)，變頻設(shè)備眾多，使用工況復(fù)雜，會(huì)產(chǎn)生大量諧波，對(duì)全船的電網(wǎng)、電機(jī)、電子設(shè)備和通信設(shè)備造成嚴(yán)重的影響，需全面考慮導(dǎo)致全船諧波產(chǎn)生的各種情況。根據(jù)中國(guó)船級(jí)社的要求，交流電氣設(shè)備應(yīng)能在供電電源的電壓諧波成分不大于8%的情況下正常工作。當(dāng)電源的諧波成分可能大于8%時(shí)，應(yīng)注意設(shè)備的選擇，保證其能正常工作。

為盡可能地抑制諧波的產(chǎn)生，主推進(jìn)系統(tǒng)、側(cè)推系統(tǒng)和4臺(tái)樁腿升降機(jī)采用AFE變頻器方案，1 200 t繞樁吊采用12脈沖變頻器驅(qū)動(dòng)，3臺(tái)定位錨機(jī)采用6脈沖變頻器驅(qū)動(dòng)，根據(jù)具體的作業(yè)工況采用軟件ETAP 12.6.0進(jìn)行諧波計(jì)算。諧波計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 諧波計(jì)算結(jié)果

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，在移位操作模式下，THDV數(shù)值最大：其600 V配電板諧波的計(jì)算結(jié)果為6.17%；400 V配電板諧波的計(jì)算結(jié)果為4.23%，滿足船級(jí)社的要求。

7 結(jié) 語(yǔ)

隨著世界上各行業(yè)的環(huán)保要求日益嚴(yán)格，人們對(duì)海上風(fēng)電這種清潔能源的需求逐步增強(qiáng)，海上風(fēng)場(chǎng)正由近海走向深海（離岸距離達(dá)到50 km或水深達(dá)到50 m的風(fēng)電場(chǎng)），因此對(duì)適用于深海作業(yè)的帶有綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的海上風(fēng)電安裝平臺(tái)的需求越來(lái)越多，本文涉及的系統(tǒng)組成及相應(yīng)的計(jì)算研究可為此類平臺(tái)的發(fā)展提供一定的參考。