未来海洋平台电力系统研究

张浩



未来海洋平台电力系统研究

张浩

（武汉船舶电力推进装置研究所，武汉 430064）

本文首先介绍了当前海洋平台电力系统的组成，分析了传统海洋平台电力系统的特殊性，并指出当前电力系统在未来大型深水海洋平台应用中的局限性。本文提出一种基于直流电制和区域配电技术的海洋平台电力系统，并介绍了这种电力系统的优点，研究了这种系统进行实际应用需要解决的关键技术。最后，本文指出未来大型深水海洋平台的电力系统方案必会优先考虑直流系统方案。

海洋平台 电力系统 直流

0 引言

海洋平台（Offshore Platform）是为海上钻井、采油、集运、观测、导航、施工等活动提供生产和生活设施的建筑物。主要可以分为固定式、活动式、半固定式三大类。

海洋平台种类的不同，其具备的功能也不尽相同，但它们都需要一套电能品质好、性能可靠的电力系统，以满足海上各种恶劣海况持续用电的要求。本文在研究目前海洋平台电力系统配置的基础上，从稳定性、可靠性、先进性的角度介绍一种基于直流配电系统的新型海洋平台电力系统，并指出了该系统实际应用中需突破的关键技术。

1 海洋平台电力系统的组成

海洋平台电力系统主要由：电源、配电装置、配电电网、负载四部分组成[2]。电源：海洋平台电源目前主要由柴油发电机组和应急蓄电池组成。配电装置：配电装置主要是对电源能量的统一分配，并具备监视、测量、保护、控制等功能，主要由主配电板、应急配电板、分电箱等组成。配电电网：配电电网是电缆电线以及拓扑网络的总称，也是连接电源、配电装置、与负载的中间环节。它根据功能又可以分为：动力电网、照明电网、应急电网等。负载：海洋平台的负载主要有舱室设备、甲板机械、照明、通导、推进等用电负载。

2 海洋平台电力系统的特殊性

海洋平台电力系统是一个典型的孤岛系统，使得其与一般的电力系统相比有着很大的差异，主要有[3]：

1) 电站的装机容量

陆用电网一般装机容量达几百万兆瓦，一般的船舶电站装机容量为1至6个MW，而海洋平台电站装机容量一般从10 MW到20 MW之间。

此种容量电站的稳定性要求、发电机性能要求既不同与陆上电网的相关情况，也不能完全套用一般船舶电站的要求。必须满足海洋平台特殊的运行要求。例如：一个海洋平台设置2个独立的电站系统，彼此并网运行；电站系统能够满足大容量用电设备的冲击要求；发电机组的调速特性拥有更高的过载能力。

2）电网输电线路的距离短

海洋平台电网类似船舶电网，发电机端电压、电网电压、负再电压基本是一个电压等级，所以输配电装置较陆上系统简单。但受平台体积限制，电气设备比较集中电网长度不长，因此发电机和电网的保护比陆上系统要简单。通常发电机的保护与电网的保护共用一套装置，但可靠性要求确又同样严格。

3）电气设备的环境恶劣

海洋平台运行的地点都在海洋，环境条件比陆上设备环境条件要严格的多；同时，由于海洋平台长期处于海上，没有停靠码头概念，对电气设备在恶劣环境中的可靠性比船舶要求更高。因此，既要从电气设备设计制造的本身提出较高的适应性要求，还要从系统层面优化设计来提高整个海洋平台电力系统对恶劣环境的适应性。

3 目前海洋平台电力系统的局限性

目前基于交流电制的海洋平台电力系统广泛应用于各类型平台。从近海固定式平台到远海的深水移动式平台，交流电制的平台电力系统无处不在。随着今后海洋石油开采向深水区域的不断进发，海洋平台的任务使命不断增多，电站装机容量和负载不断加大，基于交流电制的海洋平台电力系统的局限性将日益突出：

1）电站容量受限；2）电制受限；3）电能质量问题；4）电网保护方法问题。

目前海洋平台电力系统的继电保护和陆地电力系统类似，基本上采用时间电流原则，来实现保护的选择性、速动性、灵敏性和可靠性。但海洋平台和船舶上电缆长度较短，线路阻抗很小，这使得相邻两级保护开关保护范围内的短路电流大小很相近，保护开关的动作阀值很难整定。因此在舰船上利用时间电流原则实现保护的选择性、快速性多数情况下不能得到较好保证。

4 基于直流电制的海洋平台电力系统

当期，美国海军在大型全电力推进军舰电力系统方案中提出一种基于直流电制的区域配电系统概念，它可以满足舰船大容量用电需求下的供电持续性、抗损性、先进性。

本文认为该技术同样适用于未来大型的深水海洋平台电力系统。它该技术基于新型直流电源和直流分区供电两大关键技术。如下图2所示。这里的直流电源是指：将交流发电机与相控整流元件整合在一起的整流发电机组，如下图中G1 、G2、G3 、G4。分区供电技术是指将海洋平台电源和用电负载按照功能或安全舱室划分出不同的区域，然后利用多条直流汇流母线将的直流电能冗余送至各个用电区域，配以综合电能自动化管理系统，再由各个区域配电板分配电能。区域配电板可以再集成相应逆变模块，然后在在各个区域内部进行交流电供电。

相比传统的交流电制平台电力系统，采用直流电制的平台电力系统有如下优点[4，6]：

1）相对于交流电制的电力系统，海洋平台电力系统采用直流电制后可以使得发电机运行频率与配电要求互不相关，可以让发电机和整流器的成本、尺寸、质量等达到集成化、最优化。原动机也可以设计成在经济的转速下运行，降低燃油消耗和热量散发。2）该技术可以适用于高转速、高功率密度的燃气轮机发电。例如，英国MT30船用燃气轮机定功率高达36 MW，但体积远远小于同等容量的数台柴油机的体积，只需2台该型发电机组就可以满足平台60 MW的电能需求。

3）发电机经过整流装置后，彼此间采用直流电进行并网，相比交流电制并网要容易许多，同时，直流输电线路损耗又小。

4）由于在发电机输出采用整流装置，用电端的大型设备变频装置可以直接接收直流电能，省去了变频装置的整流模块，同时整个电力系统的配电网络上还不存在谐波问题。

5）采用区域配电技术后，各个区域的区域配电板具有电力分配、检测、限流和保护等多项功能，替代了大型机电开关装置，使得系统保护装置设计简单而且更加反应灵敏，故障情况也可以在一个配电区域内处理，提高供电连续性和电源管理的自动化程度，限制大容量电动机起动时冲击电流，有利于保持汇流排母线的电压稳定。

5 直流电制的电力系统的关键技术

1）变速发电控制技术

目前，德国Siemens公司和瑞士ABB均在船舶领域推广基于直流电制船舶电力系统，其中首要关键技术就是变速发电控制技术。海洋平台电力系统的发电机组运行于恒压恒频状态，原动机的调速器和发电机的调压器彼此独立，相对容易调节。采用变速发电形式后，原动机的转速调节必须与发电机的调压器统一控制，实现原动机的降速运行同时保持发电机端输出电压尽可能恒定、

2）直流电网保护技术

虽然目前在陆上直流输电、直流牵引方面已经积累了完善的保护标准和规范，但是海洋平台短距离、中等容量直流电网的保护方案研究还比较少。50～100 MW的海洋平台直流电网稳定性综合保护方案还需要进一步的研究和试验。

3）电力系统监视控制技术

基于直流电制的海洋平台电力系统实际上是一个分布式发电与供电系统，面对平台上种类繁多的用电负载和区域供电单元，一套具有综合性、冗余性的自动化电站控制系统也是未来直流电网进入海洋平台的关键技术之一。

6 结束语

基于直流电制的海洋平台电力系统的实际应用虽然还有诸多的关键技术有待进一步的发展。但从2013年开始，德国Siemens公司和瑞士ABB推出的船舶基于直流配电的电力推进解决方案不断完善，克服海洋平台电力系统直流化的关键技术也将随之顺带解决。可以预见，未来10年内，6000 m作业水深以上的大型深水海洋平台的电力系统方案必会向直流系统方向发展。

[1] 马伟明. 舰船动力发展的方向—综合电力系统[J].海军工程大学学报, 2002，14(6)：1-6.

[2] 王焕文. 舰船电力系统及自动化装置[M]. 北京: 科学出版社, 2004.

[3] 唐剑飞, 桂永胜. 舰船电力系统国内外最新进展和发展趋势[J]. 船电技术, 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

张浩（1981-），男，工程师，硕士研究生。研究方向：舰船电力推进系统。