岸電上船工程的技術(shù)分析

徐凱

摘 要：當(dāng)前，在國(guó)家日益重視節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)的大背景下，船舶使用岸電能夠有效地降低停船靠碼頭期間帶來的污染。本文結(jié)合深圳某臨海電廠，重點(diǎn)對(duì)岸電上船工程技術(shù)進(jìn)行了分析，以期為我國(guó)岸電上船工程的實(shí)現(xiàn)起到一定的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：電廠煤碼頭；岸電上船；技術(shù)分析

中圖分類號(hào)：U665 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

一艘大輪船?？看a頭后通常要馬上卸貨。這時(shí)候船上仍有部分機(jī)械設(shè)備要運(yùn)轉(zhuǎn)，船員生活也要用電。所以船上的內(nèi)燃機(jī)并不能馬上停車，仍然要燃燒油料來發(fā)電。一般來說，輪船這種重型負(fù)荷使用的油料雜質(zhì)很多，俗稱重油，其燃燒后產(chǎn)生的廢氣對(duì)空氣的污染要比汽油嚴(yán)重得多。這種污染在近年來逐漸被人們所重視。國(guó)家交通部、環(huán)保部在近年來先后制定了“岸電上船”的試行技術(shù)規(guī)范和鼓勵(lì)政策?！鞍峨娚洗?，顧名思義，就是將岸上的電源接上船，為船上的負(fù)荷供電；船上的內(nèi)燃機(jī)停車，以減少對(duì)空氣污染。

正是在這種背景下，本著對(duì)社會(huì)負(fù)責(zé)的態(tài)度，深圳某臨海電廠在2014年底啟動(dòng)了“煤碼頭岸電上船”工程，決定在煤碼頭南北泊位各建一套岸電系統(tǒng)。對(duì)煤碼頭來說，“岸電上船”似乎就是給煤船接一個(gè)臨時(shí)電源；而這對(duì)專業(yè)搞電的電廠來說，簡(jiǎn)直就是小菜一碟。但實(shí)際情況卻沒那么簡(jiǎn)單，就目前情況而言，國(guó)內(nèi)幾家試點(diǎn)岸電上船的項(xiàng)目還沒有能稱得上成功的。

一、工程的難點(diǎn)

岸電電源取自電廠的廠用電6kV配電段備用開關(guān)柜，分別敷設(shè)電纜到煤碼頭的南北泊位，在南北泊位各建一個(gè)配電室，內(nèi)有降壓變壓器和電源型變頻器，之后輸出400V、60Hz的電流到碼頭前沿插座箱，再通過3根截面積為185mm2的連接電纜將電流送到船上（連接電纜可以從船向碼頭放，也可以從碼頭向船上放。本工程是從船上向碼頭放）。接線示意圖如圖1所示。

對(duì)本工程而言，原理較簡(jiǎn)單，但實(shí)施起來大體有以下兩大困難：

（一）變頻

我國(guó)實(shí)行的電流頻率是50Hz，當(dāng)然我司的廠用電頻率也是50Hz，而船上設(shè)備大多采用歐美標(biāo)準(zhǔn)的60Hz，所以岸電上船前必須進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換。這不能用普通的變頻器，要用專門開發(fā)的電源型變頻器，頻率保持60Hz不變，但要能忍受較大負(fù)荷的啟動(dòng)電流，能帶大負(fù)荷。

（二）從岸船連接電纜的處理

船舷離碼頭實(shí)際上還有幾米寬的距離，再加上船面比地面高，電纜是斜著上船的。輪船剛到碼頭時(shí)裝滿煤，吃水深，船面比碼頭地面高3m左右；隨著卸煤，船面逐漸升高，最終船面比地面高8m，再加上受波浪的影響，船本身也是在起伏的，在這個(gè)過程中要求電纜能不斷自動(dòng)放長(zhǎng)或收縮。電纜放長(zhǎng)了，電纜彎曲度過大，且要落進(jìn)海水；放短了，電纜本身容易受到拉扯。3根幾十米長(zhǎng)截面積為185mm2的銅電纜很重，先是要在船到岸時(shí)迅速將電纜送到岸上接好，后是要在船離岸時(shí)將電纜收到船上。由于空間所限，又不能在碼頭上建起重機(jī)。

二、變頻電源技術(shù)分析

通過對(duì)船上負(fù)荷的分析，對(duì)變頻電源器的技術(shù)要求如下：

（一）本次岸電采用SVPWM控制的基本原理

脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM）在整流和逆變電源中廣泛應(yīng)用，其基于沖量相等效果相同的采樣控制理論，即沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在慣性環(huán)節(jié)上時(shí)，輸出的相應(yīng)波形基本相同。PWM電路基本上是電壓型的。

以逆變電路為例，通過IGBT對(duì)直流電壓進(jìn)行開關(guān)控制，控制其輸出的脈沖寬度（占空比），即可控制輸出交流電壓的頻率和相位。為了獲得所需要的波形，通常將所需要的波形作為調(diào)制信號(hào)，并對(duì)高頻率的載波進(jìn)行調(diào)制。理想的載波是等腰三角波，因?yàn)榈妊遣ㄉ舷聦挾扰c高度成線性關(guān)系且左右對(duì)稱，當(dāng)它與低頻的調(diào)制波相交時(shí)，在交點(diǎn)時(shí)刻控制IGBT的通斷，就可以得到寬度正比于調(diào)制波幅值的脈沖，從而輸出與調(diào)制波一模一樣的波形。這就是俗稱的SVPWM控制。

（二）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和濾波技術(shù)

本工程擬采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，降壓變壓器輸出690V、50Hz交流，通過整流再逆變實(shí)現(xiàn)690V、60Hz輸出，再經(jīng)過隔離降壓變壓器，輸出440V、60Hz上船。整流橋采用690V輸入是一個(gè)成熟的技術(shù)方案，這個(gè)電壓在風(fēng)電中廣泛使用。根據(jù)SVPWM的電壓利用率，690V的輸入電壓對(duì)應(yīng)約1000V的直流母線電壓，這樣，在保證IGBT的工作電壓安全裕度下，充分降低工作電流。針對(duì)本工程的800kVA的容量，整流和逆變采用單橋即可滿足要求。

整流橋前的LCL濾波器實(shí)際上具有BOOST升壓的功能，udc還可以適當(dāng)抬高，根據(jù)IGBT的額定電壓水平，各廠家的Ud有差異。斬波器Chopper回路是為低電壓穿越而設(shè)計(jì)的。在雙饋型風(fēng)機(jī)中，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)短路時(shí)，一方面，風(fēng)機(jī)定子的直流分量將引起轉(zhuǎn)子顯著的交流分量而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子過流，進(jìn)而引起udc過壓；另一方面，逆變器為了抑制直流電壓，導(dǎo)致其輸出電流增大，引起IGBT過流。因此必須采取措施來限制轉(zhuǎn)子的過電流和直流側(cè)的過電壓，通過Chopper導(dǎo)通電阻是措施之一，另外一個(gè)措施是轉(zhuǎn)子使用跨接器（Crowbar）導(dǎo)通三相滅磁電阻來吸收轉(zhuǎn)子的能量。

本工程采用Chopper來應(yīng)對(duì)輸出側(cè)短路時(shí)，直流母線出現(xiàn)的過電壓，但這個(gè)拓?fù)洳⒉荒軓母旧辖鉀Q逆變器IGBT的過流問題，后面將對(duì)該問題進(jìn)行論述。

（三）核心元器件

變頻器的主要核心器件如下：

1 IGBT

IGBT作為變頻器的核心器件，目前供應(yīng)基本都是國(guó)外廠家，包括英飛凌、三菱、ABB以及西門康等。隨著國(guó)內(nèi)高鐵、新能源發(fā)電的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)IGBT需求巨大，中國(guó)已經(jīng)成為國(guó)際主流IGBT廠家的最大市場(chǎng)。目前低壓變頻器中廣泛使用的IGBT型號(hào)為德國(guó)英飛凌（infineon）公司，型號(hào)FF1400R17IP4，額定電壓：1700V，額定電流1400A。

2 直流儲(chǔ)能電容

直流儲(chǔ)能電容作為AC-DC-AC拓?fù)渲兄绷鲀?chǔ)能環(huán)節(jié)，需要承擔(dān)一定的直流電壓和峰值電流。同時(shí)直流電容作為儲(chǔ)能元件，影響產(chǎn)品的壽命。目前國(guó)內(nèi)主流廠家目前基本都采用薄膜電容作為直流儲(chǔ)能電容，薄膜電容具有額定電壓高、有效電流大以及壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。主要來自國(guó)外EPCOS、AVX以及ELECTRONICON等廠家。薄膜電容的設(shè)計(jì)壽命一般是10萬小時(shí)/85度，目前進(jìn)口品牌電解電容壽命標(biāo)稱為105度/5000小時(shí)。薄膜電容是近幾年才批量使用的產(chǎn)品，之前都是使用電解電容。部分國(guó)外公司的產(chǎn)品目前還基于電解電容。

3 LCL濾波器

LCL濾波器單元作為變頻器重要組成部分，承擔(dān)濾波作用，完成對(duì)入網(wǎng)或負(fù)荷側(cè)的諧波處理，主要由電感、電容組成。目前主要選用國(guó)外公司的電抗器與電容器，如電抗器采用芬蘭Trafotek公司產(chǎn)品，以確保產(chǎn)品可靠。

4 EMI濾波器

變頻器作為系統(tǒng)設(shè)備，根據(jù)相關(guān)電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)，需要關(guān)注EMI問題，需要在輸入和輸出側(cè)配置EMI濾波器。目前EMI廠家以國(guó)外的EPCOS和schaffner為主。

5 斷路器及接觸器

為了和船上的設(shè)備統(tǒng)一，變頻電源器的主開關(guān)和接觸器一般選擇ABB的產(chǎn)品。

三、連接電纜的連接和收放

岸船連接用的380V電纜平時(shí)是以卷盤形式收在船的甲板上，靠岸后需要一圈一圈從卷盤中抽出放到岸上。普通的電纜是銅芯，又粗又硬，無法方便快捷地收放。所以必須選用特殊的柔性電纜。如果直接從船上向下放電纜，由于船弦和岸有幾米的距離，電纜由于自身重力，很可能掉到海水里，應(yīng)由一根鋼絲繩將電纜牽引到岸上來。所以岸上還需要安裝一個(gè)卷揚(yáng)機(jī)。

隨著卸貨，船會(huì)升高，連接電纜也應(yīng)伸長(zhǎng)，否則就會(huì)被拉直受力，甚至?xí)焕瓟唷Ｋ噪娎|卷盤還應(yīng)能在電纜受一定拉力后能自動(dòng)放電纜。如果船舶發(fā)生了異常漂移，即使卷盤將電纜全部放出后仍不夠長(zhǎng)，電纜仍受力被拉斷，這時(shí)應(yīng)有保護(hù)動(dòng)作來跳開岸上和船上的電源開關(guān)。

結(jié)語

岸電上船是一個(gè)利國(guó)利民的環(huán)保項(xiàng)目，同時(shí)也是一項(xiàng)新興技術(shù)，目前還在不斷的發(fā)展和完善中。該電廠的岸電上船工程完工后試運(yùn)行總體上比較順利，在多方面進(jìn)行了有益的探索，有一定的借鑒意義。

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