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摘要：随着现代技术的高速发展，以综合电力推进技术为代表的海洋工程船舶已逐步成为当今高技术船舶动力系统发展的主流趋势。本文针对海洋工程船舶复杂的变频驱动、中性点接地、零序保护、谐波抑制等关键技术进行相关分析与研究，为后续综合电力推进系统的设计提供参考。
关键词：海洋工程船；综合电力推进系统；关键技术
船舶综合电力推进系统（又称综合电力系统）是指将电力系统和推进系统有机结合起来，由共同的发电机组供电，实现能源综合利用和统一管理，满足所有负荷如推进系统、El用负载、通信导航负载以及舰载武器需要的一种全电力系统。船舶综合电力推进系统由于其固有的优势已成为船舶动力系统发展的趋势。本文将对海洋工程船舶综合电力系统的一些关键技术进行分析与研究。
1综合电力推进系统简介
本文以某大型挖泥船船综合电力推进系统为例，对于目标船来说，该系统
包括7200kW中压柴油发电机组3台，采用冗余设计、高低压交流供电网络，并具有DP1动力定位能力，该船除了配置大功率主推进负载外，还包含各种其它大功率负载，如定位锚绞车、大功率挖泥设备、伸缩式推进、艏侧推等，其非线性负载占整个负载的比例在80%以上，该系统为了避免低压系统所带来的大电流困扰，采用6.6kV中压电制，使系统额定电流降低，减少电缆数目；另外，由于挖泥、起重和定位绞车等设备变频驱动设备较多，其多台大功率变频电机集中分布，考虑到工程船舶空间有限、降低总体成本、提高冗余度等因素，采用区域直流配电系统。
2综合电力系统关键技术
2.1变频驱动技术
对于海洋工程船舶，除了推进器等变频驱动外，还有很多变频驱动设备，此时会考虑采用区域直流配电系统，其通常包括变压器、整流器、直流母线、逆变器、斩波电路、制动电阻和负载设备等。中压配电板通过联络电缆向区域直流配电中心输送电能，该中心负责电能变换和分配。区域直流配电系统适合多台大功率变频电机集中分布的情况，例如海洋工程船舶的挖泥和推进等设备同时驱动多个电机，采用直流配电板供电技术给各逆变器统一供电，能够实现多台电机的馈电共享和循环利用，缓解传统变频控制装置的负面影响，降低电网侧变压器规格的要求，减少穿插电缆的数量和变频设备的数量，降低系统滤波复杂程度，总体上具有优化系统构架，降低设计建造成本，提高系统的生命力等特点。
2.2中性点接地技术
对海洋工程船舶电力系统而言，同步发电机是最重要的设备之一，确定高阻接地阻值时应先从保证发电机的安全性的角度出发。采用发电机中性点经高阻接地，一要限制弧光接地过电压的倍数，二要限制故障电流，同时满足继电保护的要求。根据国际上相关试验数据，发电机在1.5UN（2.6倍相电压）及以下过电压被认为是安全的，一般作用于发电机的过电压不宜超过2.6倍相电压。总之，高电阻接地以限制单相接地的故障电流为目的，因此原则上应该满足：通过高阻接地装置的电流等于或稍大于系统的电容电流。因此，如何确定系统的电容电流就成为确定接地电阻的关键。
正常工作情况下，3相电缆对地电容构成回路，通过中性点电流是平衡的非常小，当L3相发生接地短路时，其电容Cj3=0，另外两非故障相电压升高
倍，此时通过中性点电流IO已达到一定值，因此，有必要选择合适的电阻进行监测接地故障电流并进行相应的保护动作。
中高压电力系统贡献的总的容性电流包括电缆、发电机、变压器等，经查阅相关资料，中压变压器对地电容小于0.001μF，工程上一般忽略其贡献的容性电流。
2.3系统保护技术
2.3.1纵联差动保护
根据相关IEC标准和船级社规范，对发电机的容量超过1500kVA的，应设置内部短路故障保护。另外，对于综合电力系统而言，会采用大量的大容量发电机组和变压器，此时也应根据相关规范进行内部短路故障保护。纵联差动保护其原理为当线路PQ正常运行以及被保护线路外部（K2点）短路时，按规定的电流正方向看，P侧电流为正，Q侧电流为负，两侧电流大小相等、方向相反，即
根据原理可以写出继电器的动作方程如下：
2.3.2零序保护
对于海洋工程船舶中高压电力系统来说，除了特殊船舶外，大多采用中性点接地处理方式，当发生单相或两相接地故障时，在系统中会产生较大的零序电流和零序电压。因此可以根据整个供电系统的网络结构，制定系统的接地故障的选择性保护策略。对于海洋工程船舶中高压环形供电网络，一般规定流向母排的电流方向为正方向，取母排上的零序电压为参考向量，当接地故障发生在发电机支路或跨接支路时，对故障点来说都可以看成是两侧甚至多侧电源供电的，采用带方向接地故障保护，利用零序功率方向来判别方向，将信号输入给综合继电保护装置，完成相关保护动作，当故障发生在跨接线路之间时，两跨接断路器会同时脱扣，如果系统检测到零序功率方向是反方向时，说明接地故障发生在主母排，此时跨线线路零序功率反方向支路和故障中压配电板进线跨接断路器同时脱扣，将中压配电板与供电网络系统隔离，从整个系统安全角度考虑此时会采用母线上的零序电压保护作为其接地故障的后备保护，从而实现接地故障的选择性保护。
2.4谐波抑制技术
目前，综合电力推进系统在海洋工程船舶上的广泛应用，其电力推进功率约占电力系统总容量的80%左右，由此带来的是电力电子设备所产生的大量谐波问题，其对船舶电力系统会产生较大的危害，使电网波形受到污染，影响各种用电设备的正常工作。因此必须针对综合电力推进系统研究谐波及其治理，采取有效措施，抑制并防止电网因谐波所造成的严重后果。当前，国内外普遍采用电网总谐波电压THD指标来评价电网的电能质量分析，大多数船级社对于中高压电网汇流排THD不能超过10%，对于低压日用电网汇流排上的THD小于5%。船用变频器抑制谐波的方法主要有补偿性和预防型。补偿性即外加滤波器，又分为无源滤波和有源滤波器。预防型即从电力系统本身出发，设计不产生谐波的交流器。
结论
本文介绍了海洋工程船舶综合电力推进系统的一些关键技术，以大型挖泥船综合电力系统为例，阐述了中高压电力系统的系统保护、接地技术、谐波抑制等方面进行了分析和研究。未来的大容量、高电压综合电力推进系统将会面临更多的实际问题，在吸收、消化现有的保护、控制、监控等技术条件下，开发或引进更先进的技术是必然的趋势，为海洋工程船舶用电设备提供充足可靠高质量的电源作保证。
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论文作者:白民权
论文发表刊物:《电力设备》2018年第22期
论文发表时间:2018/12/6
标签：系统论文; 海洋工程论文; 船舶论文; 电流论文; 电力系统论文; 故障论文; 谐波论文; 《电力设备》2018年第22期论文;