孫 哲,王克虎,徐 楠
(1. 中船郵輪科技發(fā)展有限公司,上海 200137;2. 上海外高橋造船有限公司,上海 200137)
對(duì)于傳統(tǒng)的配備動(dòng)力定位(Dynamic Positioning, DP)系統(tǒng)(DP-2)的海洋工程船和特種船而言,在進(jìn)行DP 作業(yè)時(shí),其電站均采用孤島模式,即互為冗余的電站之間的斷路器保持?jǐn)嚅_狀態(tài),這樣就能將多個(gè)電站作為獨(dú)立的電力系統(tǒng)運(yùn)行。這種運(yùn)行方式可降低對(duì)電力系統(tǒng)保護(hù)的依賴性和隱藏故障的影響。雖然失去冗余系統(tǒng)的一部分風(fēng)險(xiǎn)沒有降低,但失去整個(gè)電力系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)大大降低。因此,孤島模式的電力系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于DP-2 及DP-2 以上等級(jí)的DP 系統(tǒng)中。孤島模式的電力系統(tǒng)和閉合母聯(lián)模式的電力系統(tǒng)見圖1。
但是,從船東或平臺(tái)使用者的角度來說,采用孤島模式的電力系統(tǒng)意味著需配備更多的在網(wǎng)發(fā)電機(jī),耗費(fèi)更多的燃油和運(yùn)行時(shí)間,且電力系統(tǒng)的靈活性大大降低,維護(hù)保養(yǎng)的成本和難度更高。
因此,隨著海工技術(shù)和電氣技術(shù)的不斷發(fā)展,閉合母聯(lián)模式的電站在DP 系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛。閉合母聯(lián)式電力系統(tǒng)是指在進(jìn)行DP 作業(yè)時(shí),互為冗余的多個(gè)電站之間的斷路器保持閉合狀態(tài),使冗余的電站系統(tǒng)共線工作,為全船提供電力。與孤島模式的電站相比較,閉合母聯(lián)模式的電站具有油耗及發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)間更少、電力系統(tǒng)更靈活和容錯(cuò)性更強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
圖1 孤島模式的電力系統(tǒng)和閉合母聯(lián)模式的電力系統(tǒng)配置
對(duì)于閉合母聯(lián)模式的電力系統(tǒng)而言,其存在的最主要的問題是故障會(huì)對(duì)不同冗余分組的電站同時(shí)造成影響。因此,本文對(duì)DP-2 模式下閉合母聯(lián)電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則和設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行分析。
對(duì)于DP 作業(yè)的船舶而言,其閉合母聯(lián)電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則是:當(dāng)發(fā)生的故障可能影響到整個(gè)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行時(shí),連接各冗余電力系統(tǒng)的母聯(lián)開關(guān)及時(shí)斷開,電網(wǎng)重新配置成孤島模式,與DP 相關(guān)的系統(tǒng)可在孤島模式下繼續(xù)運(yùn)行,不會(huì)降低性能(功率、轉(zhuǎn)速和壓力等)。概括起來就是閉合母聯(lián)電力系統(tǒng)應(yīng)具備在任何情況下以孤島模式運(yùn)行,且不影響與DP 相關(guān)的系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行的能力。
為實(shí)現(xiàn)上述基本原則,在設(shè)計(jì)閉合母聯(lián)系統(tǒng)時(shí)需考慮以下因素。
廣義上來講,系統(tǒng)發(fā)生故障之后的響應(yīng)大體上可歸納為以下步驟:
1) 啟動(dòng)所有的備用發(fā)電機(jī);
2) 對(duì)冗余組內(nèi)的故障進(jìn)行隔離;
3) 斷開冗余電力系統(tǒng)之間的斷路器;
4) 確保系統(tǒng)在孤島模式下繼續(xù)運(yùn)行。
需注意的是,系統(tǒng)的運(yùn)行模式并非單指配電系統(tǒng),電站自動(dòng)控制系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)自動(dòng)調(diào)壓系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和DP 控制系統(tǒng)的結(jié)論分析系統(tǒng)等都要求既能在閉合母聯(lián)模式下運(yùn)行,又能在孤島模式下運(yùn)行。
當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí),會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)瞬時(shí)的電壓降(見圖2),所有連接在母排上運(yùn)行的電氣設(shè)備都會(huì)受到影響,對(duì)于閉合母排的系統(tǒng)而言,這意味著整個(gè)電力系統(tǒng)和所有負(fù)載都會(huì)受到該電壓降的影響。對(duì)此,要求閉合母聯(lián)系統(tǒng)中所有非故障區(qū)域的開關(guān)和用電負(fù)載都能在系統(tǒng)的電壓下降-回升期間繼續(xù)運(yùn)行,這種能力稱為短路故障穿越能力,其設(shè)計(jì)是閉合母聯(lián)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn),后續(xù)將做詳細(xì)論述。
綜上所述,閉合母聯(lián)電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)是基于冗余DP 系統(tǒng)進(jìn)行的,在設(shè)計(jì)中同樣需優(yōu)先考慮DP 系統(tǒng)的預(yù)期最差設(shè)計(jì)工況,閉合母聯(lián)電力系統(tǒng)的任何單點(diǎn)故障都不允許出現(xiàn)超出預(yù)期最差設(shè)計(jì)工況的現(xiàn)象。因此,需從電力系統(tǒng)的選擇性保護(hù)、冗余性雙路供電、電站管理系統(tǒng)(Power Management System, PMS)和發(fā)電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。下面對(duì)DP-2 模式下的閉合母聯(lián)電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。
圖2 系統(tǒng)短路時(shí)電壓-時(shí)間曲線
為更好地了解DP-2 模式下的閉合母排設(shè)計(jì)理念,首先對(duì)國際海事組織(International Maritime Organization, IMO)MSC/Circ.645 指導(dǎo)文件的要求進(jìn)行分析。對(duì)于上述DP-2模式,電力系統(tǒng)需分成2 個(gè)或2 個(gè)以上單獨(dú)的子系統(tǒng),當(dāng)有1 個(gè)子系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),至少還有1 個(gè)其他系統(tǒng)可保持正常運(yùn)行。電力系統(tǒng)可作為一個(gè)整體系統(tǒng)運(yùn)行(即上述閉合母聯(lián)模式),但必須設(shè)置能在發(fā)生短路或過載故障時(shí)自動(dòng)跳開的母聯(lián)開關(guān),以防止故障從1 個(gè)子系統(tǒng)傳遞給其他子系統(tǒng)[1]。
由IMO MSC/Circ.645 指導(dǎo)文件的要求可知,對(duì)DP-2 電力系統(tǒng)的基本要求是可在孤島模式下運(yùn)行,或在閉合母聯(lián)的模式下發(fā)生單點(diǎn)故障時(shí)能返回到孤島模式運(yùn)行,而不會(huì)使整艘船舶丟失動(dòng)力和定位能力。
對(duì)于隱藏故障,DP-2 系統(tǒng)只要求整體上能有效預(yù)防隱藏故障,即可通過對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測和報(bào)警來消除隱藏故障的影響[2]。對(duì)于各斷路器,尤其是對(duì)于總線上的母聯(lián)斷路器(隱藏故障可能導(dǎo)致故障發(fā)生時(shí)母排無法有效斷開為孤島模式的配置),該系統(tǒng)并沒有特殊的要求。
下面逐一分析組成閉合母聯(lián)電站的各種配置和滿足DP-2 要求的設(shè)計(jì)。
對(duì)于閉合母聯(lián)電站過載保護(hù),可通過配電盤自身硬件、自動(dòng)PMS 和DP 控制系統(tǒng)中的1種或多種來完成[3],但在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮各種保護(hù)方式的協(xié)調(diào)性。當(dāng)過載保護(hù)系統(tǒng)自身發(fā)生故障時(shí),不能導(dǎo)致超出最差設(shè)計(jì)預(yù)期工況的情況出現(xiàn),具體要求如下:
1) 單臺(tái)發(fā)電機(jī)過載不會(huì)導(dǎo)致所有在網(wǎng)的推進(jìn)器進(jìn)入減載模式。這是一個(gè)與開環(huán)系統(tǒng)截然不同的設(shè)計(jì)理念。在開環(huán)系統(tǒng)中,為最大程度地保持冗余分組內(nèi)的發(fā)電機(jī)不因長時(shí)間過載而失電,通常會(huì)要求其在網(wǎng)的推進(jìn)器進(jìn)入減載模式。由于電力系統(tǒng)為孤島模式,只有1 個(gè)冗余分組內(nèi)的推進(jìn)器的推力受影響,不會(huì)超出最差設(shè)計(jì)預(yù)期工況的范圍。但是,對(duì)于閉合母聯(lián)電力系統(tǒng),所有推進(jìn)器都在同一個(gè)電網(wǎng)中,若因單臺(tái)發(fā)電機(jī)過載而限制所有推進(jìn)器的負(fù)荷,會(huì)導(dǎo)致所有冗余分組內(nèi)的推進(jìn)器的推力受影響,這顯然超出了最差設(shè)計(jì)預(yù)期工況的要求,因此不能因單臺(tái)發(fā)電機(jī)過載而使所有推進(jìn)器進(jìn)入減載模式。
2) 單臺(tái)或多臺(tái)發(fā)電機(jī)因發(fā)生故障而停機(jī)不會(huì)導(dǎo)致其他正常的DP 冗余分組失電[4]。對(duì)于閉合母聯(lián)電站系統(tǒng),當(dāng)發(fā)電機(jī)因發(fā)生故障而停機(jī)時(shí),除了對(duì)應(yīng)發(fā)電機(jī)的斷路器跳開以外,與其冗余分組相鄰的母聯(lián)短路器通常也要快速自動(dòng)斷開,以保證正常的DP 冗余組的配電系統(tǒng)不會(huì)因受到影響(如短路傳播、過載和逆功等)而失電。
3) 母聯(lián)開關(guān)跳開不會(huì)導(dǎo)致各DP 冗余組失電。如前文所述,對(duì)于閉合母聯(lián)配電系統(tǒng),其最基本的設(shè)計(jì)是發(fā)生故障時(shí)自動(dòng)斷開各冗余組之間的母聯(lián)開關(guān),系統(tǒng)重新配置成孤島模式并正常運(yùn)行。
發(fā)電機(jī)的調(diào)速器主要用來控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,即控制發(fā)電機(jī)輸出的有功功率。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制是各發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行(即負(fù)荷分配)的一部分,發(fā)電機(jī)調(diào)速器設(shè)計(jì)會(huì)影響閉合母聯(lián)電站系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
發(fā)電機(jī)調(diào)速器設(shè)計(jì)的基本要求是當(dāng)其發(fā)生單一故障(失電、網(wǎng)絡(luò)故障等)時(shí)不會(huì)影響其他發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行。
為更好地理解發(fā)電機(jī)調(diào)速器的設(shè)計(jì)選型,首先對(duì)發(fā)電機(jī)調(diào)速器的2種并聯(lián)模式(即無差模式和有差模式)進(jìn)行分析。
1) 無差模式:單臺(tái)發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)采用這種模式,即設(shè)定一個(gè)頻率(轉(zhuǎn)速),根據(jù)負(fù)載變化來調(diào)整反饋修正值,達(dá)到穩(wěn)定頻率的作用。當(dāng)2臺(tái)或多臺(tái)發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行時(shí),各發(fā)電機(jī)的調(diào)速環(huán)會(huì)并接在一起,可通過修正調(diào)速器參數(shù)來使各發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行,并能使其穩(wěn)定在固定的預(yù)設(shè)頻率上。
2) 有差模式:發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速-負(fù)載曲線是一條下垂的直線,調(diào)速系統(tǒng)會(huì)根據(jù)負(fù)載情況修正調(diào)整調(diào)速環(huán)之后的頻率,該頻率并不是要穩(wěn)定的頻率,需進(jìn)行二次調(diào)速(比如通過PMS 或手動(dòng)輸入來調(diào)整),以得到穩(wěn)定的頻率。這樣做的目的是,當(dāng)機(jī)組帶載率突然變得很高和很低時(shí),防止發(fā)電機(jī)過載或逆功導(dǎo)致停車。
通過分析可知,無差模式與有差模式的主要區(qū)別在于:
1) 有差模式的負(fù)荷調(diào)整和發(fā)電機(jī)進(jìn)網(wǎng)/退網(wǎng)是基于PMS(或手動(dòng))進(jìn)行的,即發(fā)電機(jī)依靠外部信號(hào)控制,與其他發(fā)電機(jī)調(diào)速裝置沒有直接的電氣連接,無發(fā)生公共故障的風(fēng)險(xiǎn);
2) 無差模式是將所有在網(wǎng)的發(fā)電機(jī)調(diào)速環(huán)并接在一起,通過數(shù)據(jù)分享、共同修正來實(shí)現(xiàn)負(fù)荷分配和發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行,電站管理單元不參與發(fā)電機(jī)調(diào)速。
由這2種模式的特點(diǎn)可知:有差模式更能保持各冗余分組的獨(dú)立性,即系統(tǒng)受到公共故障的影響更??;無差模式具有恒頻、均載、發(fā)電機(jī)運(yùn)行更穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)。因此,閉合母排的電力系統(tǒng)通常會(huì)采用無差模式運(yùn)行,但當(dāng)發(fā)生故障時(shí),系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)跳回到安全性更高的有差模式。
綜上所述,當(dāng)發(fā)生調(diào)速器故障時(shí),系統(tǒng)必須跳回到預(yù)設(shè)的安全模式,即有差模式,由電站管理單元控制各發(fā)電機(jī)調(diào)速,并配合閉合母聯(lián)電力系統(tǒng)中母聯(lián)開關(guān)的斷開(系統(tǒng)配置改為孤島模式),保證各冗余分組(非故障組)的發(fā)電機(jī)可在組內(nèi)繼續(xù)并聯(lián)運(yùn)行。
短路故障穿越能力設(shè)計(jì)是整個(gè)閉合母聯(lián)電站系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn),因?yàn)槎搪饭收洗┰侥芰Σ粌H僅是對(duì)配電系統(tǒng)的要求,連接在整個(gè)電力系統(tǒng)中的設(shè)備(如分配電設(shè)備、起動(dòng)器和變頻器等)都需結(jié)合短路電流、電壓降和選擇性保護(hù)進(jìn)行分析研究,并根據(jù)閉合母聯(lián)系統(tǒng)對(duì)短路故障穿越能力的要求,對(duì)各設(shè)備的電氣保護(hù)參數(shù)(尤其是欠壓保護(hù))進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。
閉合母聯(lián)電力系統(tǒng)對(duì)DP 相關(guān)設(shè)備和非DP 相關(guān)設(shè)備都有短路故障穿越能力要求[2]。
2.3.1 DP 冗余組設(shè)備的要求
對(duì)于DP 相關(guān)設(shè)備,在發(fā)生短路故障期間,所有電氣設(shè)備(非故障區(qū)域)都要保持發(fā)生短路故障之前的運(yùn)行狀態(tài)不變,即不能因電壓降而出現(xiàn)斷路器跳開或設(shè)備停止運(yùn)行等狀況,涉及的電氣系統(tǒng)或設(shè)備如下:
1) 推進(jìn)器和相應(yīng)的推進(jìn)變頻器不能因電壓降而停車或退出DP 狀態(tài);
2) 推進(jìn)器、舵機(jī)和發(fā)電機(jī)組輔助系統(tǒng)(如燃油、滑油、伺服油和冷卻水等系統(tǒng))的泵組不能因瞬時(shí)電壓降而停泵;
3) 欠壓保護(hù)系統(tǒng)(如配有)不能在瞬時(shí)電壓降期間動(dòng)作;
4) 對(duì)于雙路供電的直流蓄電池或不間斷電源系統(tǒng),不能因瞬時(shí)電壓降而導(dǎo)致系統(tǒng)供電在不同的冗余分組間切換。
針對(duì)上述要求,在設(shè)計(jì)過程中,應(yīng)采用以下設(shè)計(jì)方法:
1) 對(duì)于變頻器控制的推進(jìn)器,由于變頻器電源單元內(nèi)的電容作為蓄能裝置,可在很大程度上抵消電壓波動(dòng),因此對(duì)于變頻器來說,瞬時(shí)電壓降通常不會(huì)導(dǎo)致變頻器停車或跳閘。但是,變頻器的控制電路及其電氣元件通常無法在瞬時(shí)電壓降期間保持正常工作,因此會(huì)導(dǎo)致整個(gè)變頻器停止運(yùn)行,進(jìn)而導(dǎo)致推進(jìn)器停車,造成超出最差預(yù)期設(shè)計(jì)工況的情況出現(xiàn)。因此,對(duì)于變頻器控制的推進(jìn)器設(shè)計(jì),變頻器的主供電不需要考慮瞬時(shí)電壓降穿越問題;對(duì)于變頻器的控制電路,需使用相同DP冗余分組內(nèi)的不間斷電源供電,以保證變頻器的控制電路在瞬時(shí)電壓降期間的穿越能力。
2) 對(duì)于由可調(diào)螺距螺旋槳(Controllable Pitch Propeller, CPP)控制的推進(jìn)器,雖然可通過設(shè)置供電回路的斷路器來保證推進(jìn)器和可調(diào)槳單元瞬時(shí)電壓降的穿越能力,但可調(diào)槳系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)速度相比變頻器過慢會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)過載,即將故障擴(kuò)散到非故障的冗余分組,因此可調(diào)槳并不適合在閉合母聯(lián)電力系統(tǒng)中使用。
3) 對(duì)于推進(jìn)器和發(fā)電機(jī)輔助系統(tǒng)的泵組,主船級(jí)規(guī)范通常會(huì)要求其啟動(dòng)器在電力系統(tǒng)失電之前脫扣,因此啟動(dòng)器的欠壓保護(hù)不能取消[5],設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮其啟動(dòng)器欠壓保護(hù)數(shù)值的設(shè)置(電壓值及延時(shí)),既要保證欠壓脫扣功能,又要保證其在發(fā)生短路故障時(shí),瞬時(shí)電壓降的穿越能力。泵組啟動(dòng)控制回路的電氣元件無法在瞬時(shí)電壓降期間正常工作,因此對(duì)于與獨(dú)立DP相關(guān)的泵組的啟動(dòng)器控制回路,同樣需采用相同DP冗余分組內(nèi)的不間斷電源供電,以保證啟動(dòng)器的控制電路在瞬時(shí)電壓降期間的穿越能力。
對(duì)于與DP相關(guān)的蓄電池或不間斷電源系統(tǒng),通常僅由相關(guān)的冗余分組供電,若要求主/應(yīng)急雙路供電,則推薦供電電路的轉(zhuǎn)換通過手動(dòng)來完成。
以某半潛項(xiàng)目為例,模擬得到短路故障發(fā)生時(shí)440V 配電盤和6.6kV 配電盤電壓降-時(shí)間曲線分別見圖3 和圖4。
圖3 440 V 配電盤電壓降-時(shí)間曲線
圖4 6.6 kV 配電盤電壓降-時(shí)間曲線
由圖3 和圖4 可知:短路故障于2.00s 的時(shí)間點(diǎn)發(fā)生,造成配電盤電壓降;隨著故障區(qū)域被隔離,系統(tǒng)經(jīng)歷0.09s 的時(shí)間之后其電壓又恢復(fù)到了穩(wěn)態(tài)波動(dòng)的正常范圍內(nèi)。但是,短路故障形成的瞬時(shí)電壓降在440V 配電盤上和6.6kV 配電盤上有明顯的不同:在440V 配電盤上電壓降至270V,電壓降約為40%;在6.6kV 配電盤上電壓降至5.2kV,電壓降約為21%。由此可看出,短路故障對(duì)中壓配電盤電壓降的影響要小于低壓配電盤。這就是閉合母聯(lián)電站系統(tǒng)通常只對(duì)中壓配電盤的母排進(jìn)行連接,低壓配電盤的母排為孤島模式的原因之一。
2.3.2 非DP 冗余組設(shè)備的要求
對(duì)于非DP 相關(guān)設(shè)備,要求在短路故障造成的電壓降期間保持?jǐn)嗦菲骰騿?dòng)器開關(guān)的狀態(tài),即在故障隔離、電壓重新建立之后可不經(jīng)人為干預(yù)自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行(而不是重新啟動(dòng)),即在穿越期間,斷路器或接觸器保持閉合。此外,可設(shè)計(jì)備用泵組切換或備用電源切換來滿足電壓降穿越的要求,但在設(shè)計(jì)時(shí)必須保證切換的電源來自于相同的DP 冗余分組。
無論是DP 相關(guān)設(shè)備,還是非DP 相關(guān)設(shè)備,當(dāng)短路故障被隔離、系統(tǒng)重新建立電壓時(shí),由于發(fā)電機(jī)自動(dòng)調(diào)壓裝置的特性,電網(wǎng)電壓會(huì)出現(xiàn)一個(gè)大于正常工作電壓的波峰,如圖4 中的2~4s 時(shí)間段內(nèi)的波形。該時(shí)間段的電網(wǎng)處于過壓狀態(tài),因此在設(shè)計(jì)時(shí)同樣需考慮設(shè)備的過壓保護(hù)和元件的耐壓等級(jí),既不能在這段時(shí)間內(nèi)將電氣元件損毀,又不能因過壓保護(hù)動(dòng)作而導(dǎo)致設(shè)備停止運(yùn)行。
圖5 和圖6 為滿足DP-2 閉合母聯(lián)電力系統(tǒng)最低要求的典型系統(tǒng)配置,對(duì)于具體的海工項(xiàng)目,可在此基礎(chǔ)上根據(jù)項(xiàng)目的具體要求增加配置。
圖5 滿足DP-2 閉合母聯(lián)電力系統(tǒng)最低要求的典型系統(tǒng)配置(電力)
圖6 滿足DP-2 閉合母聯(lián)電力系統(tǒng)最低要求的典型系統(tǒng)配置(控制)
通過本文的分析可知,對(duì)于DP-2 系統(tǒng)中閉合母聯(lián)電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì),除了要滿足IMO MSC/Circ.645 指導(dǎo)文件和各船級(jí)社相應(yīng)規(guī)范的要求以外,還需對(duì)配電盤、調(diào)速器和自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)裝置等裝置及保護(hù)系統(tǒng)的故障進(jìn)行深入研究,并對(duì)發(fā)電機(jī)、推進(jìn)器及相關(guān)負(fù)載的短路電流、選擇性保護(hù)和短路故障穿越能力進(jìn)行逐一分析,從而合理設(shè)計(jì)出滿足DP-2 系統(tǒng)要求的閉合母聯(lián)電力系統(tǒng)。