При глубоководной добыче нефти и газа плавучие системы добычи, хранения и отгрузки нефти (FPSO) всё чаще интегрируют ветроэнергетику для снижения выбросов углерода и зависимости от традиционной топливной энергетики. Однако непостоянство ветроэнергетики и высокая степень проникновения силовой электроники сделали энергосистемы FPSO более восприимчивыми к отклонениям частоты и колебаниям напряжения. Частотно-регулируемые приводы (ЧРП), традиционно используемые для управления скоростью двигателей, превратились в критически важных защитников стабильности благодаря применению инновационных стратегий управления. В данной статье рассматриваются активные фронтальные ЧРП (AFE-VFD) и их технология управления частотой, напряжением и переменной мощностью, а также объясняется, как они обеспечивают баланс между интеграцией ветроэнергетики и стабильностью системы на морских нефтегазовых платформах.
I. Проблемы энергосистем на нефтегазовых платформах: интеграция ветроэнергетики и новая роль
Традиционные плавучие системы добычи, хранения и отгрузки нефти (FPSO) используют газотурбинные генераторы, обеспечивающие высокую инерционность и устойчивость системы. Интеграция плавучих ветроэлектростанций мощностью 50 МВт, состоящих из ветровых турбин мощностью 10 МВт и синхронных генераторов на постоянных магнитах, преобразила энергетические структуры. Ветроэнергетика, снижая углеродный след, снижает эквивалентную постоянную инерции системы, поскольку генераторы, работающие через преобразователь, не добавляют инерционности, тем самым повышая чувствительность к колебаниям частоты.
Этот сдвиг переопределил роль частотно-регулируемых приводов (ЧРП), приводящих в действие критически важное оборудование, такое как насосы для нагнетания воды. В отличие от диодных частотно-регулируемых приводов (DFE-VFD), которые обеспечивают только плавный пуск и регулирование скорости, частотно-регулируемые приводы с активным электроприводом (AFE-VFD) обеспечивают работу в четырёх квадрантах, низкий уровень гармонических искажений и управляемую реактивную мощность, что делает их интеллектуальными интерфейсами между двигателями и сетью. В типичных морских системах добычи, хранения и отгрузки нефти (FPSO) два крупных частотно-регулируемых привода с активным электроприводом (AFE-VFD) (например, мощностью 16 МВА) могут обеспечить широкий диапазон регулирования реактивной мощности, поддерживая устойчивость системы в условиях возмущений.
II. Основные стратегии управления частотно-регулируемыми приводами: от регулирования одной скорости до многомерной стабилизации
Преобразователи частоты AFE-VFD повышают стабильность системы благодаря трем встроенным функциям управления, позволяя в режиме реального времени реагировать на динамику сети, сохраняя при этом производительность двигателя.
1. Управление напряжением и переменной мощностью: стабилизация напряжения
Эта функция корректирует реактивную мощность в зависимости от отклонений напряжения, используя кусочно-линейную кривую. При падении напряжения на шине ниже 0,95 о.е. (на единицу) преобразователи частоты AFE-VFD выдают максимальную индуктивную реактивную мощность; при превышении 1,05 о.е. они поглощают реактивную мощность. Зона нечувствительности (0,975–1,025 о.е.) предотвращает ненужную корректировку. Опыт эксплуатации показывает, что это значительно снижает колебания напряжения, улучшая стабилизацию напряжения в установившемся режиме на всей платформе.
2. Управление частотой и переменной: смягчение колебаний
Разработанная для решения проблем с малой инерцией, эта стратегия связывает реактивную мощность с отклонениями частоты. На частотах ниже 59 Гц преобразователи частоты с активным электроприводом (AFE-VFD) создают индуктивную реактивную мощность; на частотах выше 61 Гц они поглощают реактивную мощность для стабилизации частоты. Зона нечувствительности (59,5–60,5 Гц) минимизирует помехи в установившемся режиме. Во время отключений генератора эта функция повышает минимально допустимую частоту (надир частоты) и снижает скорость изменения частоты (RoCoF), повышая устойчивость системы.
3. Комбинированное управление частотой, напряжением и реактивной мощностью: баланс стабильности и точности
Эта интегрированная стратегия отдаёт приоритет поддержке частоты во время переходных процессов (когда частота превышает 59,5–60,5 Гц) и переключается на управление по изменению напряжения в установившемся режиме. Это снижает колебания напряжения более чем на 30% по сравнению с автономным управлением частотой, одновременно улучшая минимальную частоту и увеличивая момент инерции системы по сравнению с управлением только напряжением, что обеспечивает сбалансированную производительность.
III. Полевые испытания: характеристики частотно-регулируемого привода во время помех
Моделирование на морских плавучих системах добычи, хранения и отгрузки нефти (FPSO) демонстрирует эффективность приводов AFE-VFD во время критических событий, таких как внезапное отключение генератора (с 3 до 2 единиц) или отключение ветряных турбин (с 5 до 4 единиц):
- Без частотно-регулируемых приводов : напрямую подключенные двигатели обеспечивают некоторую инерцию, но вызывают большие колебания напряжения из-за отсутствия регулирования реактивной мощности.
- Работа с единичным коэффициентом мощности : AFE-VFD не обеспечивают поддержки стабильности, что приводит к снижению частоты и повышению RoCoF.
- С управлением частотой-напряжением-вар : достигается оптимальный баланс — стабилизируется изменение напряжения, улучшается нижний предел частоты и снижается RoCoF, что обеспечивает более быстрое восстановление.
Примечательно, что все настройки VFD выполняются без использования средств связи и опираются на локальные измерения, что позволяет избежать рисков задержек в морских условиях.
IV. Практические рекомендации: выбор и оптимизация частотно-регулируемых приводов (AFE-VFD) для морских платформ
Чтобы максимально повысить устойчивость приводов AFE-VFD, примите во внимание следующие ключевые факторы:
1. Выбор
Установите приоритеты для AFE-VFD с:
- Четырехквадрантный режим работы для двунаправленного потока мощности;
- Низкий уровень гармонических искажений (THD ≤5%), что позволяет избежать загрязнения сети;
- Полный диапазон реактивной мощности для гибкого регулирования.
2. Настройка
- Зоны нечувствительности : установите зону нечувствительности по напряжению на ±2,5% (0,975–1,025 о.е.) и зону нечувствительности по частоте на ±0,83% (59,5–60,5 Гц);
- Скорость отклика : обеспечьте полосу пропускания токового контура ≥1 кГц для быстрой регулировки реактивной мощности.
3. Установка и обслуживание
- Защита окружающей среды : используйте принудительное воздушное охлаждение с пылевыми фильтрами для работы в условиях морской влажности (диапазон рабочих температур от -10 ℃ до 40 ℃);
- Резервирование : используйте конфигурацию N+1 для критически важных насосов, чтобы минимизировать время простоя;
- Мониторинг : Интеграция данных VFD в системы управления FPSO для отслеживания напряжения, частоты и реактивной мощности в режиме реального времени.
Заключение: частотно-регулируемые приводы как краеугольный камень перехода
По мере роста доли ветроэнергетики в плавучих системах добычи, хранения и отгрузки нефти (FPSO) преобразователи частоты (AFE-VFD) с управлением по частоте, напряжению и реактивной мощности (VAR) становятся незаменимыми. Благодаря регулированию реактивной мощности они одновременно повышают стабильность напряжения и устойчивость к перепадам частоты без необходимости использования дополнительного оборудования. Дальнейшие разработки в области адаптивных алгоритмов и виртуальной эмуляции инерции ещё больше повысят их роль, позволяя морским нефтегазовым платформам достигать целей как устойчивости, так и надёжности. Выбор правильной стратегии управления преобразователями частоты (VFD) в настоящее время критически важен для успешной интеграции возобновляемых источников энергии в морские проекты.
Если вы ищете решения с частотно-регулируемым приводом для интеграции ветроэнергетики на морских платформах, оставьте свои вопросы или требования к проекту ниже. Компания Hengrong Electric CO., LTD. оперативно ответит вам и поможет разработать оптимальную стратегию выбора преобразователя частоты!