龐 路 宋依群

（1.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 上海200240；2.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

引 言

近年來，社會各界對節(jié)能減排的重視與日俱增，船舶制造業(yè)也在對相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用進行探索和研究。閉環(huán)供電方案，作為一種日趨成熟的船舶電網(wǎng)設(shè)計方案，因其能夠大大優(yōu)化船舶主發(fā)電機組的使用策略、減少在網(wǎng)發(fā)電機組數(shù)量和使用時長，而越來越多地被應(yīng)用于動力定位船舶和平臺的大型供電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中，并已逐步成為船舶電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展趨勢。

低電壓故障穿越（Low Voltage Ride Through），無論從現(xiàn)行船級社規(guī)范還是實船安全可靠性角度出發(fā)，都是閉環(huán)船舶電網(wǎng)設(shè)計的重點功能之一。本文基于規(guī)范要求，從電網(wǎng)故障特性、系統(tǒng)功能需求等方面入手，結(jié)合相關(guān)設(shè)備特點，對閉環(huán)電網(wǎng)故障穿越功能的實現(xiàn)方法進行探究，以期為動力定位船舶閉環(huán)電網(wǎng)的設(shè)計工作提供一定的幫助。

1 低電壓故障穿越的定義

低電壓故障穿越在船舶電力系統(tǒng)設(shè)計中屬于較新的概念，目前各船級社規(guī)范中僅對采用閉環(huán)電網(wǎng)設(shè)計的動力定位船舶提出電網(wǎng)低電壓故障穿越功能的要求，卻未對此功能作出明確定義，從而在一定程度上影響了電氣設(shè)計師對于規(guī)范要求的理解；此外，在一些文章中甚至對此概念出現(xiàn)“張冠李戴”的現(xiàn)象，給設(shè)計人員造成困擾。因此，有必要先明確低電壓故障穿越的定義。

1.1 陸用電力系統(tǒng)中的定義

在陸上電網(wǎng)系統(tǒng)（特別是近年來新興的風(fēng)電并網(wǎng)電力系統(tǒng)）設(shè)計中，對低電壓故障穿越功能已有明確的國家標(biāo)準(zhǔn)（GB）要求，相關(guān)技術(shù)要求在船舶閉環(huán)電力系統(tǒng)故障穿越的研究中有一定借鑒意義。

我國國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 19963-2011_風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》［1］中對低電壓穿越的定義為：“當(dāng)電力系統(tǒng)事故或擾動引起并網(wǎng)點電壓跌落時，在一定的電壓跌落范圍和時間間隔內(nèi)，風(fēng)電機組/風(fēng)電場能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行。”該標(biāo)準(zhǔn)中對風(fēng)電場低電壓穿越的要求參見圖1，具體為：

（1）風(fēng)電場并網(wǎng)點電壓跌至20%標(biāo)稱電壓時，風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)電機組應(yīng)保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行625 ms；

（2）風(fēng)電場并網(wǎng)點電壓在發(fā)生跌落后2 s內(nèi)能夠恢復(fù)到標(biāo)稱電壓的90%時，風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)電機組應(yīng)保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行。

圖1 風(fēng)電場低電壓穿越要求

1.2 船級社規(guī)范中的要求

對于閉合母聯(lián)技術(shù)應(yīng)用的船級社規(guī)范支撐，近年來逐步走上正軌。以挪威船級社為代表，一系列具有針對性的閉合母聯(lián)技術(shù)要求在各船級社規(guī)范中逐步完善。目前，各船級社在規(guī)范中對故障穿越能力均提出了相應(yīng)要求。

1.2.1 中國船級社

近年來，中國船級社（CCS）《鋼制海船入級規(guī)范》對動力定位船舶閉合母聯(lián)電力系統(tǒng)的描述不斷完善。在《鋼制海船入級規(guī)范2019年修改通報》［2］中，對動力定位船舶閉合母聯(lián)電力系統(tǒng)的要求有較為詳細的說明。規(guī)范在第8篇《其他補充規(guī)定》的第11章“動力定位系統(tǒng)”中提到：“對于DP-3附加標(biāo)志……應(yīng)對故障模式與影響分析的結(jié)論進行實船驗證，以確認系統(tǒng)保護功能的有效性、故障穿越能力、雙重保護的獨立性、各保護間的協(xié)調(diào)及對故障的監(jiān)測。”

1.2.2 美國船級社

美國船級社（ABS）在規(guī)范《Guide for Dynamic Positioning Systems》中，對DP-3動力定位系統(tǒng)以及增強型DP-2、DP-3動力定位系統(tǒng)（Enhanced System，EHS）中的閉環(huán)電網(wǎng)故障穿越能力提出了要求。ABS規(guī)范要求DP-3以及增強型DP-2、DP-3動力定位系統(tǒng)中的閉合母聯(lián)電力系統(tǒng)應(yīng)具有故障穿越能力：所有動力定位系統(tǒng)所必要的設(shè)備應(yīng)具有故障穿越能力，以允許系統(tǒng)在欠壓保護動作前切除短路故障。系統(tǒng)短路故障所引起的暫態(tài)低電壓不會造成電機起動器或其他驅(qū)動裝置失效。［3］

1.2.3 挪威船級社

挪威船級社（DNV·GL）針對閉環(huán)動力定位系統(tǒng)的設(shè)計要求，于2015年4月出版了隸屬海洋工程技術(shù)指南《Offshore Technical Guidance，OTG》的設(shè)計指導(dǎo)文件《DNVGL-OTG-10 DP-Classed Vessels with Closed Bus-Tie（s）》。該文件就不同動力定位等級的船舶，有針對性地提出閉合母聯(lián)電力系統(tǒng)的設(shè)計要求。［4］

對于低電壓故障穿越，OTG-10中列出了比較具體的要求，特別針對動力定位船舶的故障模式分析（Failure Mode and Effect Analysis，F(xiàn)MEA）指出，需要通過低電壓故障穿越功能，在系統(tǒng)設(shè)計中避免因暫態(tài)電壓跌落導(dǎo)致以下問題：

（1）變頻器脫扣；

（2）推進器在動力定位控制系統(tǒng)中不可用；

（3）電機及其他重要設(shè)備脫扣；

（4）欠壓保護系統(tǒng)計劃外動作；

（5）直流系統(tǒng)及UPS系統(tǒng)的短路電壓降。

挪威船級社OTG系列文件對于動力定位船舶中的閉合母聯(lián)電力系統(tǒng)進行詳細闡述，內(nèi)容涵蓋設(shè)計基礎(chǔ)、功能要求、設(shè)計方法和檢驗方式等，在工程實踐中具有很強可操作性?，F(xiàn)有和目前在建的應(yīng)用閉合母聯(lián)電力系統(tǒng)的動力定位船舶，大多參照DNV·GL規(guī)范及指南中的要求對閉環(huán)電網(wǎng)進行設(shè)計和檢驗。

1.3 船舶閉環(huán)電網(wǎng)的低電壓故障穿越定義

基于陸用電力系統(tǒng)低電壓故障穿越的定義以及各船級社的闡述，可知閉環(huán)船舶電網(wǎng)低電壓故障穿越中的“穿越”，是指沒有故障的電網(wǎng)組成部分保持正常運行狀態(tài)（不發(fā)生新的故障，也不因某些繼電保護設(shè)置而斷開），并貫穿整個故障排除周期。

為此，可對動力定位船舶閉環(huán)電網(wǎng)的低電壓故障穿越作如下定義：在閉環(huán)電力系統(tǒng)發(fā)生電壓跌落時，閉環(huán)電網(wǎng)中的重要設(shè)備能夠持續(xù)保持運行狀態(tài)，直到電網(wǎng)中的故障被準(zhǔn)確定位并切斷隔離，以確保船舶安全不受影響。

2 故障穿越功能要點分析

2.1 故障特性

船舶電力系統(tǒng)故障中最嚴(yán)重、影響最大的為短路故障。在系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，電網(wǎng)中的電流會在短時間內(nèi)依距離短路點位置的不同而產(chǎn)生不同程度的增大，同時電網(wǎng)各節(jié)點的電壓會迅速下降。以下應(yīng)用電腦仿真的方法對電網(wǎng)瞬時低電壓故障時的特性進行分析。

下頁圖2為基于典型船舶閉環(huán)中壓電力系統(tǒng)所搭建的仿真模型，由ETAP軟件實現(xiàn)。

當(dāng)母排2MVSB出現(xiàn)短路故障時，另外兩段母排1MVSB和3MVSB上的電壓將受到影響出現(xiàn)母排電壓跌落。在故障發(fā)生后一定時間內(nèi)，母排2MVSB與1MVSB之間的母聯(lián)開關(guān)以及母排2MVSB與3MVSB之間的母聯(lián)開關(guān)均在電力系統(tǒng)保護裝置的作用下分閘，將故障母排（2MVSB）切除，隨后非故障母排的電壓逐步恢復(fù)。非故障母排全過程的電壓波形見下頁圖3。

圖2 典型船舶閉環(huán)電力系統(tǒng)

圖3 非故障中壓母排電壓波形

圖3坐標(biāo)系中，橫軸為時間，縱軸為母排1MVSB電壓百分比，即標(biāo)幺值（6.6 kV基準(zhǔn)電壓）。

基于仿真模擬實驗，從以下幾個方面對低電壓故障的特性進行分析。

2.1.1 實驗過程

初始情況下，3段6.6 kV中壓母排閉環(huán)連接，除發(fā)電機GEN2外，其余5臺發(fā)電機均在網(wǎng)。實驗開始后1 s時，3臺6 600 V/400 V公用變壓器（1MT、2MT、3MT）投入；2 s時，3臺推進電機（1THR、2THR、3THR）通過6 600 V/710 V推進變壓器投入；3 s時，母排2 MVSB發(fā)生三相故障；3.2 s時，母聯(lián)開關(guān)CB4、CB7、CB8、CB11斷開。實驗?zāi)M過程共10 s。

2.1.2 電壓恢復(fù)特性

在模擬實驗中，母排2MVSB的三相故障被設(shè)定在系統(tǒng)運行3 s時發(fā)生。此時，主電網(wǎng)母排電壓發(fā)生瞬間大幅度跌落，在沒有采取其他系統(tǒng)保護措施的情況下，在極短的時間內(nèi)，母排電壓下降幅度大于90%；而當(dāng)故障被消除后，非故障母排電壓先迅速攀升至一定高度（約62%額定電壓），后在發(fā)電機調(diào)壓的作用下，逐漸趨近額定電壓。

2.1.3 故障影響范圍

由各段母排電壓波形可以看到，當(dāng)母排2MVSB發(fā)生三相故障后，受到影響的除了直接與之相連的中壓母排以及通過6 600 V/400 V變壓器連接的400 V低壓母排，還有通過6 600 V/710 V變壓器連接的推進電機負載。

2.2 功能需求分析

從上述低電壓故障的特性分析出發(fā)，可以從兩個方面對低電壓故障穿越功能的實現(xiàn)進行需求分析：一是電力系統(tǒng)需要穿越的故障時間，二是與各重要設(shè)備在低電壓工況下的承受能力。

2.2.1 穿越時間分析

根據(jù)模擬實驗的電壓波形圖，我們不難得出結(jié)論：電力系統(tǒng)所需要穿越的故障時間，可以分為兩個時間段來計算，即故障排除（Fault Isolation）時間和電壓恢復(fù)（Voltage Recovery）時間。

故障排除時間（tfi）由故障識別時間和故障切除時間組成。在實際項目中，故障的識別和切除是由中壓配電板的繼電保護裝置來完成的，因此這部分時間主要取決于綜合繼電保護裝置的靈敏度、準(zhǔn)確度，以及中壓斷路器的動作相應(yīng)速度。通常而言，閉環(huán)電力系統(tǒng)中對電力系統(tǒng)繼電保護的功能以及裝置選型都具有較高要求，目的就是盡可能地縮短故障排除時間。以ABB公司的綜合繼電保護裝置（REF615系列）搭配真空斷路器（VCB）為例，其故障排除時間可以控制在200 ms以內(nèi)。

閉環(huán)系統(tǒng)的電壓恢復(fù)時間（tvr），可理解為從故障發(fā)生到非故障電網(wǎng)電壓恢復(fù)至正常允許范圍結(jié)束之間的時間，船用設(shè)備的穩(wěn)態(tài)電壓允許范圍一般為 -10%～ +6%。我們以此為依據(jù)，根據(jù)模擬實驗的“電壓-時間”數(shù)據(jù)記錄（見表1），對實驗結(jié)果進行論述：故障母排在第3.2 s被切除，隨后非故障母排開始重新建立電壓；約在3.540 s時，電壓恢復(fù)至額定電壓的90%；約在5.680 s時，電壓回到額定電壓的106%以下，期間母排電壓的最大超調(diào)值約114%；之后，母排電壓逐漸趨于額定電壓，恢復(fù)穩(wěn)定。因而可以得知，在本實驗中電壓恢復(fù)時間為2.5 s左右。

2.2.2 設(shè)備欠壓承受能力分析

在閉環(huán)系統(tǒng)“穿越”故障的時間內(nèi)，所有電網(wǎng)上的設(shè)備均會受到不同程度的影響。為保證在系統(tǒng)完成故障穿越、電壓恢復(fù)正常后，重要設(shè)備（指安全相關(guān)設(shè)備如主推進器等）能在第一時間恢復(fù)正常工作，就要求相關(guān)設(shè)備在欠壓環(huán)境下具有相應(yīng)的低電壓承受能力，以保持備用（Ready）狀態(tài)。

表1 模擬實驗“電壓-時間”參數(shù)對照表

設(shè)備的低電壓承受能力往往是由設(shè)備本身的參數(shù)設(shè)置和其進線端的保護設(shè)置共同決定。當(dāng)設(shè)備的供電電源電壓過低時，應(yīng)確保其進線端的保護裝置不會因這種短時的欠電壓而跳閘，同時也應(yīng)采取有效措施確保設(shè)備本身不會因為進線電源的電壓跌落而進入停機狀態(tài)。

3 故障穿越功能實現(xiàn)方法

基于以上分析，可以得出實現(xiàn)閉環(huán)電力系統(tǒng)的低電壓故障穿越功能的方法，主要從以下幾方面著手。

3.1 系統(tǒng)保護配置

實現(xiàn)故障穿越，不但要求保護系統(tǒng)能夠迅速準(zhǔn)確地找到故障點，同時也要求非故障部分電網(wǎng)保護裝置不能提前動作，這就對系統(tǒng)的保護方案提出了更高的要求。由于系統(tǒng)運行時的電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)為環(huán)形結(jié)構(gòu)，當(dāng)發(fā)生母排故障時，極易產(chǎn)生繼電保護裝置的誤動作，從而導(dǎo)致故障范圍擴大，進而使動力定位、推進等重要系統(tǒng)失效，故障穿越功能更是無從談起。因此，閉環(huán)電網(wǎng)的保護設(shè)置必須滿足：

（1）母排之間聯(lián)絡(luò)開關(guān)的動作時間應(yīng)小于發(fā)電機的動作時間，以免發(fā)電機保護提前動作而引起故障擴散；

（2）母聯(lián)開關(guān)必須設(shè)置方向性保護，配合中壓綜合繼電保護裝置的區(qū)域保護功能，實現(xiàn)母排故障點的準(zhǔn)確定位。

值得一提的是，閉環(huán)電網(wǎng)每一段中壓母排的兩端均需設(shè)置聯(lián)絡(luò)開關(guān)，因此母排間的聯(lián)絡(luò)開關(guān)總是成對出現(xiàn)（如圖2中的CB4與CB7、CB8與CB11、CB3與CB12）。在實際項目中，通常將相同兩段母排間的一對聯(lián)絡(luò)開關(guān)設(shè)為“主-從”關(guān)系，并建立通訊，采用“主-從”開關(guān)同時動作或分時動作的策略應(yīng)對故障工況，實現(xiàn)故障快速切斷。

3.2 發(fā)電機配置

發(fā)電機作為閉環(huán)電力系統(tǒng)的電源，其性能直接決定了電壓恢復(fù)階段的時間長短。在故障被切除后，非故障段母排仍處于欠壓狀態(tài)，此時就需要發(fā)電機的自動調(diào)壓裝置（AVR）參與系統(tǒng)電壓的恢復(fù)，迅速將電壓拉回可接受的范圍之內(nèi)，時間的長短取決于AVR強勵功能的爬坡速度。因此在閉環(huán)電力系統(tǒng)中，發(fā)電機的自動調(diào)壓裝置通常需要選擇高性能數(shù)字式AVR，對其性能參數(shù)進行有效設(shè)置并進行模擬和實際驗證。

3.3 推進系統(tǒng)配置

對于綜合電力推進船舶來講，推進系統(tǒng)包括推進電機變頻驅(qū)動系統(tǒng)以及相關(guān)風(fēng)機、油泵等輔助系統(tǒng)。船用推進電機變頻驅(qū)動系統(tǒng)一般采用帶有直流母排的交-直-交變頻器，具有“動能緩沖”（或稱“能量回饋”）功能，即當(dāng)電源電壓跌落時將推進電機作為發(fā)電機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)動系統(tǒng)始終處于備用（Ready）狀態(tài)。

對于推進系統(tǒng)相關(guān)的風(fēng)機、油泵等輔助設(shè)備，則需要保證其在低壓主匯流排上的供電開關(guān)在故障穿越過程中不動作跳閘，通常采用配電柜接入不間斷電源為控制回路供電、設(shè)備饋電開關(guān)不設(shè)欠壓保護或為欠壓保護設(shè)置適當(dāng)?shù)难訒r等方式。

4 結(jié) 語

閉環(huán)電力系統(tǒng)作為一種高效、節(jié)能、可靠的供電方案，越來越多地應(yīng)用于動力定位船舶中，而低電壓故障穿越功能是該系統(tǒng)安全性的重要指標(biāo)之一。

本文通過對各規(guī)范、要求的研究，提出閉環(huán)電網(wǎng)低電壓故障穿越的定義，并利用計算機仿真實驗的手段對實現(xiàn)故障穿越功能的要點進行詳細分析，最后對其在實船上的實現(xiàn)方法進行探究，可為動力定位船舶閉環(huán)電網(wǎng)的設(shè)計提供一定的借鑒和參考。