未來海洋平臺(tái)電力系統(tǒng)研究

張浩

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未來海洋平臺(tái)電力系統(tǒng)研究

張浩

（武漢船舶電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

本文首先介紹了當(dāng)前海洋平臺(tái)電力系統(tǒng)的組成，分析了傳統(tǒng)海洋平臺(tái)電力系統(tǒng)的特殊性，并指出當(dāng)前電力系統(tǒng)在未來大型深水海洋平臺(tái)應(yīng)用中的局限性。本文提出一種基于直流電制和區(qū)域配電技術(shù)的海洋平臺(tái)電力系統(tǒng)，并介紹了這種電力系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，研究了這種系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。最后，本文指出未來大型深水海洋平臺(tái)的電力系統(tǒng)方案必會(huì)優(yōu)先考慮直流系統(tǒng)方案。

海洋平臺(tái) 電力系統(tǒng) 直流

0 引言

海洋平臺(tái)（Offshore Platform）是為海上鉆井、采油、集運(yùn)、觀測(cè)、導(dǎo)航、施工等活動(dòng)提供生產(chǎn)和生活設(shè)施的建筑物。主要可以分為固定式、活動(dòng)式、半固定式三大類。

海洋平臺(tái)種類的不同，其具備的功能也不盡相同，但它們都需要一套電能品質(zhì)好、性能可靠的電力系統(tǒng)，以滿足海上各種惡劣海況持續(xù)用電的要求。本文在研究目前海洋平臺(tái)電力系統(tǒng)配置的基礎(chǔ)上，從穩(wěn)定性、可靠性、先進(jìn)性的角度介紹一種基于直流配電系統(tǒng)的新型海洋平臺(tái)電力系統(tǒng)，并指出了該系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中需突破的關(guān)鍵技術(shù)。

1 海洋平臺(tái)電力系統(tǒng)的組成

海洋平臺(tái)電力系統(tǒng)主要由：電源、配電裝置、配電電網(wǎng)、負(fù)載四部分組成[2]。電源：海洋平臺(tái)電源目前主要由柴油發(fā)電機(jī)組和應(yīng)急蓄電池組成。配電裝置：配電裝置主要是對(duì)電源能量的統(tǒng)一分配，并具備監(jiān)視、測(cè)量、保護(hù)、控制等功能，主要由主配電板、應(yīng)急配電板、分電箱等組成。配電電網(wǎng)：配電電網(wǎng)是電纜電線以及拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的總稱，也是連接電源、配電裝置、與負(fù)載的中間環(huán)節(jié)。它根據(jù)功能又可以分為：動(dòng)力電網(wǎng)、照明電網(wǎng)、應(yīng)急電網(wǎng)等。負(fù)載：海洋平臺(tái)的負(fù)載主要有艙室設(shè)備、甲板機(jī)械、照明、通導(dǎo)、推進(jìn)等用電負(fù)載。

2 海洋平臺(tái)電力系統(tǒng)的特殊性

海洋平臺(tái)電力系統(tǒng)是一個(gè)典型的孤島系統(tǒng)，使得其與一般的電力系統(tǒng)相比有著很大的差異，主要有[3]：

1) 電站的裝機(jī)容量

陸用電網(wǎng)一般裝機(jī)容量達(dá)幾百萬兆瓦，一般的船舶電站裝機(jī)容量為1至6個(gè)MW，而海洋平臺(tái)電站裝機(jī)容量一般從10 MW到20 MW之間。

此種容量電站的穩(wěn)定性要求、發(fā)電機(jī)性能要求既不同與陸上電網(wǎng)的相關(guān)情況，也不能完全套用一般船舶電站的要求。必須滿足海洋平臺(tái)特殊的運(yùn)行要求。例如：一個(gè)海洋平臺(tái)設(shè)置2個(gè)獨(dú)立的電站系統(tǒng)，彼此并網(wǎng)運(yùn)行；電站系統(tǒng)能夠滿足大容量用電設(shè)備的沖擊要求；發(fā)電機(jī)組的調(diào)速特性擁有更高的過載能力。

2）電網(wǎng)輸電線路的距離短

海洋平臺(tái)電網(wǎng)類似船舶電網(wǎng)，發(fā)電機(jī)端電壓、電網(wǎng)電壓、負(fù)再電壓基本是一個(gè)電壓等級(jí)，所以輸配電裝置較陸上系統(tǒng)簡(jiǎn)單。但受平臺(tái)體積限制，電氣設(shè)備比較集中電網(wǎng)長(zhǎng)度不長(zhǎng)，因此發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)的保護(hù)比陸上系統(tǒng)要簡(jiǎn)單。通常發(fā)電機(jī)的保護(hù)與電網(wǎng)的保護(hù)共用一套裝置，但可靠性要求確又同樣嚴(yán)格。

3）電氣設(shè)備的環(huán)境惡劣

海洋平臺(tái)運(yùn)行的地點(diǎn)都在海洋，環(huán)境條件比陸上設(shè)備環(huán)境條件要嚴(yán)格的多；同時(shí)，由于海洋平臺(tái)長(zhǎng)期處于海上，沒有?？看a頭概念，對(duì)電氣設(shè)備在惡劣環(huán)境中的可靠性比船舶要求更高。因此，既要從電氣設(shè)備設(shè)計(jì)制造的本身提出較高的適應(yīng)性要求，還要從系統(tǒng)層面優(yōu)化設(shè)計(jì)來提高整個(gè)海洋平臺(tái)電力系統(tǒng)對(duì)惡劣環(huán)境的適應(yīng)性。

3 目前海洋平臺(tái)電力系統(tǒng)的局限性

目前基于交流電制的海洋平臺(tái)電力系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各類型平臺(tái)。從近海固定式平臺(tái)到遠(yuǎn)海的深水移動(dòng)式平臺(tái)，交流電制的平臺(tái)電力系統(tǒng)無處不在。隨著今后海洋石油開采向深水區(qū)域的不斷進(jìn)發(fā)，海洋平臺(tái)的任務(wù)使命不斷增多，電站裝機(jī)容量和負(fù)載不斷加大，基于交流電制的海洋平臺(tái)電力系統(tǒng)的局限性將日益突出：

1）電站容量受限；2）電制受限；3）電能質(zhì)量問題；4）電網(wǎng)保護(hù)方法問題。

目前海洋平臺(tái)電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)和陸地電力系統(tǒng)類似，基本上采用時(shí)間電流原則，來實(shí)現(xiàn)保護(hù)的選擇性、速動(dòng)性、靈敏性和可靠性。但海洋平臺(tái)和船舶上電纜長(zhǎng)度較短，線路阻抗很小，這使得相鄰兩級(jí)保護(hù)開關(guān)保護(hù)范圍內(nèi)的短路電流大小很相近，保護(hù)開關(guān)的動(dòng)作閥值很難整定。因此在艦船上利用時(shí)間電流原則實(shí)現(xiàn)保護(hù)的選擇性、快速性多數(shù)情況下不能得到較好保證。

4 基于直流電制的海洋平臺(tái)電力系統(tǒng)

當(dāng)期，美國(guó)海軍在大型全電力推進(jìn)軍艦電力系統(tǒng)方案中提出一種基于直流電制的區(qū)域配電系統(tǒng)概念，它可以滿足艦船大容量用電需求下的供電持續(xù)性、抗損性、先進(jìn)性。

本文認(rèn)為該技術(shù)同樣適用于未來大型的深水海洋平臺(tái)電力系統(tǒng)。它該技術(shù)基于新型直流電源和直流分區(qū)供電兩大關(guān)鍵技術(shù)。如下圖2所示。這里的直流電源是指：將交流發(fā)電機(jī)與相控整流元件整合在一起的整流發(fā)電機(jī)組，如下圖中G1 、G2、G3 、G4。分區(qū)供電技術(shù)是指將海洋平臺(tái)電源和用電負(fù)載按照功能或安全艙室劃分出不同的區(qū)域，然后利用多條直流匯流母線將的直流電能冗余送至各個(gè)用電區(qū)域，配以綜合電能自動(dòng)化管理系統(tǒng)，再由各個(gè)區(qū)域配電板分配電能。區(qū)域配電板可以再集成相應(yīng)逆變模塊，然后在在各個(gè)區(qū)域內(nèi)部進(jìn)行交流電供電。

相比傳統(tǒng)的交流電制平臺(tái)電力系統(tǒng)，采用直流電制的平臺(tái)電力系統(tǒng)有如下優(yōu)點(diǎn)[4，6]：

1）相對(duì)于交流電制的電力系統(tǒng)，海洋平臺(tái)電力系統(tǒng)采用直流電制后可以使得發(fā)電機(jī)運(yùn)行頻率與配電要求互不相關(guān)，可以讓發(fā)電機(jī)和整流器的成本、尺寸、質(zhì)量等達(dá)到集成化、最優(yōu)化。原動(dòng)機(jī)也可以設(shè)計(jì)成在經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，降低燃油消耗和熱量散發(fā)。2）該技術(shù)可以適用于高轉(zhuǎn)速、高功率密度的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電。例如，英國(guó)MT30船用燃?xì)廨啓C(jī)定功率高達(dá)36 MW，但體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于同等容量的數(shù)臺(tái)柴油機(jī)的體積，只需2臺(tái)該型發(fā)電機(jī)組就可以滿足平臺(tái)60 MW的電能需求。

3）發(fā)電機(jī)經(jīng)過整流裝置后，彼此間采用直流電進(jìn)行并網(wǎng)，相比交流電制并網(wǎng)要容易許多，同時(shí)，直流輸電線路損耗又小。

4）由于在發(fā)電機(jī)輸出采用整流裝置，用電端的大型設(shè)備變頻裝置可以直接接收直流電能，省去了變頻裝置的整流模塊，同時(shí)整個(gè)電力系統(tǒng)的配電網(wǎng)絡(luò)上還不存在諧波問題。

5）采用區(qū)域配電技術(shù)后，各個(gè)區(qū)域的區(qū)域配電板具有電力分配、檢測(cè)、限流和保護(hù)等多項(xiàng)功能，替代了大型機(jī)電開關(guān)裝置，使得系統(tǒng)保護(hù)裝置設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單而且更加反應(yīng)靈敏，故障情況也可以在一個(gè)配電區(qū)域內(nèi)處理，提高供電連續(xù)性和電源管理的自動(dòng)化程度，限制大容量電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)沖擊電流，有利于保持匯流排母線的電壓穩(wěn)定。

5 直流電制的電力系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

1）變速發(fā)電控制技術(shù)

目前，德國(guó)Siemens公司和瑞士ABB均在船舶領(lǐng)域推廣基于直流電制船舶電力系統(tǒng)，其中首要關(guān)鍵技術(shù)就是變速發(fā)電控制技術(shù)。海洋平臺(tái)電力系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)組運(yùn)行于恒壓恒頻狀態(tài)，原動(dòng)機(jī)的調(diào)速器和發(fā)電機(jī)的調(diào)壓器彼此獨(dú)立，相對(duì)容易調(diào)節(jié)。采用變速發(fā)電形式后，原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)必須與發(fā)電機(jī)的調(diào)壓器統(tǒng)一控制，實(shí)現(xiàn)原動(dòng)機(jī)的降速運(yùn)行同時(shí)保持發(fā)電機(jī)端輸出電壓盡可能恒定、

2）直流電網(wǎng)保護(hù)技術(shù)

雖然目前在陸上直流輸電、直流牽引方面已經(jīng)積累了完善的保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，但是海洋平臺(tái)短距離、中等容量直流電網(wǎng)的保護(hù)方案研究還比較少。50～100 MW的海洋平臺(tái)直流電網(wǎng)穩(wěn)定性綜合保護(hù)方案還需要進(jìn)一步的研究和試驗(yàn)。

3）電力系統(tǒng)監(jiān)視控制技術(shù)

基于直流電制的海洋平臺(tái)電力系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)分布式發(fā)電與供電系統(tǒng)，面對(duì)平臺(tái)上種類繁多的用電負(fù)載和區(qū)域供電單元，一套具有綜合性、冗余性的自動(dòng)化電站控制系統(tǒng)也是未來直流電網(wǎng)進(jìn)入海洋平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

6 結(jié)束語

基于直流電制的海洋平臺(tái)電力系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用雖然還有諸多的關(guān)鍵技術(shù)有待進(jìn)一步的發(fā)展。但從2013年開始，德國(guó)Siemens公司和瑞士ABB推出的船舶基于直流配電的電力推進(jìn)解決方案不斷完善，克服海洋平臺(tái)電力系統(tǒng)直流化的關(guān)鍵技術(shù)也將隨之順帶解決?？梢灶A(yù)見，未來10年內(nèi)，6000 m作業(yè)水深以上的大型深水海洋平臺(tái)的電力系統(tǒng)方案必會(huì)向直流系統(tǒng)方向發(fā)展。

[1] 馬偉明. 艦船動(dòng)力發(fā)展的方向—綜合電力系統(tǒng)[J].海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2002，14(6)：1-6.

[2] 王煥文. 艦船電力系統(tǒng)及自動(dòng)化裝置[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2004.

[3] 唐劍飛, 桂永勝. 艦船電力系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外最新進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)[J]. 船電技術(shù), 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

張浩（1981-），男，工程師，碩士研究生。研究方向：艦船電力推進(jìn)系統(tǒng)。