自升式風電安裝平臺綜合電力推進系統(tǒng)應用

張丁標，戴洪祥，藍巨滔，張育嬋

（1.中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東廣州510715；2.廣船國際有限公司，廣東廣州510715）

0 引 言

為解決資源短缺、排放污染和氣候變暖等問題，開發(fā)清潔、可再生能源越來越受關注，海上風力發(fā)電具有環(huán)保清潔、資源豐富、裝機容量大、傳輸距離短、不占用土地資源、風速高且穩(wěn)定、湍流強度小和視覺及噪聲污染少等優(yōu)勢，近年來得到了很多國家的重視。同時，傳統(tǒng)的柴油機推進系統(tǒng)占用船舶空間大，能源利用率低，近年來隨著電子科學技術的發(fā)展，特別是隨著電機控制技術、交流變頻調速技術和電力電子技術的迅猛發(fā)展，船舶電力推進系統(tǒng)在運行效率、機動性和可靠性等方面取得了突破性進展。因此，研發(fā)一型配置綜合電力推進系統(tǒng)的船舶具有極強的現(xiàn)實意義。

1 200 t自升式風電安裝平臺是國內最新型高端風電安裝平臺，入中國船級社，配有動力定位（Dynamic Position，DP）系統(tǒng)（DP1）和1 200 t繞樁吊，是國內第一座桁架式齒輪升降風電安裝平臺，其總長為84.5 m，型寬為43.3 m，型深為7.6 m，設計吃水為4.7 m，樁腿長為91.5 m，最大作業(yè)水深為60 m，主要應用于7 MW及7 MW以下海上風機的打樁、安裝和維護等作業(yè)中，具有較強的抗風和抗海流沖擊能力。

1 系統(tǒng)組成

該1 200 t自升式風電安裝平臺的電力推進系統(tǒng)由主發(fā)電機組、主變壓器、600 V配電板、能量管理系統(tǒng)（Power Management System，PMS）、主推進電力驅動系統(tǒng)、側推電力驅動系統(tǒng)、AC 400 V低壓配電板、遙控系統(tǒng)和不間斷電源等組成。電力推進系統(tǒng)單線圖見圖1；電力推進系統(tǒng)設備配置見表1。

圖1 電力推進系統(tǒng)單線圖

表1 電力推進系統(tǒng)設備配置

2 電站及作業(yè)工況

由于海上風場作業(yè)比較復雜，因此需充分考慮電站的運行模式。海上風電安裝平臺作業(yè)工況通常包括平臺移位、升平臺、提舉和降平臺等，每種工況又可根據(jù)作業(yè)方式的不同進行細分，如平臺移位可分為移位、在動力定位模式下進行浮吊和在定位錨機模式下進行浮吊等情況進行精細計算，力求更加合理地確定使用的發(fā)電機組數(shù)量，降低能耗。

在不同工況下運行不同數(shù)量的發(fā)電機，根據(jù)全船電力負荷計算的各工況下的發(fā)電機數(shù)量統(tǒng)計結果見表2，各臺發(fā)電機的功率均為1 550 kW。

表2 1 200 t自升式風電安裝平臺各作業(yè)工況下的發(fā)電機數(shù)量

3 配電系統(tǒng)

配電系統(tǒng)為全船提供電能，包含配電板和PMS。5臺1 550 kW主柴油機發(fā)電機組（發(fā)電機組非供貨范圍）作為主電源，為全船提供600 V、50 Hz的電源，經2臺AC 600 V／AC 230 V的1 250 kVA主變壓器降壓，給全船400 V和230 V負載配送電能。由于整船的供電系統(tǒng)設備繁多、負載運行工況多變，借助PMS可高效、集中、自動化地管理全船電網。PMS控制站設在集控室內，發(fā)電機組、推進系統(tǒng)等重要電力設備的運行狀態(tài)可實時監(jiān)控，并自行對設備的運行情況和功率進行調整，確保船舶電網穩(wěn)定、可靠運行，避免出現(xiàn)癱船等重大安全事故和隱患。

該船配置有1套AC 600 V配電板，分為3段母排，其中1＃～4＃樁腿升降機由左右配電板供電，1 200 t吊機由左右配電板共同供電。因此，當配電板中的某段母排出現(xiàn)故障時，可由另一段母排供電，確保平臺在海上作業(yè)或起升下降時供電的安全性和可靠性。

4 電力驅動系統(tǒng)

電力驅動系統(tǒng)包括主推進和側推的變頻器、電機和推進器，變頻方案通常有2種，一種是虛擬24脈沖整流變頻，另一種是有源前端（Active Front End，AFE）變頻。虛擬24脈沖變頻器包含移相變壓器、線電抗器、二極管整流橋模塊、快速熔斷器、直流回路電抗器、直流回路電容器、絕緣型雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）、逆變器模塊和輸出du／dt濾波器；AFE變頻器采用有源濾波器加IGBT整流，利用對IGBT晶閘管的控制實現(xiàn)對輸入電壓的調制解調，從而精確控制直流母線電壓，同時大大減少由變頻器產生的諧波電流，被稱為低諧波變頻器。

本文所述風電安裝平臺通過綜合考慮，其變頻器采用AFE型式的變頻方案，不僅能省去移相變壓器，節(jié)省空間，而且其諧波遠低于虛擬24脈沖變頻器，可有效降低電網的諧波含量，在使用吊機、推進設備等大負載的情況下能充分滿足電網諧波電壓含量THD（Total Harmonic Distortion）小于8%、單次諧波小于3%的指標要求。此外，主電網是AC 600 V配電，考慮到市場上推進電機的主流電制為690～660 V，若按AC 600 V匹配，則電機選型需要升檔，這會導致成本增加。因此，利用AFE變頻器的整流單元的增壓（boost）功能提升整流單元輸出的直流電壓，使變頻器的輸出電壓維持在AC 690 V左右，這樣不僅有利于推進電機的選型和日用設備維護，充分發(fā)揮AFE變頻器的優(yōu)勢，而且能為整個推進系統(tǒng)提供較大的提升空間。

5 短路電流計算

船舶電力系統(tǒng)的短路電流計算是整個系統(tǒng)安全性判斷、斷路器設計整定和設備選擇校驗的重要依據(jù)。

由于本文所述平臺的電站容量高達5×1 550 kW，且配置的主要設備的數(shù)量和功率非常大，因此需對主配電板的主母排短路電流進行精心計算，防止選用不合適的主配電板造成重大損失。該船通過計算軟件ETAP12.6.0，依據(jù)IEC 61363-1進行計算，選用以下工況。

工況：在“升平臺作業(yè)”工況下發(fā)生短路故障（此時電網短路電流值最大），此時5臺主發(fā)電機并聯(lián)運行，MSB 600 V母聯(lián)開關合閘，1臺主變壓器運行，MSB 380 V母聯(lián)開關合閘，MSB 380 V等效電機功率約為900 kW，1臺主照明變壓器運行。具體短路電流計算圖見圖2。

圖2 短路電流計算圖

經仿真計算，主配電板母排B1.1（MSB 600 V-A）和B1.2（MSB 600 V-B）的短路電流I＝60.61 kA，通過與主配電板廠協(xié)商，最終選用主配電板母排短路電流為85 kA的主配電板。

6 諧波計算

本文所述平臺設置有3臺主推進器、2臺側推器、1臺1 200 t繞樁吊和4臺打樁器，3臺定位錨等設備均采用變頻驅動，變頻設備眾多，使用工況復雜，會產生大量諧波，對全船的電網、電機、電子設備和通信設備造成嚴重的影響，需全面考慮導致全船諧波產生的各種情況。根據(jù)中國船級社的要求，交流電氣設備應能在供電電源的電壓諧波成分不大于8%的情況下正常工作。當電源的諧波成分可能大于8%時，應注意設備的選擇，保證其能正常工作。

為盡可能地抑制諧波的產生，主推進系統(tǒng)、側推系統(tǒng)和4臺樁腿升降機采用AFE變頻器方案，1 200 t繞樁吊采用12脈沖變頻器驅動，3臺定位錨機采用6脈沖變頻器驅動，根據(jù)具體的作業(yè)工況采用軟件ETAP 12.6.0進行諧波計算。諧波計算結果見表3。

表3 諧波計算結果

根據(jù)以上計算結果，在移位操作模式下，THDV數(shù)值最大：其600 V配電板諧波的計算結果為6.17%；400 V配電板諧波的計算結果為4.23%，滿足船級社的要求。

7 結 語

隨著世界上各行業(yè)的環(huán)保要求日益嚴格，人們對海上風電這種清潔能源的需求逐步增強，海上風場正由近海走向深海（離岸距離達到50 km或水深達到50 m的風電場），因此對適用于深海作業(yè)的帶有綜合電力推進系統(tǒng)的海上風電安裝平臺的需求越來越多，本文涉及的系統(tǒng)組成及相應的計算研究可為此類平臺的發(fā)展提供一定的參考。