鹽城大豐港船舶岸電系統(tǒng)實施方案及相關(guān)問題分析

周紅勇，周 耀（.國網(wǎng)鹽城供電公司，江蘇 鹽城 4005；.江蘇安方電力科技有限公司，江蘇 泰州 5300）

鹽城大豐港船舶岸電系統(tǒng)實施方案及相關(guān)問題分析

周紅勇1，周 耀2
（1.國網(wǎng)鹽城供電公司，江蘇 鹽城 224005；2.江蘇安方電力科技有限公司，江蘇 泰州 225300）

現(xiàn)在越來越多的港口可以實現(xiàn)船舶?？科陂g關(guān)閉自身的柴油發(fā)動機，而由提供可靠清潔的高壓岸電系統(tǒng)進行連接。介紹了船舶岸電系統(tǒng)供電技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用情況，江蘇大豐港船舶岸電系統(tǒng)的電氣結(jié)構(gòu)及總體設(shè)計方案關(guān)鍵技術(shù)，并對船岸同期并網(wǎng)以及安全聯(lián)鎖等控制方式進行了分析。

河港；高壓船舶岸電系統(tǒng)；同期并網(wǎng)；安全聯(lián)鎖

近年來，港口建設(shè)的步伐越來越快，船舶?？看a頭的數(shù)量和密度大幅增加，燃油消耗造成大量廢氣和顆粒物排放，船舶岸電系統(tǒng)（Alternative marine power（AMP）system）作為一種可以有效減少港口污染物排放的技術(shù)，不僅是各港口可持續(xù)發(fā)展的重要舉措，也是構(gòu)建綠色低碳港區(qū)、協(xié)調(diào)港口與城市發(fā)展的戰(zhàn)略部署，具有重大的社會效益和經(jīng)濟效益。

船舶岸電系統(tǒng)供電技術(shù)是指船舶靠港期間，停止使用船舶發(fā)電機，改用港口電網(wǎng)電源供電，港口提供岸電電源的電壓、頻率、功率等能夠滿足船舶停泊后所必需的全部電力設(shè)施用電需求。

1 國內(nèi)應(yīng)用情況

我國隨著經(jīng)濟的發(fā)展，海上運輸業(yè)越來越繁忙，船舶能耗對我國的污染也越來越引起人們的重視，岸電上船技術(shù)逐步得到推廣應(yīng)用。我國的一些港口也開始在岸電電源方面進行有意義的探索，并取得一定的經(jīng)驗和經(jīng)濟效益。

2009年，青島港招商局首先完成了5 000 t級支線集裝箱船舶接岸電的改造任務(wù)，以低壓岸電上船進行了試用。2010年上海港務(wù)集團與中國海運集團在上海港外高橋港區(qū)對低壓船舶岸基供電設(shè)施進行了試驗。深圳蛇口集裝箱碼頭有限公司也在交通運輸部的支持下開始實施船舶岸電上船項目。

2010年10月24日，江蘇連云港采用高壓岸電上船方式的岸電供電方式，在“中韓之星”客貨兩用船上（滾裝碼頭）實施并成功應(yīng)用。由于采用高壓岸電上船方式，獲得節(jié)能減排岸電專項獎勵，并被確定為部級港口綠色技術(shù)。緊接著連云港港又與河北遠洋公司的18萬t級的“富強中國”號船舶合作開發(fā)和研制第二套船舶岸基供電系統(tǒng)。2011年9月24日在連云港港接駁岸電成功，這套系統(tǒng)仍然是采用高壓岸電上船方式。

上海港在集裝箱碼頭采用低壓上船方式研制出一套移動式的岸基供電方式后，目前也在研制高壓上船的供電方式。廣州港集團公司在岸基供電方面也在積極籌備，計劃在新沙三期開展船舶岸基供電技術(shù)的應(yīng)用。

相比較國外的其它港口岸電上船發(fā)展應(yīng)用情況，我國的岸電上船工作起步相對較晚。但是伴隨著我國經(jīng)濟迅速發(fā)展，交通運輸部政策的大力扶持，岸電上船在我國港口的應(yīng)用空間比較大，必將全面展開。

2 總體方案

鹽城大豐港區(qū)一期糧食碼頭后方主變電所已考慮增設(shè)岸電系統(tǒng)設(shè)施的容量余量，主變電所輸出10 kV/50 Hz高壓電源進入岸電系統(tǒng)，該岸電系統(tǒng)主要由10 kV電源單元、高壓變頻電源單元（含濾波單元）及6.6 kV出線單元組成，其中10 kV電源單元具有計量與保護功能。10 kV/50 Hz電源經(jīng)過高壓變頻電源及濾波裝置，輸出為6.6 kV/60 Hz電源，送至高壓岸電箱。同時，出線單元下端增加一臺6.6 kV/0.44 kV、60 Hz、630 kVA的降壓變壓器，0.44 kV/60 Hz電源輸出至碼頭前沿低壓岸電箱系統(tǒng)流程如圖1。其系統(tǒng)構(gòu)成部分與原理如下。

（1）10 kV電源開關(guān)柜：10 kV/50 Hz電源先進入配電房內(nèi)的高壓開關(guān)柜，由高壓開關(guān)柜控制高壓通斷。同時10 kV高壓開關(guān)柜配有計量裝置，實現(xiàn)系統(tǒng)用電的實時計量。

（2）移相變壓器：移相變壓器是絕緣等級為H級的干式變壓器，在變壓器中，具有相同標號的副邊繞組相位一致，標號不同的副邊繞組之間則具有一定的相位差，這樣就可以消除電網(wǎng)中因功率單元內(nèi)電力電子器件工作而產(chǎn)生的諧波電流，使輸入電壓、電流的總諧波含量（THD）遠小于國家標準的要求，并且能保持接近1的輸入功率因數(shù)，極大提高了網(wǎng)側(cè)電源的供電質(zhì)量。實測的高壓變頻電源裝置輸入電壓波形和電流波形如圖2、圖3所示。

圖1 電源輸出至碼頭前沿低壓岸電箱系統(tǒng)流程

圖2 高壓變頻電源裝置輸入電壓波形

圖3 高壓變頻電源裝置輸入電流波形

（3）功率單元柜：電網(wǎng)電壓經(jīng)過二次側(cè)隔離變壓器移相降壓后向功率單元供電，功率單元為三相輸入、單相輸出的交—直—交PWM電源型逆變器結(jié)構(gòu)。將相鄰功率單元的輸出端串接起來，形成Y型結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)變壓變頻的高壓直接輸出，供給三相負載。各功率單元分別由輸入變壓器的一組二次繞組供電，功率單元之間及變壓器二次繞組間相互絕緣。此技術(shù)優(yōu)點是每個變頻功率單元比較穩(wěn)定可靠，功率單元的串聯(lián)個數(shù)決定變頻電源的輸出電壓。輸入功率單元由18個獨立的功率單元組成，各單元之間具有互換性，便于維修更換，可以在短時間內(nèi)進行維護，每一個功率單元都由主控制系統(tǒng)統(tǒng)一控制，保證輸出完整的正弦波。圖4為功率單元原理圖。

圖4 功率單元原理圖

（4）智能控制柜：內(nèi)置主控系統(tǒng)，用來控制每個功率單元的輸出，以保證電源的質(zhì)量。控制系統(tǒng)人機界面友好，電網(wǎng)運行管理員可簡單、方便地操作。主回路開關(guān)量信號引至柜內(nèi)專門的端子上，便于上傳中心集控動態(tài)模擬屏顯示?？刂破饔?2位高速數(shù)字信號處理器（DSP）、專用大規(guī)模集成電路、觸摸屏和可編程邏輯控制（PLC）共同組成。DSP實現(xiàn)無速度傳感器矢量控制相關(guān)的算法，專用大規(guī)模集成電路實現(xiàn)多電平PWM控制，觸摸屏實現(xiàn)高壓變頻器和用戶的交換?？刂破骱凸β蕟卧g采用高速光纖通信，控制部分和高壓部分電氣上完全隔離，系統(tǒng)具有極高的安全性和抗干擾能力。

（5）濾波柜：變頻器額定輸出電壓6 600 V，額定輸出電流140 A，輸出頻率50/60 Hz；每相6個單元串聯(lián)，每個功率單元開關(guān)頻率為50 Hz。濾波柜設(shè)計考慮：①輸出接有變壓器，可以采用LC拓撲的濾波器，省掉一個電抗器；②因頻率含量固定且諧波頻率與基波頻率相差很大，可以省略阻尼電阻，以簡化結(jié)構(gòu)設(shè)計和熱設(shè)計；③電容中心點接地，可以抑制共模分量。

（6）岸電箱：岸電箱是岸電系統(tǒng)末端配電裝置，擔當供電與船岸信號連接的任務(wù)。箱內(nèi)裝有快接電纜插座，與船舶電纜連接簡單、快捷、可靠，僅需一人即可完成船岸連接的操作。該岸電專用插座、插頭通過信號接觸插芯來實現(xiàn)電氣互鎖，在連接和斷開的實際操作過程中，信號接觸插芯是最晚連接也是最早斷開的。在信號接觸插芯電路未接通的情況下，變頻電源的輸出開關(guān)柜不能合閘或在合閘位置自動斷開，這樣就確保了電氣連接的安全。由于岸電箱安裝在碼頭前沿，其外形設(shè)計緊湊，防護等級較高。

（7）電纜卷筒：電纜卷筒裝置用于連接船舶和岸電箱。其中，電纜為特殊定制的含信號傳輸?shù)木碥噷Ｓ萌嵝噪娎|，電纜岸電連接側(cè)裝有與岸電箱插座相匹配的快速插頭?？紤]到碼頭潮位落差變化和海風(fēng)大浪引起的船舶搖擺，電纜卷筒裝置還具備檢測電纜張力并根據(jù)張力自動排纜功能，確保岸電系統(tǒng)供電期間，船舶波動起伏情況下仍可以安全供電。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 變頻高壓供電技術(shù)

采用段元串聯(lián)多電平技術(shù)，屬于直接高壓電壓源型變頻調(diào)速裝置，直接高壓輸入，不需輸出變壓器。大豐港岸電電源由18個功率單元組成，每6個功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相，三相構(gòu)成Y型，直接輸出6.6 kV電源。原理結(jié)構(gòu)圖5。

圖5 段元串聯(lián)多電平技術(shù)原理圖

3.2 雙頻供電技術(shù)

利用50 Hz港口交流電網(wǎng)對靠港船舶進行岸電供電，實現(xiàn)大功率50 Hz/60 Hz岸電變頻供電，額定輸出頻率可以變頻調(diào)節(jié)，實現(xiàn)50 Hz或60 Hz切換。

3.3 穩(wěn)頻穩(wěn)壓技術(shù)

通過對變頻器應(yīng)用宏的編程，使普通變頻器具有變頻電源的使用功能，如：電壓調(diào)節(jié)功能，電源的輸出電壓不會因為負載的增大而下降。而且在一定范圍內(nèi)，輸出電壓和頻率都可以獨立調(diào)整。

3.4 抗電網(wǎng)波動技術(shù)

變頻電源按照我國的電網(wǎng)情況進行特殊設(shè)計，大幅度提高了其抗電網(wǎng)波動的能力，做到電壓波動在±10%以內(nèi)時，變頻器可以維持滿額輸出。電網(wǎng)電壓降落在-35%以內(nèi)時，變頻器都短時降額運行，若電網(wǎng)電壓低于65%額定電壓時欠壓保護。20 s內(nèi)電網(wǎng)恢復(fù)正常，則重新按照設(shè)定的參數(shù)，自行啟動，復(fù)到原來的工作狀態(tài)。

3.5 岸電快速、安全連接技術(shù)

采用快速接頭實現(xiàn)大功率電力的快速連接；設(shè)計恒張力專用電纜卷筒實現(xiàn)電纜的快速安全連接，并實現(xiàn)供電期間，船舶波動起伏情況下的安全供電。

3.6 功率單元自動旁路技術(shù)

為提高運行可靠性和安全性，變頻電源具有內(nèi)部功率模塊旁路功能，當任意某個功率單元故障時或控制元件損壞的情況下，能保證變頻電源不停機且連續(xù)穩(wěn)定運行，詳細的功能如下：運行過程中如功率模塊發(fā)生故障，變頻電源采用中心點自動偏移技術(shù)，為保證三相輸出電壓平衡，自動調(diào)整中性點位置，如圖6所示。當將一個故障模塊單元旁路后系統(tǒng)降額至額定的93%繼續(xù)運行。2個單元旁路80%降額運行。從而，有效提高模塊故障情況下的系統(tǒng)載荷，最大限度的降低因功率單元故障給生產(chǎn)帶來的不利影響。

圖6 功率單元自動旁路技術(shù)模塊

3.7 船岸自動并車技術(shù)

變頻電源具備精準的鎖相技術(shù)，變頻電源可以精確識別船舶電源幅值、頻率、相位等參數(shù)，并且準確發(fā)出并網(wǎng)指令，自動切斷船電，實現(xiàn)岸電船電無擾動并車。

4 變頻電源自動并車條件及分析

為了保證船舶接用岸電過程中不停電，大豐港船舶岸電系統(tǒng)配備了自動并車功能。

4.1 船舶岸電并網(wǎng)條件

岸電并網(wǎng)是船舶發(fā)電機與岸電電源之間的同期并聯(lián)，其并聯(lián)的首要條件之一就是相序一致。

同期并列前的斷路器兩側(cè)的電壓分別為：

發(fā)電機側(cè)電壓

岸電電源側(cè)電壓

式中：UGm為發(fā)電機側(cè)電壓最大值；USm為岸電電源側(cè)電壓最大值；ωG為發(fā)電機電壓角速度；ωS為岸電電源電壓角速度；ΦG為發(fā)電機電壓初相角；ΦS為岸電電源電壓初相角。

發(fā)電機與岸電電源的電壓相量差Ud為

Φ是發(fā)電機側(cè)電壓與岸電電源側(cè)電壓的當前相角差值。在船電與岸電的合閘時刻，要盡量保持它們之間沒有瞬時電壓差，即Ud=0，此時沒有沖擊電流產(chǎn)生，是最理想的并車合閘時刻。從公式（3）可知，瞬時電壓差主要取決于合閘時船電與岸電之間的瞬時電壓差、頻率差以及相角差，從而可以得到理想情況下準同期并聯(lián)操作實現(xiàn)船電與岸電電源準同步方式必須滿足以下4個條件：①待并網(wǎng)船舶發(fā)電機的電力相序必須與岸電電源的相序保持一致；②待并網(wǎng)船舶發(fā)電機電壓與岸電電源的電壓幅值相等；③待并網(wǎng)船舶發(fā)電機頻率與岸電電源的頻率相等；④待并網(wǎng)船舶發(fā)電機相角與岸電電源的相角一致。

在實際的同步并車操作過程中，船舶發(fā)電機的相序可以保證與岸電電源完全一致，其余的2個條件電壓差、頻率差和相角差應(yīng)小于某一個設(shè)定值，從而使合閘沖擊電流處于系統(tǒng)可以承受的范圍。

4.2 并網(wǎng)條件分析

同步并網(wǎng)避免了在合閘的過程中產(chǎn)生巨大的沖擊電流，對電網(wǎng)、發(fā)電機以及船上的用電設(shè)備具有重要意義，能夠保持系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。下面對準同步并網(wǎng)方式岸電電源并網(wǎng)條件進行分析。

（1）相序是指交流電的瞬時值從負值向正值變化經(jīng)過零值的依次順序，其也表現(xiàn)為發(fā)電機和電網(wǎng)三相電壓達到最大值的順序。發(fā)電機和電網(wǎng)的相序不同時進行并網(wǎng)是非常嚴重的情況，會使發(fā)電機受到嚴重的損傷。在進行岸電與船電的并網(wǎng)之前必須首先檢查其相序是否一致。如果出現(xiàn)相序接錯或者缺相供電，船上的所有電動機可能會出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)或者缺相運行，導(dǎo)致船舶上電力拖動裝置的電氣或者機械受損。

（2）假設(shè)船電和岸電的頻率、相位均相等的情況下，船電和岸電的電壓幅值不相等。如圖7為船舶使用岸電時的電路等效圖，此時船舶使用發(fā)電機所產(chǎn)生的電力，斷路器QF1導(dǎo)通，QF2斷開。在斷路器QF2兩端的電壓幅值不相等時，UG與US不相等，此時如果進行強行并車，斷路器Q合閘的瞬間必然后產(chǎn)生一個電壓差Ud。公式（3）可以簡化為

假設(shè)發(fā)電機的繞組暫態(tài)電抗Xd，線路的電抗為Xl，岸電電源系統(tǒng)的等值阻抗為XS，且假設(shè)US＞UG，則其產(chǎn)生的沖擊電流的有效值Iip為

僅當電壓不相等，即UG與US不相等使船電與岸電同步并車，在岸電電源與船舶發(fā)電機之間沖擊電流Iip。由于環(huán)流的回路主要是感抗，所以Iip滯后Ud約90°，是一個無功電流，且其方向與船舶發(fā)電機本身的電流方向相反。無功沖擊電流會產(chǎn)生一個電動力，當沖擊電流過大時，就可能使船舶發(fā)電機的繞組端部變形損壞。

（3）假設(shè)船電和岸電的電壓幅值、頻率相等，相位不等，UG=US，fG=fS。在合閘的瞬間，船電和岸電之間存在一個相角差Φ，此時電壓相量如圖8。

當相角差不為0時，公式（3）進行簡化后可以得到

此時，由于fG=fS，所以ωG-ωS=0，相角差ΔΦ= ΦG-ΦS，則式（6）可以簡化為

圖7 船電與岸電連接時電路等效圖及電壓差分析

圖8 相角不相等時的電壓相量圖

則此時的沖擊電流為

由圖7可知，假設(shè)船舶電壓的相角超前岸電電源Φ，在并車合閘時會產(chǎn)生一個電壓差Ud，同樣的會產(chǎn)生一個沖擊電流Iip，沖擊電流Iip的滯后Ud約90°，其可以分解為一個無功電流Iipq和一個有功電流Iip。從圖7中可知，其有功電流占絕大部分。Iipq與發(fā)電機電流方向一致，有功電流Iip使船舶發(fā)電機產(chǎn)生有功功率，從而使發(fā)電機的轉(zhuǎn)速降低，最終使船電和岸電相位同步進入并聯(lián)運行。當Φ=0°時，沖擊電流為0，當功Φ=180°時，沖擊電流最大，此時是不能進行同步并網(wǎng)的。過大的相角差可能會產(chǎn)生較大幅度的相對擺動，甚至使船舶發(fā)電機發(fā)生失步，發(fā)電機組的轉(zhuǎn)子發(fā)生扭轉(zhuǎn)。準同步并車一般要限制在±10°左右。

（4）假設(shè)船舶和岸電的電壓相等，初始相角一樣，頻率不相等。即

UG=US，ΦG=ΦS其頻率差為 fd=fS-fG，即角速度差ωd=ωS-ωG。則經(jīng)過t時刻后船電與岸電之間的電壓相角差為：φ=ωdt，這種狀態(tài)與相角差不為0時同步的狀況相似。圖9為頻率不相等時的電壓相量圖。

圖9 頻率不相等時的電壓相量圖

在此時，公式（3）根據(jù)條件可化簡為

通過上述分析，理論上岸電電源與船舶電源同步應(yīng)該使雙方的相序、電壓、相位、頻率嚴格相等。但是在實際的并車操作過程中，相序必須保持一致：岸電與船電電壓差一般要求不大于±5%～± 10%；頻率差一般要求不大于±0.2～±0.5 Hz；相角差一般小于±10°。

5 經(jīng)濟效益分析

船舶使用岸電，將成為綠色生態(tài)型港口發(fā)展的趨勢。對到港船舶實施岸電技術(shù)防治污染的可行性，已經(jīng)被國內(nèi)外的專家學(xué)者所論證，甚至已經(jīng)被一些國家和地區(qū)先行使用。推廣岸電技術(shù)，對節(jié)能減排、綠色經(jīng)濟和環(huán)境治理，有著重大經(jīng)濟效益和社會效益。

本項目的經(jīng)濟效益主要體現(xiàn)在船方用岸電后節(jié)約的發(fā)電費用。船舶的自備發(fā)電機發(fā)電效率較低，并且隨著近年來國際原油價格不斷攀升，船舶自帶發(fā)電機發(fā)電成本日益高昂。以港口電網(wǎng)供電代替?zhèn)鹘y(tǒng)的自備燃油機發(fā)電機供電，一是節(jié)約船舶靠港供電的成本，二是可以直接節(jié)省船舶自身發(fā)電設(shè)施的維護費用。隨著國家多項鼓勵節(jié)能政策的實施，岸電應(yīng)用的經(jīng)濟效益將會越來越明顯。

根據(jù)大豐港提供的一期碼頭船舶資料，船舶靠港停泊的年用電量合計為183.801 6萬kWh。相較原燃油輔機發(fā)電的運行方式節(jié)約運行成本約231.59萬元。

6 社會效益分析

（1）建設(shè)綠色循環(huán)低碳港口的重要舉措

港口岸電的建設(shè)將進一步提高大豐航線的開發(fā)、合作及交流優(yōu)勢，極大地支持大豐市低碳城市經(jīng)濟的發(fā)展，更好的為江蘇發(fā)展需要服務(wù)。

（2）提高城市環(huán)境質(zhì)量，節(jié)能減排環(huán)保效益突出

例如：4250TEU集裝箱船停港期間平均功率消耗為1 000 kW。泊位利用率按照交通部的《港口工程技術(shù)規(guī)范》確定取值范圍，取折衷值0.58，全年停靠船舶212天，折成小時為5 088 h，船舶用電量508.8萬kWh。

（3）抵御國際油價的波動

相比船舶的自備發(fā)電機，專業(yè)電廠機組的發(fā)電效率較高，排放處理更加專業(yè)高效。從船舶業(yè)主的角度來看，國際原油價格的不斷攀升也造成了靠港船舶使用燃油發(fā)電成本不斷升高，使用岸電技術(shù)，也會降低船舶靠港的運營成本。

（4）改善港口工人的工作環(huán)境

靠港期間船舶柴油發(fā)電機產(chǎn)生的巨大噪聲因港口岸電技術(shù)消失不見，相關(guān)系統(tǒng)可大大減輕船員工作量，船舶無震動無噪音，船員生活質(zhì)量得到提高的同時，設(shè)備使用壽命也得到有效延長。此外，港口工人的工作環(huán)境也得到很大的改善，在一定程度上體現(xiàn)了“以人為本”的理念。

7 結(jié)束語

船舶岸電系統(tǒng)的研制與應(yīng)用是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，集變頻、配電、保護、監(jiān)控、船舶改造于一體，其節(jié)能減排效益已倍受國際國內(nèi)環(huán)境組織和政府部門的關(guān)注，船舶靠泊碼頭時使用岸電必將是未來發(fā)展的趨勢。大豐港船舶岸電系統(tǒng)的成功投運將為船舶岸電系統(tǒng)的推廣應(yīng)用提供一個有效的案例參考。

［l］ 夏國明.供配電技術(shù)［M］.第二版.北京：中國電力出版社，2007.

［2］ 龐科旺.船舶電力系統(tǒng)設(shè)計［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2010.

［3］ 張一禾.我國現(xiàn)階段船舶利用岸電問題探討［J］.中國水運，2010（9）：22-23.

［4］ 包起帆，江霞.上海港岸基船用供電系統(tǒng)研究與實踐［J］.水運工程，2010（5）：11-16.

（本欄責(zé)任編輯 孫 晶）

Yancheng dafeng port marine shore power system implementation plan and related problem analysis

ZHOU Hong?yong1，ZHOU Yao2
（1.State Grid Yancheng Power Supply Company，Yancheng 224005，China；2.Jiangsu Anfang Electric Power Technology Co.，Ltd.，Taizhou 225300，China）

Now more and more ports can realize ship docked closed during their diesel engines，and provide reliable clean high voltage shore power system connection.The article mainly introduces the power supply system of shore power system technology in domestic application situation，yancheng dafeng port marine shore power system electrical structure，and overall design scheme of key technology.The article analyzes the grid connected ship and safety interlock control mode.

river port；High pressure vessel shore power system；At the same time grid；Safety interlock

2016-03-01

F407.61；TK018

B

10.3969/j.issn.1009-1831.2016.04.008