母联闭合型海工平台电力系统仿真

龚喜文， 张凯杰

(上海船舶运输科学研究所 舰船自动化系统事业部， 上海 200135)

随着全球社会经济的快速发展，现代各类大型船舶(包括海洋工程平台)电力系统的总装机容量呈几何级数增长，传统低压交流电力系统已远远不能满足其总功率增加的需要。现代电力电子技术的快速发展使得中压电力系统能很好地解决采用低压电力系统带来的一系列问题，同时中压电力系统具有输送电能力强、能源利用率高、对地电容小、系统稳定性好等特点[1]，具有广阔的应用前景。国际社会对排放的要求越来越严格，大型动力定位海工平台对于中压电力系统在提高能效、降低维护和运行成本、减少对生态系统的影响等方面提出更高的要求。与传统的分区供电相比，采用环网供电、开环运行方式的母联闭合型中压电力系统在提高发电效率、降低废气排放、实现更经济运行等方面具有很大优势，是海工平台电力系统未来技术发展的趋势。

目前已有部分文献对动力定位(Dynamic Positioning, DP)船舶电力系统的研究情况进行报道。在DP-2动力定位系统中设计采用低压排电力系统供电方案，并针对该电力系统的故障响应做出简要分析。[2]对于环形供电网络中短路电流大小的计算方法，可得出环形电力系统发生短路故障时对整个系统的影响。[3-4]在DP-3动力定位船舶中设计采用中压等级电力系统，两段汇流排之间采用物理方式进行分隔，电力系统具有故障条件下的正常供电能力。[5]对中压电力系统的电压等级进行划分，对于海工船舶发电机总装机容量超过20 MW的电力系统，应选取11 kV的电压等级。[6]同时,文献设计电力系统闭环母线结构，对电气联锁与系统保护等方面做了详细的分析。对于我国海工船舶发展现状进行分析，对中压电力系统在实船上的应用进行详细的介绍,同时还分析了电力推进系统在中压电网中的应用。[7]对半潜式电力推进船舶的中压电力系统结构进行分析说明，同时对中压网络中隔离开关和接地开关的重要性进行简要说明。[8]但对于中压电力系统，特别是在母联闭合型中压电力系统方面的研究报道很少。目前，国际上动力定位海工平台电力系统的研发制造基本被AKA、SIEMENS、ABB、GE、瓦锡兰等行业巨头垄断，国内尚无成型产品推出。

为满足我国动力定位海工平台对电力系统的发展要求，本文研究挪威船级社(DNV GL)最新颁布的增强型DP附加标志(Dynamic Positioning System With Enhanced Reliability,DP-ER)附加标志的规范要求，结合已完成的母联闭合型海工平台电力系统设计成果，对该母联闭合型电力系统进行建模，仿真分析工况切换和故障条件下电力系统的动态响应特性。

1 DP-ER附加标志的规范要求

2017年7月，DNV-GL颁布了《RULES FOR CLASSIFICATION》[9]，在“Part 6 Additional class notations Chapter 3 Navigation,manoeuvring and position keeping”中提出新的DP系统附加标志——DP-ER，对系统的鲁棒性和适应性要求更强，提出新的母联闭合型母线结构，对电力系统的冗余设计也提出更高的要求，同时还要求电力系统的冗余组件采用热备机的保护模式。

1.1 母联闭合型母线结构

传统的采用DP-3系统的船舶为保证DP系统的供电可靠，各舱室的主汇流排常采用孤岛式设计，即电力系统采用多组冗余设备设计，每组冗余设备采用A60级隔离，安装在单独的舱室，同时为了防止故障蔓延电力系统，都采用孤岛式结构(见图1)。

近年来，随着母联开关技术的不断发展，其性能逐渐满足短路等电力系统故障的保护要求，DNV船级社于2015年4月颁布的DNV GL-OTG-10中DP-Classed Vessels with Closed Bus-Tie(s)相关指导手册提出新的电力系统母线结构—母联闭合型母线结构，这种结构使得电力系统能够更加合理地分配电能，能有效节约电能。[10]同时,手册还指出对传统DP-3等级下的船舶可以通过结构升级，安装相应的母联开关，使电力系统形成闭环母线结构。

母联闭合型母线结构将各个孤岛主汇流排通过双母线开关连接，使各汇流排首尾连接，形成环形结构(见图2)。

母联闭合型母线结构具有如下优点：

1) 由于电力系统采用环形汇流排结构，这样可使电能在负载中共享，使并网发电机与负载匹配，因此可有效地减少燃料的消耗，降低对环境的污染。

2) 该结构下的发电机组，可在不断电的情况下切换发电机组，使发电机可分时段间歇运行，缩短发电机组的运行时间，以达到对发电机的保护。

3) 该结构使得电力系统有功功率和无功功率的分配更加容易，优化系统的功率共享。

4) 对于该结构，当电力系统发生故障导致该汇流排组件无法正常工作时，故障汇流排两端的母线开关跳闸，将故障切除，保证电力系统正常工作。

1.2 故障冗余设计

对于母联闭合型母线结构电力系统，需要满足此结构下系统的冗余设置和保护功能都与孤岛结构下的一致。对比于DP-3电力系统的冗余设计要求，DP-ER电力系统为使系统工作稳定性更强，对于冗余组件，规范要求冗余设计应满足n-1原则和n+1原则。

1.2.1n-1原则

DP-ER系统应设有备份保护功能。当发生故障，系统无法进行保护功能或保护功能执行后仍不能解除故障时，此时应利用备份保护功能，隔离故障系统或组件。在备份保护系统执行后，新的冗余组件满足系统冗余设计要求。设总的发电机数为n台，假定1台备用发电机发生故障无法启动，这意味着可用的备用发电机数将少1台为n-1，此时剩余的可用备用发电机仍应满足系统的供电要求，即n-1原则。

1.2.2n+1原则

DP电力系统中，无论在任何情况下，至少应有1台发电机处于冗余备用状态。

1.3 组件热备机保护模式

对于传统的冗余保护，常采用故障发生后冗余设备启动并进行自动切换。为保护电网供电安全，DNV规范要求DP-ER电力系统的的冗余发电机应处于热备机的保护模式(Standby Start and Changeover)。当电力系统正常工作时，电网会根据负荷的大小自动分配在网发电机组台数，满足功率匹配。当电力系统发生故障导致在网发电机不能正常工作时，冗余发电机组能够快速切换入网，使故障对电网的冲击降到最低，满足失电保护功能。同时,当系统执行完失电保护功能后，系统的冗余组件仍应满足n+1和n-1原则。

综上，DNV对DP-ER附加标志电力系统的要求为：DP-ER附加标志电力系统应采用母联闭合型母线结构、n+1和n-1冗余设计原则以及冗余发电机热备用保护模式原则。

2 母联闭合型海工平台电力系统架构及配置说明

2.1 系统架构

通过对目标船及同类海工平台现场调研、与船级社进行技术交流和业务研讨，获得主流海工平台中压电力系统的大量一手技术资料，查阅相关参考文献，参考DP-ER附加标志的要求，已完成母联闭合型海工平台电力系统设计，系统架构见图3。相关DP动力设备组，电缆组路径，系统组分布在4组相对独立的A60级防火分割空间和水密分割空间内，形成满足DP3规范要求的物理分割布局要求。在DP和非DP模式下，4段中压母排都可以通过中间的母联开关连接起来组成1段或2段母排供电，但所有母联开关不能同时闭合。电力系统正常工作时，4个方位的4台推进器同时工作，能量管理系统PMS根据推进器、日常负荷等的具体需求进行发电机匹配供电。这种结构的优点在于当电力系统正常工作时，发电机会根据负载变化自动匹配运行机组台数，并将电网电能进行共享，达到提供运行可靠性、节省能源的目的。

2.2 具体配置

本文对此架构系统开展仿真研究，具体配置如下：

1) 交流中压11 kV、频率60 Hz。

2) 8台中压柴油发电机组，额定功率为3 750 kVA，额定转速为900 r/min，每2台接入1段中压母排，布置在一个独立的机舱内。

3) 4套11 kV主DP中压配电板，最高工作电压12 kV，额定电压11 kV、汇流排的额定电流1 095 A，额定短路分断电流22 kA。

4) 4台推进器变压器，容量为5 300 kVA/2 650 kVA/2 650 kVA,电压变比11 kV/0.71 kV/0.71 kV。

5) 4台推进器，单机功率4 400 kW，每段中压母排上接入1台推进器。

6) 4套690 V 主DP辅助配电板，额定电压为690 V，汇流排额定电流2 929 A，额定短路分断电流54 kA。

7) 负载主要有推进器、推进器辅助系统，其他主要负载包含各种吊机及其供电变压器、绞车、空调、厨房等。

3 母联闭合型海工平台电力系统建模

依据图3母联闭合型海工平台电力系统架构，进行适当简化，在商用电力系统分析软件 Paladin Design Base中搭建系统仿真模型见图4。

模型包括4个独立舱室，每个舱室包括2台发电机，发电机编号G1～G8，各发电机通过发电机保护断路器分别与11 kV中压主汇流排连接(编号BUS1～BUS4)；主汇流排可通过母联开关(编号CB1～CB4)相连；主汇流排通过11 kV/0.71 kV变压器(编号T1～T4)为推进电机供电，推进电机编号M1～M4；主汇流排通过11 kV/0.69 kV变压器(T5～T8)与690 V辅助配电盘(编号BUS5～BUS8)连接，为推进系统辅助负载和其他负载等日常负荷(编号L1～L4)供电，BUS5～BUS8之间无电气连接。

设母联开关CB2初始断开，从而构成母联闭合C型结构，以满足所有母联开关不能同时闭合的要求。仿真模型内各设备参数配置与第2.2节所述相同。

4 母联闭合型海工平台电力系统仿真验证分析

该海工平台可运营于航行、停港、DP作业等模式，本文仅对占平台服务周期比例很高的DP作业模式进行仿真验证。在该模式下运行工况包括极好服务天气(工况1)、标准作业天气(工况2)、较恶劣海况(工况3)等3种。对于工况3，根据发电机组无/有隐藏故障分为两种情况。在每种工况下为保持动力定位，推进电机需要根据实际情况输出功率，仿真时该参数综合考虑工况、发电机隐藏故障、负载率等选取。不同工况下仿真用的发电机在网台数、推进电机功率、日常负荷、发电机负载率和无/有隐藏故障等参数见表1。

表1 不同工况系统参数对比

4.1 工况切换下电力系统动态响应

4.1.1工况1切换至工况2

在该切换过程中，在网发电机数由2台增加至4台，推进电机M1-M4输出功率由额定功率占比2%提高至20%，设日常负荷保持不变为5 096 kW。设工况1时在网运行发电机为G1和G5，第130 s发电机G3和G7并网，第145 s时4台推进电机M1～M4功率由100 kW升至880 kW。

在工况1切换至工况2过程中，电力系统动态响应情况见图5。由图5可知:发电机G3、G7并网后，主汇流排电压和频率经过约10 s振荡后趋稳，电压最大波动低于0.08 p.u.，稳定值约为1.05 p.u.；频率最大波动小于0.03 Hz，稳定值约60.025 Hz。从第145 s开始，推进电机输出功率由极低值，经10 s时间逐渐升至880 kW，主汇流排电压和频率均存在小幅振荡衰减，振荡时间约20 s，电压最大波动约0.01 p.u.，最终稳定在1.04 p.u.；频率最大波动小于0.015 Hz，最终稳定在60.022 Hz。整个切换过程中，电网电压和频率波动范围均满足设计要求。

4.1.2工况2切换至工况3(发电机组无隐藏故障)

在该切换过程中，在网发电机台数由4台增加至6台，推进电机M1-M4输出功率由额定功率占比20%提高至50%，设日常负荷保持不变为5 096 kW。设工况2时在网运行发电机为G1、G3、G5和G7，第130 s发电机G4和G6并网，第145 s时4台推进电机M1～M4功率由880 kW升至2 200 kW。

在工况2切换至工况3(发电机组无隐藏故障)过程中，电力系统动态响应情况见图6。由图6可知：发电机G4和G6并网时，主汇流排电压和频率经过约5 s振荡后趋稳，电压最大波动低于0.03 p.u.，小幅降低后稳定在1.04 p.u.；频率最大波动<0.06 Hz，稳定值基本不变60.02 Hz。从第145 s开始，推进电机输出功率由880 kW，经10 s时间逐渐升至2 200 kW，其间主汇流排电压和频率均存在一定程度振荡衰减，振荡约15 s后，电压最大波动约为0.015 p.u.，最终稳定在1.03 p.u.；频率最大波动约0.04 Hz，最终稳定在60.015 Hz。该切换过程中，电网电压和频率变化范围也满足设计要求。

由以上仿真结果可知，该电力系统处于工况切换过程，系统的电压及频率变化幅度均未超过15%限制，所设计的系统能耐受工况切换造成的冲击。

4.2 故障下电力系统的动态响应分析

船舶电力系统故障一般有局部配电板故障、发电机故障、推进器失效故障、全船失电故障等。本文以工况3(较恶劣海况，发电机组无/有隐藏故障两种情况)条件下，主汇流排发生短路故障为例，仿真分析系统动态响应，对电力系统设计进行验证。在仿真模型中，电力系统故障响应动作的要求和保护开关动作顺序的要求均按DP-ER附加标志要求进行设置,同时发电机均设置为热备机状态，以降低备用冗余发电机并入电网时对电网的冲击。

4.2.1主汇流排故障下电力系统的动态响应

在这种情况下，电力系统由6台发电机(G1、G3、G4、G5、G6、G8)为4台推进器及其日常负荷供电，为实现动态定位，各推进器的功率为50%额定功率。设汇流排BUS2在系统时间第35 s时发生短路接地故障，设置BUS2两端母联开关CB1在系统时间第35.3 s时动作(CB2初始断开)，以隔离故障汇流排，达到故障隔离保护功能；之后并入发电机G2，即由5台发电机(G1、G2、G5、G6、G8)为剩余的3台推进器M1、M3和M4供电，剩余的1台发电机(G7)处于热备机保护模式,见图7。

主汇流排短路故障(发电机组无隐藏故障)时电力系统动态响应情况见图8。由图8可知：汇流排BUS2在35 s发生故障时，系统电压瞬间跌落，由1 p.u.降至0.34 p.u.；在35.3 s失电保护开关动作、隔离故障汇流排后，系统迅速回升至0.7 p.u.，经过约7 s恢复稳定。系统频率在发生故障时升至60.28 Hz，在35.3 s失电保护开关动作后，降至59.35 Hz，之后系统经过约2 s调整，逐渐恢复至60 Hz并达到稳定。

4.2.2主汇流排故障下电力系统的动态响应

在这种情况下，电力系统由5台发电机(G1、G3、G4、G6、G8)为4台推进器及日常负荷供电，为实现动态定位，各推进器的功率为40%额定功率。设汇流排BUS2在系统时间第35 s时发生短路故障，设置BUS2两端母联开关CB1在系统时间第35.3 s时动作(CB2初始断开)，以隔离故障汇流排，达到故障隔离保护功能；同时设汇流排BUS3所连发电机组存在隐藏故障，无法正常工作。为满足系统供电需求，热备用发电机G2并网供电。系统最终由4台发电机(G1、G2、G7、G8)为剩余的3台推进器供电,见图9。

主汇流排短路故障(发电机组有隐藏故障)时电力系统动态响应情况见图10。

由以上仿真结果可知：该电力系统在发生主汇流排故障时，不论发电机组无/有隐藏故障，在故障隔离后，系统能快速恢复正常供电，具有较强的调压、调频能力。

5 结束语

本文通过对DNV最新颁布的DP-ER附加标志的规范要求的研究，得到DP-ER海工平台电力系统应采用闭环母线结构、冗余设计和热备机保护模式。基于已完成的母联闭合型电力系统设计成果，结合DP-ER附加标志的要求，建立母联闭合型海工电力系统仿真模型，仿真分析工况切换和故障条件下电力系统的动态响应特性，验证系统耐冲击、抗故障能力。本研究可为母联闭合型中压电力系统的关键技术研究和关键设备的研制提供借鉴和参考。