電力推進(jìn)船舶低電壓故障穿越技術(shù)研究

汪 敏，殷進(jìn)軍

應(yīng)用研究

電力推進(jìn)船舶低電壓故障穿越技術(shù)研究

汪 敏，殷進(jìn)軍

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

低電壓故障穿越技術(shù)是電力推進(jìn)船舶的重要功能。本文以中海油某型雙燃料電推PSV為例，通過分析不同短路點(diǎn)，歸納短路試驗(yàn)試驗(yàn)點(diǎn)選取方法。隨后，針對(duì)欠壓引起的非故障母排發(fā)電機(jī)電壓超調(diào)，指出需通過勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的正確配置予以限制。最后，對(duì)各關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行了總結(jié)。依照本文方法，可有效避免短路故障造成的全船失電。

電力推進(jìn) 低電壓穿越 短路 自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)

0 引言

對(duì)于船舶電網(wǎng)設(shè)計(jì)，低電壓故障穿越是一個(gè)較新的概念。隨著電推船的日益增多，低電壓穿越技術(shù)的重要性日益凸顯。

不同于陸上電網(wǎng)，船舶電網(wǎng)設(shè)計(jì)中對(duì)低電壓故障穿越暫時(shí)沒有明確的國家標(biāo)準(zhǔn)。

借鑒陸上電網(wǎng)，可對(duì)船舶電網(wǎng)的低電壓故障穿越做如下定義：當(dāng)電力系統(tǒng)中出現(xiàn)短路故障時(shí)，針對(duì)母線電壓的快速跌落，電網(wǎng)中的重要設(shè)備需持續(xù)保持運(yùn)行狀態(tài)，直到電網(wǎng)中的故障被準(zhǔn)確定位并切斷隔離[1]。

當(dāng)前各主要船級(jí)社規(guī)范中僅對(duì)采用Close Bus-Tie或Close Ring電網(wǎng)設(shè)計(jì)的動(dòng)力定位船舶提出電網(wǎng)低電壓故障穿越功能的要求。但是，對(duì)于非閉環(huán)電網(wǎng)電力推進(jìn)船舶，低電壓故障穿越的意義同樣重要[2-3]。

短路故障發(fā)生后，通過選擇性保護(hù)，一般都能通過母聯(lián)開關(guān)將故障母排切除，但是，非故障母排成功進(jìn)行低電壓穿越后，又會(huì)因?yàn)榘l(fā)電機(jī)強(qiáng)勵(lì)，引發(fā)過壓故障，仍然使全船失電或失去動(dòng)力，影響航行安全[5]。

因此，需要對(duì)電力推進(jìn)船舶低電壓故障穿越功能進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，選取合適的短路點(diǎn)進(jìn)行仿真，有條件時(shí)可進(jìn)行實(shí)船驗(yàn)證[4]。

本文以中海油某型雙燃料電推PSV為例，對(duì)短路試驗(yàn)的短路點(diǎn)的選取進(jìn)行分析，對(duì)影響低電壓故障穿越的各因素進(jìn)行歸納。

1 短路試驗(yàn)方案

1.1 基本配置

該船主要負(fù)載單線圖見圖1。機(jī)組為3臺(tái)920 kW雙燃料機(jī)組。主推進(jìn)設(shè)備為2臺(tái)1030 kW電機(jī)，由變頻器驅(qū)動(dòng)。側(cè)推為2臺(tái)500 kW定距槳。

圖1 主要負(fù)載單線圖

為使短路試驗(yàn)對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)影響最小，短路試驗(yàn)在母聯(lián)開關(guān)斷開時(shí)模擬，只針對(duì)右舷。右舷1臺(tái)發(fā)電機(jī)組在網(wǎng)時(shí)，右舷主推進(jìn)支路處于工作狀態(tài)。于右舷選取一開關(guān)作為試驗(yàn)開關(guān)，對(duì)母聯(lián)開關(guān)進(jìn)行模擬。另引入一短接開關(guān)，作為短路點(diǎn)。進(jìn)行短路試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)開關(guān)應(yīng)先于短接開關(guān)跳開，確保發(fā)電機(jī)不因?yàn)榍穳夯蛘哌^壓分閘。

短接開關(guān)采用施耐德NW直流系列斷路器，額定電流4000 A，額定短時(shí)耐受電流85kA（1s）（DC）。該直流斷路器應(yīng)用在本交流系統(tǒng)中作為短接開關(guān)，短時(shí)耐受電流能力可滿足要求。

1.2 方案1

選取右側(cè)推控制屏內(nèi)的9QF3開關(guān)為試驗(yàn)開關(guān)。試驗(yàn)方案分別見圖2。

圖2 試驗(yàn)方案1

各開關(guān)之間的協(xié)調(diào)性曲線如圖3所示。在試驗(yàn)過程中，發(fā)生短路時(shí)，試驗(yàn)開關(guān)瞬時(shí)分?jǐn)?，短接開關(guān)和發(fā)電機(jī)開關(guān)不分?jǐn)唷?/p>

根據(jù)該船短路計(jì)算報(bào)告，1臺(tái)機(jī)組在網(wǎng)時(shí)，當(dāng)690 V配電支路開關(guān)9QF3短路，對(duì)稱短路電流I值為6.78 kA，峰值短路電流i值為17.29 kA。此時(shí)支路開關(guān)9QF3瞬時(shí)分?jǐn)?，發(fā)電機(jī)開關(guān)不分?jǐn)唷?/p>

由分析可知，短接開關(guān)短路后，支路開關(guān)9QF3瞬時(shí)分?jǐn)?，此時(shí)母線電壓波動(dòng)情況不明顯，可能還未降低就重新恢復(fù)。故需考慮采用較大的支路開關(guān)作為試驗(yàn)開關(guān)。

圖3 方案1協(xié)調(diào)性曲線

1.3 方案2

選擇右舷艏側(cè)推主電機(jī)啟動(dòng)柜開關(guān)9QF6為試驗(yàn)開關(guān)，試驗(yàn)方案見圖4。

圖4 試驗(yàn)方案2

各開關(guān)之間的協(xié)調(diào)性曲線如圖5所示。

圖5 方案2協(xié)調(diào)性曲線

根據(jù)圖5，發(fā)生短路時(shí)，試驗(yàn)開關(guān)瞬時(shí)分?jǐn)?，短接開關(guān)和發(fā)電機(jī)開關(guān)不分?jǐn)唷Ａ碛啥搪酚?jì)算報(bào)告可知，當(dāng)1臺(tái)機(jī)組在網(wǎng)，690 V配電支路開關(guān)9QF6短路，對(duì)稱短路電流I值為6.78 kA，峰值短路電流i值為17.29 kA。短路情況下9QF6的分?jǐn)鄷r(shí)間20 ms左右。

由分析可知，選擇配電板上現(xiàn)有的開關(guān)作為試驗(yàn)開關(guān)，短路持續(xù)的時(shí)間很短，為保證試驗(yàn)效果，短路持續(xù)時(shí)間需達(dá)到200 ms，應(yīng)該重新選取短路接入開關(guān)。

1.4 方案3

設(shè)計(jì)短路試驗(yàn)柜，將短接開關(guān)與新的試驗(yàn)開關(guān)均裝入試驗(yàn)柜內(nèi)。方案見圖6。

圖6 方案3協(xié)調(diào)性曲線

各開關(guān)之間的協(xié)調(diào)性曲線如圖7所示

圖7 方案3協(xié)調(diào)性曲線

根據(jù)圖7，發(fā)生短路時(shí)，試驗(yàn)開關(guān)短延時(shí)分?jǐn)啵探娱_關(guān)和發(fā)電機(jī)開關(guān)不分?jǐn)?。由短路?jì)算報(bào)告可知，當(dāng)1臺(tái)機(jī)組在網(wǎng)，690 V配電支路開關(guān)短路，對(duì)稱短路電流I值為6.78 kA，峰值短路電流i值為17.29 kA。短路時(shí)QF0的分?jǐn)鄷r(shí)間約200 ms。

綜上，應(yīng)選擇方案3為實(shí)船短路試驗(yàn)點(diǎn)。

2 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器參數(shù)

短路故障發(fā)生后，整個(gè)母排均處于欠壓狀態(tài)，故障母排被切除后，非故障段母排仍處于欠壓狀態(tài)。此時(shí)發(fā)電機(jī)的自動(dòng)調(diào)壓裝置（AVR）進(jìn)入強(qiáng)勵(lì)狀態(tài)，迅速將電壓拉回可接受的范圍之內(nèi)。如果強(qiáng)勵(lì)參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，則非故障母排設(shè)備，尤其是推進(jìn)設(shè)備有可能因?yàn)榍穳汗收贤Ｖ惯\(yùn)行[5]。

但是進(jìn)入強(qiáng)勵(lì)過程，電壓會(huì)迅速升高，當(dāng)故障母排被切除后，非故障母排在網(wǎng)機(jī)組有可能會(huì)因超調(diào)使電壓繼續(xù)升高，導(dǎo)致推進(jìn)變頻器觸發(fā)過壓故障停機(jī)，使船舶失去航行動(dòng)力；或者因?yàn)椴④噯卧ㄈ鏟PU）觸發(fā)過壓保護(hù)，使發(fā)電機(jī)分閘，仍然造成全船失電。

為了確保低電壓穿越后，電網(wǎng)能同時(shí)進(jìn)行過電壓穿越，需要對(duì)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器進(jìn)行合理的設(shè)置。根據(jù)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器設(shè)置值，正確設(shè)置并車單元（PPU保護(hù)值）

2.1 AVR過壓參數(shù)設(shè)置

發(fā)電機(jī)的AVR采用巴斯勒DECS-150數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。發(fā)電機(jī)過壓一般分為兩級(jí)，第一級(jí)過壓保護(hù)設(shè)置為1.25倍額定電壓，延時(shí)0.5 s，第二級(jí)過壓保護(hù)設(shè)置為1.15倍額定電壓，延時(shí)2～5 s。

按照《旋轉(zhuǎn)電機(jī)定額和性能》（GB/T755-2019/IEC 60034-1:2017）的標(biāo)準(zhǔn)要求，發(fā)電機(jī)可在1.08倍額定電壓情況下持續(xù)工作，如圖8所示。

圖8 發(fā)電機(jī)電壓和頻率的限值

2.2 AVR過勵(lì)參數(shù)設(shè)置

為減小強(qiáng)勵(lì)造成的過壓，可適當(dāng)調(diào)整OEL過勵(lì)值，減小AVR的強(qiáng)勵(lì)程度，電壓上升值會(huì)相應(yīng)減小。但是，減小OEL過勵(lì)值會(huì)減小到短路時(shí)饋送的短路電流大小，影響到開關(guān)的短路跳閘和電力系統(tǒng)保護(hù)定值的調(diào)整，需要綜合考慮。

2.3 AVR調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)置

AVR一般采用PID控制，不同的PID控制參數(shù)電壓的調(diào)節(jié)曲線不同，可適當(dāng)調(diào)整PID參數(shù)，如減小比例參數(shù)K值，減小電網(wǎng)電壓的超調(diào)量，從而避免觸發(fā)過壓保護(hù)。但是，調(diào)整PID參數(shù)值會(huì)影響到發(fā)電機(jī)組的加載特性，需要綜合考慮。

3 關(guān)聯(lián)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)故障穿越，不但要求機(jī)組控制及開關(guān)保護(hù)裝置正確選取和配置，對(duì)于各關(guān)聯(lián)系統(tǒng)也提出了更高的要求。

1）推進(jìn)變頻器需要開啟動(dòng)能緩沖功能，當(dāng)電源電壓跌落時(shí)將推進(jìn)電機(jī)作為發(fā)電機(jī)向變頻器直流母排回饋能量，以保證在故障穿越期間變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)始終保持合閘狀態(tài)[1]。

2）推進(jìn)變頻器在設(shè)計(jì)時(shí)，需要保證風(fēng)冷、水冷等輔助裝置在短暫停止工作時(shí)，不會(huì)立即發(fā)出故障停止信號(hào)，并且保證各輔助裝置在電力恢復(fù)工作后，自動(dòng)恢復(fù)工作。延時(shí)時(shí)間至少大于故障穿越時(shí)間[6]。

3）發(fā)電機(jī)輔助系統(tǒng)參照第（2）條設(shè)計(jì)。

4）關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的供電開關(guān)不設(shè)欠壓保護(hù)或需設(shè)置合理的欠壓時(shí)間?？刂葡到y(tǒng)采用冗余供電。

4 結(jié)論

在低電壓穿越的整個(gè)過程中，短路故障未切除時(shí)會(huì)產(chǎn)生欠壓，短路故障切除后會(huì)產(chǎn)生過壓。欠壓和過壓是同一故障的兩個(gè)階段，需要以仿真結(jié)合實(shí)船短路試驗(yàn)的方式予以設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。

為確保全船在低電壓故障穿越時(shí)不失去航行動(dòng)力，各關(guān)聯(lián)系統(tǒng)也必須參照低電壓故障穿越的需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

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Research on low voltage ride through strategy of electrical propulsion marine

Wang Min, Yin Jinjun

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

U664.14

A

1003-4862（2023）02-0024-04

2022-04-25

汪敏（1984-），男，高級(jí)工程師。研究方向：船舶電力系統(tǒng)。E-mail: wangminhbhs@163.com