张丁标，戴洪祥，蓝巨滔，张育婵
（1.中船黄埔文冲船舶有限公司，广东广州510715；
2.广船国际有限公司，广东广州510715）
为解决资源短缺、排放污染和气候变暖等问题，开发清洁、可再生能源越来越受关注，海上风力发电具有环保清洁、资源丰富、装机容量大、传输距离短、不占用土地资源、风速高且稳定、湍流强度小和视觉及噪声污染少等优势，近年来得到了很多国家的重视。同时，传统的柴油机推进系统占用船舶空间大，能源利用率低，近年来随着电子科学技术的发展，特别是随着电机控制技术、交流变频调速技术和电力电子技术的迅猛发展，船舶电力推进系统在运行效率、机动性和可靠性等方面取得了突破性进展。因此，研发一型配置综合电力推进系统的船舶具有极强的现实意义。
1 200 t自升式风电安装平台是国内最新型高端风电安装平台，入中国船级社，配有动力定位（Dynamic Position，DP）系统（DP1）和1 200 t绕桩吊，是国内第一座桁架式齿轮升降风电安装平台，其总长为84.5 m，型宽为43.3 m，型深为7.6 m，设计吃水为4.7 m，桩腿长为91.5 m，最大作业水深为60 m，主要应用于7 MW及7 MW以下海上风机的打桩、安装和维护等作业中，具有较强的抗风和抗海流冲击能力。
该1 200 t自升式风电安装平台的电力推进系统由主发电机组、主变压器、600 V配电板、能量管理系统（Power Management System，PMS）、主推进电力驱动系统、侧推电力驱动系统、AC 400 V低压配电板、遥控系统和不间断电源等组成。电力推进系统单线图见图1；
电力推进系统设备配置见表1。
图1 电力推进系统单线图
表1 电力推进系统设备配置
由于海上风场作业比较复杂，因此需充分考虑电站的运行模式。海上风电安装平台作业工况通常包括平台移位、升平台、提举和降平台等，每种工况又可根据作业方式的不同进行细分，如平台移位可分为移位、在动力定位模式下进行浮吊和在定位锚机模式下进行浮吊等情况进行精细计算，力求更加合理地确定使用的发电机组数量，降低能耗。
在不同工况下运行不同数量的发电机，根据全船电力负荷计算的各工况下的发电机数量统计结果见表2，各台发电机的功率均为1 550 kW。
表2 1 200 t自升式风电安装平台各作业工况下的发电机数量
配电系统为全船提供电能，包含配电板和PMS。5台1 550 kW主柴油机发电机组（发电机组非供货范围）作为主电源，为全船提供600 V、50 Hz的电源，经2台AC 600 V／AC 230 V的1 250 kVA主变压器降压，给全船400 V和230 V负载配送电能。由于整船的供电系统设备繁多、负载运行工况多变，借助PMS可高效、集中、自动化地管理全船电网。PMS控制站设在集控室内，发电机组、推进系统等重要电力设备的运行状态可实时监控，并自行对设备的运行情况和功率进行调整，确保船舶电网稳定、可靠运行，避免出现瘫船等重大安全事故和隐患。
该船配置有1套AC 600 V配电板，分为3段母排，其中1＃～4＃桩腿升降机由左右配电板供电，1 200 t吊机由左右配电板共同供电。因此，当配电板中的某段母排出现故障时，可由另一段母排供电，确保平台在海上作业或起升下降时供电的安全性和可靠性。
电力驱动系统包括主推进和侧推的变频器、电机和推进器，变频方案通常有2种，一种是虚拟24脉冲整流变频，另一种是有源前端（Active Front End，AFE）变频。虚拟24脉冲变频器包含移相变压器、线电抗器、二极管整流桥模块、快速熔断器、直流回路电抗器、直流回路电容器、绝缘型双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）、逆变器模块和输出du／dt滤波器；
AFE变频器采用有源滤波器加IGBT整流，利用对IGBT晶闸管的控制实现对输入电压的调制解调，从而精确控制直流母线电压，同时大大减少由变频器产生的谐波电流，被称为低谐波变频器。
本文所述风电安装平台通过综合考虑，其变频器采用AFE型式的变频方案，不仅能省去移相变压器，节省空间，而且其谐波远低于虚拟24脉冲变频器，可有效降低电网的谐波含量，在使用吊机、推进设备等大负载的情况下能充分满足电网谐波电压含量THD（Total Harmonic Distortion）小于8%、单次谐波小于3%的指标要求。此外，主电网是AC 600 V配电，考虑到市场上推进电机的主流电制为690～660 V，若按AC 600 V匹配，则电机选型需要升档，这会导致成本增加。因此，利用AFE变频器的整流单元的增压（boost）功能提升整流单元输出的直流电压，使变频器的输出电压维持在AC 690 V左右，这样不仅有利于推进电机的选型和日用设备维护，充分发挥AFE变频器的优势，而且能为整个推进系统提供较大的提升空间。
船舶电力系统的短路电流计算是整个系统安全性判断、断路器设计整定和设备选择校验的重要依据。
由于本文所述平台的电站容量高达5×1 550 kW，且配置的主要设备的数量和功率非常大，因此需对主配电板的主母排短路电流进行精心计算，防止选用不合适的主配电板造成重大损失。该船通过计算软件ETAP12.6.0，依据IEC 61363-1进行计算，选用以下工况。
工况：在“升平台作业”工况下发生短路故障（此时电网短路电流值最大），此时5台主发电机并联运行，MSB 600 V母联开关合闸，1台主变压器运行，MSB 380 V母联开关合闸，MSB 380 V等效电机功率约为900 kW，1台主照明变压器运行。具体短路电流计算图见图2。
图2 短路电流计算图
经仿真计算，主配电板母排B1.1（MSB 600 V-A）和B1.2（MSB 600 V-B）的短路电流I＝60.61 kA，通过与主配电板厂协商，最终选用主配电板母排短路电流为85 kA的主配电板。
本文所述平台设置有3台主推进器、2台侧推器、1台1 200 t绕桩吊和4台打桩器，3台定位锚等设备均采用变频驱动，变频设备众多，使用工况复杂，会产生大量谐波，对全船的电网、电机、电子设备和通信设备造成严重的影响，需全面考虑导致全船谐波产生的各种情况。根据中国船级社的要求，交流电气设备应能在供电电源的电压谐波成分不大于8%的情况下正常工作。当电源的谐波成分可能大于8%时，应注意设备的选择，保证其能正常工作。
为尽可能地抑制谐波的产生，主推进系统、侧推系统和4台桩腿升降机采用AFE变频器方案，1 200 t绕桩吊采用12脉冲变频器驱动，3台定位锚机采用6脉冲变频器驱动，根据具体的作业工况采用软件ETAP 12.6.0进行谐波计算。谐波计算结果见表3。
表3 谐波计算结果
根据以上计算结果，在移位操作模式下，THDV数值最大：其600 V配电板谐波的计算结果为6.17%；
400 V配电板谐波的计算结果为4.23%，满足船级社的要求。
随着世界上各行业的环保要求日益严格，人们对海上风电这种清洁能源的需求逐步增强，海上风场正由近海走向深海（离岸距离达到50 km或水深达到50 m的风电场），因此对适用于深海作业的带有综合电力推进系统的海上风电安装平台的需求越来越多，本文涉及的系统组成及相应的计算研究可为此类平台的发展提供一定的参考。
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