动力定位船闭环电网故障穿越功能实现方法探究

庞 路 宋依群

（1.上海交通大学 电子信息与电气工程学院 上海200240；2.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

引 言

近年来，社会各界对节能减排的重视与日俱增，船舶制造业也在对相关技术的应用进行探索和研究。闭环供电方案，作为一种日趋成熟的船舶电网设计方案，因其能够大大优化船舶主发电机组的使用策略、减少在网发电机组数量和使用时长，而越来越多地被应用于动力定位船舶和平台的大型供电网络设计中，并已逐步成为船舶电网技术的发展趋势。

低电压故障穿越（Low Voltage Ride Through），无论从现行船级社规范还是实船安全可靠性角度出发，都是闭环船舶电网设计的重点功能之一。本文基于规范要求，从电网故障特性、系统功能需求等方面入手，结合相关设备特点，对闭环电网故障穿越功能的实现方法进行探究，以期为动力定位船舶闭环电网的设计工作提供一定的帮助。

1 低电压故障穿越的定义

低电压故障穿越在船舶电力系统设计中属于较新的概念，目前各船级社规范中仅对采用闭环电网设计的动力定位船舶提出电网低电压故障穿越功能的要求，却未对此功能作出明确定义，从而在一定程度上影响了电气设计师对于规范要求的理解；此外，在一些文章中甚至对此概念出现“张冠李戴”的现象，给设计人员造成困扰。因此，有必要先明确低电压故障穿越的定义。

1.1 陆用电力系统中的定义

在陆上电网系统（特别是近年来新兴的风电并网电力系统）设计中，对低电压故障穿越功能已有明确的国家标准（GB）要求，相关技术要求在船舶闭环电力系统故障穿越的研究中有一定借鉴意义。

我国国家标准《GB/T 19963-2011_风电场接入电力系统技术规定》［1］中对低电压穿越的定义为：“当电力系统事故或扰动引起并网点电压跌落时，在一定的电压跌落范围和时间间隔内，风电机组/风电场能够保证不脱网连续运行。”该标准中对风电场低电压穿越的要求参见图1，具体为：

（1）风电场并网点电压跌至20%标称电压时，风电场内的风电机组应保证不脱网连续运行625 ms；

（2）风电场并网点电压在发生跌落后2 s内能够恢复到标称电压的90%时，风电场内的风电机组应保证不脱网连续运行。

图1 风电场低电压穿越要求

1.2 船级社规范中的要求

对于闭合母联技术应用的船级社规范支撑，近年来逐步走上正轨。以挪威船级社为代表，一系列具有针对性的闭合母联技术要求在各船级社规范中逐步完善。目前，各船级社在规范中对故障穿越能力均提出了相应要求。

1.2.1 中国船级社

近年来，中国船级社（CCS）《钢制海船入级规范》对动力定位船舶闭合母联电力系统的描述不断完善。在《钢制海船入级规范2019年修改通报》［2］中，对动力定位船舶闭合母联电力系统的要求有较为详细的说明。规范在第8篇《其他补充规定》的第11章“动力定位系统”中提到：“对于DP-3附加标志……应对故障模式与影响分析的结论进行实船验证，以确认系统保护功能的有效性、故障穿越能力、双重保护的独立性、各保护间的协调及对故障的监测。”

1.2.2 美国船级社

美国船级社（ABS）在规范《Guide for Dynamic Positioning Systems》中，对DP-3动力定位系统以及增强型DP-2、DP-3动力定位系统（Enhanced System，EHS）中的闭环电网故障穿越能力提出了要求。ABS规范要求DP-3以及增强型DP-2、DP-3动力定位系统中的闭合母联电力系统应具有故障穿越能力：所有动力定位系统所必要的设备应具有故障穿越能力，以允许系统在欠压保护动作前切除短路故障。系统短路故障所引起的暂态低电压不会造成电机起动器或其他驱动装置失效。［3］

1.2.3 挪威船级社

挪威船级社（DNV·GL）针对闭环动力定位系统的设计要求，于2015年4月出版了隶属海洋工程技术指南《Offshore Technical Guidance，OTG》的设计指导文件《DNVGL-OTG-10 DP-Classed Vessels with Closed Bus-Tie（s）》。该文件就不同动力定位等级的船舶，有针对性地提出闭合母联电力系统的设计要求。［4］

对于低电压故障穿越，OTG-10中列出了比较具体的要求，特别针对动力定位船舶的故障模式分析（Failure Mode and Effect Analysis，FMEA）指出，需要通过低电压故障穿越功能，在系统设计中避免因暂态电压跌落导致以下问题：

（1）变频器脱扣；

（2）推进器在动力定位控制系统中不可用；

（3）电机及其他重要设备脱扣；

（4）欠压保护系统计划外动作；

（5）直流系统及UPS系统的短路电压降。

挪威船级社OTG系列文件对于动力定位船舶中的闭合母联电力系统进行详细阐述，内容涵盖设计基础、功能要求、设计方法和检验方式等，在工程实践中具有很强可操作性。现有和目前在建的应用闭合母联电力系统的动力定位船舶，大多参照DNV·GL规范及指南中的要求对闭环电网进行设计和检验。

1.3 船舶闭环电网的低电压故障穿越定义

基于陆用电力系统低电压故障穿越的定义以及各船级社的阐述，可知闭环船舶电网低电压故障穿越中的“穿越”，是指没有故障的电网组成部分保持正常运行状态（不发生新的故障，也不因某些继电保护设置而断开），并贯穿整个故障排除周期。

为此，可对动力定位船舶闭环电网的低电压故障穿越作如下定义：在闭环电力系统发生电压跌落时，闭环电网中的重要设备能够持续保持运行状态，直到电网中的故障被准确定位并切断隔离，以确保船舶安全不受影响。

2 故障穿越功能要点分析

2.1 故障特性

船舶电力系统故障中最严重、影响最大的为短路故障。在系统发生短路故障时，电网中的电流会在短时间内依距离短路点位置的不同而产生不同程度的增大，同时电网各节点的电压会迅速下降。以下应用电脑仿真的方法对电网瞬时低电压故障时的特性进行分析。

下页图2为基于典型船舶闭环中压电力系统所搭建的仿真模型，由ETAP软件实现。

当母排2MVSB出现短路故障时，另外两段母排1MVSB和3MVSB上的电压将受到影响出现母排电压跌落。在故障发生后一定时间内，母排2MVSB与1MVSB之间的母联开关以及母排2MVSB与3MVSB之间的母联开关均在电力系统保护装置的作用下分闸，将故障母排（2MVSB）切除，随后非故障母排的电压逐步恢复。非故障母排全过程的电压波形见下页图3。

图2 典型船舶闭环电力系统

图3 非故障中压母排电压波形

图3坐标系中，横轴为时间，纵轴为母排1MVSB电压百分比，即标幺值（6.6 kV基准电压）。

基于仿真模拟实验，从以下几个方面对低电压故障的特性进行分析。

2.1.1 实验过程

初始情况下，3段6.6 kV中压母排闭环连接，除发电机GEN2外，其余5台发电机均在网。实验开始后1 s时，3台6 600 V/400 V公用变压器（1MT、2MT、3MT）投入；2 s时，3台推进电机（1THR、2THR、3THR）通过6 600 V/710 V推进变压器投入；3 s时，母排2 MVSB发生三相故障；3.2 s时，母联开关CB4、CB7、CB8、CB11断开。实验模拟过程共10 s。

2.1.2 电压恢复特性

在模拟实验中，母排2MVSB的三相故障被设定在系统运行3 s时发生。此时，主电网母排电压发生瞬间大幅度跌落，在没有采取其他系统保护措施的情况下，在极短的时间内，母排电压下降幅度大于90%；而当故障被消除后，非故障母排电压先迅速攀升至一定高度（约62%额定电压），后在发电机调压的作用下，逐渐趋近额定电压。

2.1.3 故障影响范围

由各段母排电压波形可以看到，当母排2MVSB发生三相故障后，受到影响的除了直接与之相连的中压母排以及通过6 600 V/400 V变压器连接的400 V低压母排，还有通过6 600 V/710 V变压器连接的推进电机负载。

2.2 功能需求分析

从上述低电压故障的特性分析出发，可以从两个方面对低电压故障穿越功能的实现进行需求分析：一是电力系统需要穿越的故障时间，二是与各重要设备在低电压工况下的承受能力。

2.2.1 穿越时间分析

根据模拟实验的电压波形图，我们不难得出结论：电力系统所需要穿越的故障时间，可以分为两个时间段来计算，即故障排除（Fault Isolation）时间和电压恢复（Voltage Recovery）时间。

故障排除时间（tfi）由故障识别时间和故障切除时间组成。在实际项目中，故障的识别和切除是由中压配电板的继电保护装置来完成的，因此这部分时间主要取决于综合继电保护装置的灵敏度、准确度，以及中压断路器的动作相应速度。通常而言，闭环电力系统中对电力系统继电保护的功能以及装置选型都具有较高要求，目的就是尽可能地缩短故障排除时间。以ABB公司的综合继电保护装置（REF615系列）搭配真空断路器（VCB）为例，其故障排除时间可以控制在200 ms以内。

闭环系统的电压恢复时间（tvr），可理解为从故障发生到非故障电网电压恢复至正常允许范围结束之间的时间，船用设备的稳态电压允许范围一般为 -10%～ +6%。我们以此为依据，根据模拟实验的“电压-时间”数据记录（见表1），对实验结果进行论述：故障母排在第3.2 s被切除，随后非故障母排开始重新建立电压；约在3.540 s时，电压恢复至额定电压的90%；约在5.680 s时，电压回到额定电压的106%以下，期间母排电压的最大超调值约114%；之后，母排电压逐渐趋于额定电压，恢复稳定。因而可以得知，在本实验中电压恢复时间为2.5 s左右。

2.2.2 设备欠压承受能力分析

在闭环系统“穿越”故障的时间内，所有电网上的设备均会受到不同程度的影响。为保证在系统完成故障穿越、电压恢复正常后，重要设备（指安全相关设备如主推进器等）能在第一时间恢复正常工作，就要求相关设备在欠压环境下具有相应的低电压承受能力，以保持备用（Ready）状态。

表1 模拟实验“电压-时间”参数对照表

设备的低电压承受能力往往是由设备本身的参数设置和其进线端的保护设置共同决定。当设备的供电电源电压过低时，应确保其进线端的保护装置不会因这种短时的欠电压而跳闸，同时也应采取有效措施确保设备本身不会因为进线电源的电压跌落而进入停机状态。

3 故障穿越功能实现方法

基于以上分析，可以得出实现闭环电力系统的低电压故障穿越功能的方法，主要从以下几方面着手。

3.1 系统保护配置

实现故障穿越，不但要求保护系统能够迅速准确地找到故障点，同时也要求非故障部分电网保护装置不能提前动作，这就对系统的保护方案提出了更高的要求。由于系统运行时的电网拓扑结构为环形结构，当发生母排故障时，极易产生继电保护装置的误动作，从而导致故障范围扩大，进而使动力定位、推进等重要系统失效，故障穿越功能更是无从谈起。因此，闭环电网的保护设置必须满足：

（1）母排之间联络开关的动作时间应小于发电机的动作时间，以免发电机保护提前动作而引起故障扩散；

（2）母联开关必须设置方向性保护，配合中压综合继电保护装置的区域保护功能，实现母排故障点的准确定位。

值得一提的是，闭环电网每一段中压母排的两端均需设置联络开关，因此母排间的联络开关总是成对出现（如图2中的CB4与CB7、CB8与CB11、CB3与CB12）。在实际项目中，通常将相同两段母排间的一对联络开关设为“主-从”关系，并建立通讯，采用“主-从”开关同时动作或分时动作的策略应对故障工况，实现故障快速切断。

3.2 发电机配置

发电机作为闭环电力系统的电源，其性能直接决定了电压恢复阶段的时间长短。在故障被切除后，非故障段母排仍处于欠压状态，此时就需要发电机的自动调压装置（AVR）参与系统电压的恢复，迅速将电压拉回可接受的范围之内，时间的长短取决于AVR强励功能的爬坡速度。因此在闭环电力系统中，发电机的自动调压装置通常需要选择高性能数字式AVR，对其性能参数进行有效设置并进行模拟和实际验证。

3.3 推进系统配置

对于综合电力推进船舶来讲，推进系统包括推进电机变频驱动系统以及相关风机、油泵等辅助系统。船用推进电机变频驱动系统一般采用带有直流母排的交-直-交变频器，具有“动能缓冲”（或称“能量回馈”）功能，即当电源电压跌落时将推进电机作为发电机向变频器直流母排回馈能量，以保证在故障穿越期间变频驱动系统始终处于备用（Ready）状态。

对于推进系统相关的风机、油泵等辅助设备，则需要保证其在低压主汇流排上的供电开关在故障穿越过程中不动作跳闸，通常采用配电柜接入不间断电源为控制回路供电、设备馈电开关不设欠压保护或为欠压保护设置适当的延时等方式。

4 结 语

闭环电力系统作为一种高效、节能、可靠的供电方案，越来越多地应用于动力定位船舶中，而低电压故障穿越功能是该系统安全性的重要指标之一。

本文通过对各规范、要求的研究，提出闭环电网低电压故障穿越的定义，并利用计算机仿真实验的手段对实现故障穿越功能的要点进行详细分析，最后对其在实船上的实现方法进行探究，可为动力定位船舶闭环电网的设计提供一定的借鉴和参考。