海洋核動力平臺電壓波動抑制措施研究

黃 超，劉宙鋒，胡雙進，張 亮，邱 實

海洋核動力平臺電壓波動抑制措施研究

黃 超，劉宙鋒，胡雙進，張 亮，邱 實

（武漢第二船舶設計研究所，武漢 430064）

海洋核動力平臺電壓在運行中會存在諸多電壓波動問題，為了減小海洋核動力平臺微電網的電壓波動，在滿足安全性、可靠性、經濟性的前提下，綜合考慮核電、船舶與海洋工程以及電力工程等多個領域的解決方案，利用內外隔離供電、降壓起動方式、限流控制等方法，提出了一種抑制海洋核動力平臺微電網電壓波動的解決方案。

海洋核動力平臺 內外隔離供電 起動方式 限流控制

0 引言

隨著海上電力需求的不斷增加，各國開始在海洋領域大力發(fā)展浮動核電站技術。當前，俄羅斯“院士號”核動力發(fā)電平臺已經具備發(fā)電運行能力；而中國也開始大力發(fā)展海洋核能，中船重工第七一九所等單位正在進行海洋核動力平臺的設計工作[1]。

海洋核動力平臺在國內尚無實際工程應用案例，而由于其所處電網較小，而且處于較為惡劣的海洋環(huán)境中，電網電壓波動也較為嚴重，因此，研究降低海洋核動力平臺電壓波動的技術措施是非常必要的。

1 海洋核動力平臺微電網的特點

目前，渤海油田海域主要依靠石油伴生氣發(fā)電，環(huán)保型較差。而且，當前渤海油田海域的發(fā)電機組均為小型發(fā)電機組，效率較低，浪費較為嚴重。若考慮將海洋核動力平臺應用于渤海油田海域，類似于陸上核電站的作用，為采油平臺提供電能，則可以大大減少碳排放量以及提高發(fā)電效率。而相對于陸上核電站，海洋核動力平臺主要有以下特點：

1）電網容量小，單臺發(fā)電機在微電網中占有的比例大。海洋核動力平臺所在采油平臺電網容量小，且單臺發(fā)電機在電網中占有的比例約為20%。因此海洋核動力平臺發(fā)電機的投切對電網的影響較大。

2）單個負載占有電網容量大，且負載變化頻繁。采油平臺有著大量功率較高的用電負載，且這些負載變化非常頻繁。因此，海洋核動力平臺發(fā)電功率起伏較大，容易引起電網較大的波動。

2 海洋核動力平臺電壓波動抑制措施

針對海洋核動力平臺電壓波動的特點，亟需一套能夠降低海洋核動力平臺電壓波動的抑制措施。

2.1 內外隔離供電方案

為了保證供電的可靠性，海洋核動力平臺宜配置主汽輪發(fā)電機組和輔汽輪發(fā)電機組[2]。主汽輪發(fā)電機組功率較大，負責對外供電；輔汽輪發(fā)電機組功率較小，負責海洋核動力平臺自用電。另外，還配置柴油發(fā)電機組，能夠在輔汽輪發(fā)電機組故障的情況下替代輔汽輪發(fā)電機組繼續(xù)為海洋核動力平臺自用電供電[2-3]，方案如圖1所示。

圖1 海洋核動力平臺供電方案框圖

方案分析。如圖1方案，由于對外供電電網與平臺自用電電網完全分離，因此外電網的波動不會影響平臺自用電電網，從而提高了平臺自用電電網的穩(wěn)定性。而平臺自用電電網的波動也不會影響到外電網，保證了外電網的穩(wěn)定發(fā)電。

同時，當平臺自用電電網負荷功率短時較高時，柴油發(fā)電機臨時性地投入使用，能暫時提升電網容量，從而有效減小平臺自用電負荷功率提升引起的電網波動。

因此，采用內外隔離供電方案，是限制海洋核動力平臺電壓波動的有效手段。

2.2 降壓起動方案

海洋核動力平臺主要用電負荷為電機類負荷，而電機類負荷在起動時間內沖擊電流較大，容易引起海洋核動力平臺電壓的波動。

電機的起動分為全電壓起動和降壓起動兩種方式，其中降壓起動主要分為星-三角起動、自耦起動、軟起動及變頻起動等幾種起動方式[4~6]，全電壓起動雖然起動速度快，但對電網沖擊大；而降壓起動則起動速度慢，但對電網沖擊小。

星-三角起動、自耦起動、軟起動及變頻起動四種降壓起動方式相比，起動電流沖擊逐步降低，但相應起動器成本和體積均逐步提高?？紤]海洋核動力平臺的經濟性和空間的有限性，因此，針對不同功能需求和功率的負荷采取特定的起動方式，是限制海洋核動力平臺電壓波動的有效手段。綜合以上所述，提供了一種選擇海洋核動力平臺電機類負荷起動方式的方案，如表1所示。（假設正常工作時海洋核動力平臺電網余量為kW）。

表1 海洋核動力平臺電機類負荷起動方式的選擇

另外，在實際運行過程中，還會采取重載問詢來限制大功率負荷對海洋核動力平臺電網的沖擊。如果電網余量較小時，則暫時不允許大功率負荷的起動[4~7]。

2.3 限流控制方案

與一般的船舶與海洋工程不同，海洋核動力平臺配置了大功率UPS（包括整流器與逆變器）。因此，在UPS向發(fā)電機轉移負載時，如圖2所示，即向轉移的過程中，可能會因為發(fā)電機負荷的突加過大而引起電網電壓的較大波動[6-7]。

圖2 海洋核動力平臺限流控制方案框圖

如圖2所示，在發(fā)電機投入運行時，同時限制整流器輸出的充電電流逐步線型增加，蓄電池組繼續(xù)輸出電流，使得發(fā)電機輸出電流的增幅不至于過大。然后逐步提升，使得發(fā)電機輸出電流逐漸增大至穩(wěn)態(tài)值，蓄電池也逐漸轉入充電狀態(tài)，從而不會出現(xiàn)發(fā)電機負荷突加過大，是限制海洋核動力平臺電壓波動的有效手段。

圖3 使用限流控制方案后的電流變化曲線

3 結論

本文研究了適用于海洋核動力平臺電壓波動的抑制措施，對核動力船舶的電網穩(wěn)定性研究提供了參考。

[1] 張力, 劉宙鋒等. 海洋核動力平臺電力系統(tǒng)設計概要[J]. 船電技術, 2017, (11).

[2] 張琪, 張力等. 水上移動式核電站供電方式研究[J]. 船電技術, 2017, (10).

[3] 屈玉鑫, 萬安太.核商船安全規(guī)范[S]. 第五章第二部分, 1981.

[4] 肖振坤, 傅曉紅等.大型船舶電動機起動技術研究[J]. 水電能源科學, 29(1).

[5] 陳磊. 淺談異步電機起動控制及其保護[J]. 機電信息, 2012, (9).

[6] 中國船舶工業(yè)集團公司, 中國船舶重工集團公司, 中國造船工程學會. 船舶設計實用手冊電氣分冊[S]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2013.

[7] 中國船級社. 鋼制海船入級規(guī)范[S]. 北京: 中國船級社, 2014.

Research of Voltage Fluctuation Suppression Methods Used for Offshore Nuclear Power Platform

Huang Chao, Liu Zhoufeng, Hu Shuangjin, Zhang Liang, Qiu Shi

（Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, China）

TM728

A

1003-4862（2018）12-0009-03

2018-05-24

黃超（1978-），男，高級工程師。研究方向：艦船電力系統(tǒng)。E-mail:289488579@qq.com