黃 超，劉宙鋒，胡雙進(jìn)，張 亮，邱 實(shí)

海洋核動(dòng)力平臺(tái)電壓波動(dòng)抑制措施研究

黃 超，劉宙鋒，胡雙進(jìn)，張 亮，邱 實(shí)

（武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢 430064）

海洋核動(dòng)力平臺(tái)電壓在運(yùn)行中會(huì)存在諸多電壓波動(dòng)問(wèn)題，為了減小海洋核動(dòng)力平臺(tái)微電網(wǎng)的電壓波動(dòng)，在滿足安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)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(gè)領(lǐng)域的解決方案，利用內(nèi)外隔離供電、降壓起動(dòng)方式、限流控制等方法，提出了一種抑制海洋核動(dòng)力平臺(tái)微電網(wǎng)電壓波動(dòng)的解決方案。

海洋核動(dòng)力平臺(tái) 內(nèi)外隔離供電 起動(dòng)方式 限流控制

0 引言

隨著海上電力需求的不斷增加，各國(guó)開(kāi)始在海洋領(lǐng)域大力發(fā)展浮動(dòng)核電站技術(shù)。當(dāng)前，俄羅斯“院士號(hào)”核動(dòng)力發(fā)電平臺(tái)已經(jīng)具備發(fā)電運(yùn)行能力；而中國(guó)也開(kāi)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(jìn)行海洋核動(dòng)力平臺(tái)的設(shè)計(jì)工作[1]。

海洋核動(dòng)力平臺(tái)在國(guó)內(nèi)尚無(wú)實(shí)際工程應(yīng)用案例，而由于其所處電網(wǎng)較小，而且處于較為惡劣的海洋環(huán)境中，電網(wǎng)電壓波動(dòng)也較為嚴(yán)重，因此，研究降低海洋核動(dòng)力平臺(tái)電壓波動(dòng)的技術(shù)措施是非常必要的。

1 海洋核動(dòng)力平臺(tái)微電網(wǎng)的特點(diǎn)

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(dāng)前渤海油田海域的發(fā)電機(jī)組均為小型發(fā)電機(jī)組，效率較低，浪費(fèi)較為嚴(yán)重。若考慮將海洋核動(dòng)力平臺(tái)應(yīng)用于渤海油田海域，類似于陸上核電站的作用，為采油平臺(tái)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(duì)于陸上核電站，海洋核動(dòng)力平臺(tái)主要有以下特點(diǎn)：

1）電網(wǎng)容量小，單臺(tái)發(fā)電機(jī)在微電網(wǎng)中占有的比例大。海洋核動(dòng)力平臺(tái)所在采油平臺(tái)電網(wǎng)容量小，且單臺(tái)發(fā)電機(jī)在電網(wǎng)中占有的比例約為20%。因此海洋核動(dòng)力平臺(tái)發(fā)電機(jī)的投切對(duì)電網(wǎng)的影響較大。

2）單個(gè)負(fù)載占有電網(wǎng)容量大，且負(fù)載變化頻繁。采油平臺(tái)有著大量功率較高的用電負(fù)載，且這些負(fù)載變化非常頻繁。因此，海洋核動(dòng)力平臺(tái)發(fā)電功率起伏較大，容易引起電網(wǎng)較大的波動(dòng)。

2 海洋核動(dòng)力平臺(tái)電壓波動(dòng)抑制措施

針對(duì)海洋核動(dòng)力平臺(tái)電壓波動(dòng)的特點(diǎn)，亟需一套能夠降低海洋核動(dòng)力平臺(tái)電壓波動(dòng)的抑制措施。

2.1 內(nèi)外隔離供電方案

為了保證供電的可靠性，海洋核動(dòng)力平臺(tái)宜配置主汽輪發(fā)電機(jī)組和輔汽輪發(fā)電機(jī)組[2]。主汽輪發(fā)電機(jī)組功率較大，負(fù)責(zé)對(duì)外供電；輔汽輪發(fā)電機(jī)組功率較小，負(fù)責(zé)海洋核動(dòng)力平臺(tái)自用電。另外，還配置柴油發(fā)電機(jī)組，能夠在輔汽輪發(fā)電機(jī)組故障的情況下替代輔汽輪發(fā)電機(jī)組繼續(xù)為海洋核動(dòng)力平臺(tái)自用電供電[2-3]，方案如圖1所示。

圖1 海洋核動(dòng)力平臺(tái)供電方案框圖

方案分析。如圖1方案，由于對(duì)外供電電網(wǎng)與平臺(tái)自用電電網(wǎng)完全分離，因此外電網(wǎng)的波動(dòng)不會(huì)影響平臺(tái)自用電電網(wǎng)，從而提高了平臺(tái)自用電電網(wǎng)的穩(wěn)定性。而平臺(tái)自用電電網(wǎng)的波動(dòng)也不會(huì)影響到外電網(wǎng)，保證了外電網(wǎng)的穩(wěn)定發(fā)電。

同時(shí)，當(dāng)平臺(tái)自用電電網(wǎng)負(fù)荷功率短時(shí)較高時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)臨時(shí)性地投入使用，能暫時(shí)提升電網(wǎng)容量，從而有效減小平臺(tái)自用電負(fù)荷功率提升引起的電網(wǎng)波動(dòng)。

因此，采用內(nèi)外隔離供電方案，是限制海洋核動(dòng)力平臺(tái)電壓波動(dòng)的有效手段。

2.2 降壓起動(dòng)方案

海洋核動(dòng)力平臺(tái)主要用電負(fù)荷為電機(jī)類負(fù)荷，而電機(jī)類負(fù)荷在起動(dòng)時(shí)間內(nèi)沖擊電流較大，容易引起海洋核動(dòng)力平臺(tái)電壓的波動(dòng)。

電機(jī)的起動(dòng)分為全電壓起動(dòng)和降壓起動(dòng)兩種方式，其中降壓起動(dòng)主要分為星-三角起動(dòng)、自耦起動(dòng)、軟起動(dòng)及變頻起動(dòng)等幾種起動(dòng)方式[4~6]，全電壓起動(dòng)雖然起動(dòng)速度快，但對(duì)電網(wǎng)沖擊大；而降壓起動(dòng)則起動(dòng)速度慢，但對(duì)電網(wǎng)沖擊小。

星-三角起動(dòng)、自耦起動(dòng)、軟起動(dòng)及變頻起動(dòng)四種降壓起動(dòng)方式相比，起動(dòng)電流沖擊逐步降低，但相應(yīng)起動(dòng)器成本和體積均逐步提高?？紤]海洋核動(dòng)力平臺(tái)的經(jīng)濟(jì)性和空間的有限性，因此，針對(duì)不同功能需求和功率的負(fù)荷采取特定的起動(dòng)方式，是限制海洋核動(dòng)力平臺(tái)電壓波動(dòng)的有效手段。綜合以上所述，提供了一種選擇海洋核動(dòng)力平臺(tái)電機(jī)類負(fù)荷起動(dòng)方式的方案，如表1所示。（假設(shè)正常工作時(shí)海洋核動(dòng)力平臺(tái)電網(wǎng)余量為kW）。

表1 海洋核動(dòng)力平臺(tái)電機(jī)類負(fù)荷起動(dòng)方式的選擇

另外，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，還會(huì)采取重載問(wèn)詢來(lái)限制大功率負(fù)荷對(duì)海洋核動(dòng)力平臺(tái)電網(wǎng)的沖擊。如果電網(wǎng)余量較小時(shí)，則暫時(shí)不允許大功率負(fù)荷的起動(dòng)[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(dòng)力平臺(tái)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(jī)轉(zhuǎn)移負(fù)載時(shí)，如圖2所示，即向轉(zhuǎn)移的過(guò)程中，可能會(huì)因?yàn)榘l(fā)電機(jī)負(fù)荷的突加過(guò)大而引起電網(wǎng)電壓的較大波動(dòng)[6-7]。

圖2 海洋核動(dòng)力平臺(tái)限流控制方案框圖

如圖2所示，在發(fā)電機(jī)投入運(yùn)行時(shí)，同時(shí)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(jī)輸出電流的增幅不至于過(guò)大。然后逐步提升，使得發(fā)電機(jī)輸出電流逐漸增大至穩(wěn)態(tài)值，蓄電池也逐漸轉(zhuǎn)入充電狀態(tài)，從而不會(huì)出現(xiàn)發(fā)電機(jī)負(fù)荷突加過(guò)大，是限制海洋核動(dòng)力平臺(tái)電壓波動(dòng)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(jié)論

本文研究了適用于海洋核動(dòng)力平臺(tái)電壓波動(dòng)的抑制措施，對(duì)核動(dòng)力船舶的電網(wǎng)穩(wěn)定性研究提供了參考。

[1] 張力, 劉宙鋒等. 海洋核動(dòng)力平臺(tái)電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)概要[J]. 船電技術(shù), 2017, (11).

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

[3] 屈玉鑫, 萬(wàn)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(dòng)機(jī)起動(dòng)技術(shù)研究[J]. 水電能源科學(xué), 29(1).

[5] 陳磊. 淺談異步電機(jī)起動(dòng)控制及其保護(hù)[J]. 機(jī)電信息, 2012, (9).

[6] 中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司, 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司, 中國(guó)造船工程學(xué)會(huì). 船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)電氣分冊(cè)[S]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2013.

[7] 中國(guó)船級(jí)社. 鋼制海船入級(jí)規(guī)范[S]. 北京: 中國(guó)船級(jí)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(jí)工程師。研究方向：艦船電力系統(tǒng)。E-mail:289488579@qq.com