高壓交流岸電系統(tǒng)容量及冗余能力研究

馬昊立

（ 中國(guó)船級(jí)社質(zhì)量認(rèn)證公司，上海 200135 ）

高壓交流岸電系統(tǒng)容量及冗余能力研究

馬昊立

（ 中國(guó)船級(jí)社質(zhì)量認(rèn)證公司，上海 200135 ）

船舶高壓岸電額定容量選擇及系統(tǒng)冗余能力對(duì)岸電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性及安全性有著至關(guān)重要的影響。通過(guò)對(duì)靠港船舶的用電數(shù)據(jù)采樣以及穩(wěn)態(tài)用電需求統(tǒng)計(jì)，分析船舶大功率設(shè)備的瞬態(tài)過(guò)程，以確定岸電系統(tǒng)的容量及冗余能力。

高壓交流岸電；節(jié)能減排；容量；冗余能力

0 引言

高壓交流岸電系統(tǒng)作為一種有效的船舶節(jié)能減排措施，在國(guó)際上有較為廣泛的應(yīng)用，我國(guó)電網(wǎng)電制為10kV/35kV 50Hz，國(guó)際航行船舶使用岸電時(shí),需將上述電制轉(zhuǎn)化為440V/6.6kV/11kV 60Hz,這不僅需要進(jìn)行電壓的變化，還需進(jìn)行頻率的變化。變頻電源作為我國(guó)岸電設(shè)施的核心，其電氣特性與單一的變壓器設(shè)備有較大區(qū)別，其抗沖擊能力及過(guò)載能力差，如容量及冗余能力設(shè)計(jì)過(guò)小，將無(wú)法滿足船舶用電需求或引發(fā)供電不穩(wěn)現(xiàn)象。容量及冗余能力過(guò)大，將引發(fā)系統(tǒng)總投資過(guò)大甚至后期電費(fèi)耗損等問(wèn)題。本文通過(guò)分析靠港典型船舶用電特性，得到適合的岸電容量及冗余能力要求，保證岸電設(shè)施安全性、可靠性及經(jīng)濟(jì)性。

1 容量確定

目前，國(guó)內(nèi)岸電設(shè)施容量主要通過(guò)實(shí)船考察配合制造商推薦來(lái)確定，對(duì)船舶負(fù)載變化情況考慮較少，較易因貨物種類(lèi)、季節(jié)變化等原因產(chǎn)生誤差。通過(guò)對(duì)典型船舶負(fù)載特性進(jìn)行分析，引出兩種方法確定岸電容量。

1.1 船舶電力負(fù)荷表

岸電系統(tǒng)的主要功能是在船舶靠港停泊期間，代替船用柴油發(fā)電機(jī)組向船舶電網(wǎng)供電。岸電系統(tǒng)的容量配置關(guān)系到整個(gè)船舶的電力系統(tǒng)及設(shè)備的使用安全。船舶電力負(fù)荷計(jì)算主要采用三種方法：概率法、晝夜航行圖表法和負(fù)荷系數(shù)法。其中，負(fù)荷系數(shù)法被廣泛使用，貫穿船舶設(shè)計(jì)、審圖、建造、檢驗(yàn)全過(guò)程。該方法由船舶設(shè)計(jì)方根據(jù)船舶設(shè)備的實(shí)際工況（包括航行狀態(tài)、工作狀態(tài)、進(jìn)出港狀態(tài)和停泊狀態(tài)等），分別統(tǒng)計(jì)出舾裝設(shè)備、輪機(jī)設(shè)備、空調(diào)冷藏設(shè)備、通訊導(dǎo)航設(shè)備等數(shù)量，通過(guò)分析電動(dòng)機(jī)額定功率、機(jī)械負(fù)荷系數(shù)、電動(dòng)機(jī)負(fù)荷系數(shù)、功率因數(shù)、負(fù)載同時(shí)系數(shù)、所需有功和無(wú)功功率等，以獲得船舶需要配置的主發(fā)動(dòng)機(jī)和備用發(fā)電機(jī)的容量及臺(tái)數(shù)。圖1為某船舶電力負(fù)荷計(jì)算表的結(jié)果。

表1 某型沿海散貨船電力負(fù)荷計(jì)算表（靠泊時(shí)）

由表1可知，岸電容量低于481kW，不應(yīng)向此型船舶供電。高于481kW，應(yīng)向船舶提供使用岸電時(shí)的負(fù)載啟動(dòng)限制要求，避免過(guò)載使用。高于547kW，可不限制船舶負(fù)載的正常使用。通過(guò)搜集靠泊典型船舶的電力負(fù)荷計(jì)算表的方法，可得到岸電設(shè)施的基本容量。

1.2 燃油消耗率

根據(jù)我國(guó)海事部門(mén)要求，船舶應(yīng)對(duì)燃油使用情況進(jìn)行記錄。船舶靠泊期間，燃油消耗主要為柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)電及燃油輔鍋爐燃燒，通過(guò)對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組用油情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可準(zhǔn)確計(jì)算船舶的平均功率。

表2 某品牌柴油發(fā)電機(jī)組參數(shù)表

假設(shè)表1所述船舶，總計(jì)靠泊53h，柴油發(fā)電機(jī)組共消耗燃油4.71t，通過(guò)表2查詢，此型船舶輔機(jī)燃油消耗率為201g/kW*h，53h共計(jì)用電23433°，平均功率為442kW。

通過(guò)以上兩種方法，較為準(zhǔn)確得到靠泊船舶的基本用電需求及平均用電需求，可在岸電設(shè)施的前期規(guī)劃過(guò)程中，找到岸電的經(jīng)濟(jì)容量，提高岸電設(shè)備的使用效率，避免過(guò)度建設(shè)。此外，通過(guò)以上方法，還可配合船舶制訂靠泊時(shí)的用電操作手冊(cè)，避免由于非正常負(fù)載啟動(dòng)，造成船舶失電及其他用電事故。

2 冗余能力設(shè)計(jì)需求

2.1 電網(wǎng)特性差異

多數(shù)船舶是活動(dòng)于水面上的獨(dú)立體，因此船舶電力系統(tǒng)與陸地電力系統(tǒng)有很大差異，主要表現(xiàn)在：

1）船舶電站容量較小單機(jī)負(fù)載大

陸地電源可視為無(wú)限系統(tǒng)，而一般較大的遠(yuǎn)洋船舶主電站通常裝3～5臺(tái)發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量約為400kW～4000kW，船舶電源遠(yuǎn)小于陸地電源。因此船舶電源容量較小，僅視為有限電源系統(tǒng)。此外，船舶中某些用電設(shè)備的單機(jī)負(fù)載較大，其負(fù)載容量接近于單臺(tái)發(fā)電機(jī)容量，當(dāng)這些負(fù)載啟動(dòng)時(shí)，對(duì)船舶電網(wǎng)造成較大沖擊(電壓、頻率跌落等)，局部故障或誤操作極易導(dǎo)致全船斷電，威脅船舶安全。

2）船舶電網(wǎng)線路短保護(hù)配合要求高

與陸地高壓電網(wǎng)相比，船舶電網(wǎng)線路較短，電能損失較小。大多船舶發(fā)電機(jī)輸出電壓、電網(wǎng)電壓、負(fù)載端電壓為同一個(gè)電壓等級(jí)，配電裝置較陸地電網(wǎng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，但在保護(hù)配合方面要求較高。

2.2 設(shè)計(jì)目的及內(nèi)容

在岸電供電過(guò)程中，為保證人員、貨物及船舶設(shè)施的安全，應(yīng)盡量避免由于岸電設(shè)施設(shè)備所引起的船舶斷電事故，這就要求岸電系統(tǒng)具備一定的冗余能力，在系統(tǒng)發(fā)生故障或負(fù)載出現(xiàn)突變時(shí)，能在一定時(shí)間內(nèi)持續(xù)輸出滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電能，且能夠向船舶發(fā)出報(bào)警信號(hào)，保證岸電設(shè)備自身的安全。岸電系統(tǒng)的冗余能力，主要包括故障冗余能力、上級(jí)電源波動(dòng)冗余能力、船岸送電抗沖擊冗余能力、負(fù)載突加，突卸冗余能力。圖1所示為典型的高壓岸電系統(tǒng)示意。

圖1 典型高壓岸電系統(tǒng)示意圖

2.3 故障冗余能力

根據(jù)船舶安全保護(hù)原則，岸電系統(tǒng)應(yīng)對(duì)岸電變頻電源故障及船舶端單相接地故障具備冗余能力。

1）岸電變頻電源故障冗余能力

整流逆變系統(tǒng)是變頻電源的核心部件，主要構(gòu)成型式為IGBT的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由于IGBT元件耐過(guò)壓，過(guò)流能力較差，易發(fā)生故障。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮當(dāng)單一元器件發(fā)生故障時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的冗余供電能力，以下針對(duì)IGBT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)差異進(jìn)行分析。

整流逆變系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在行業(yè)內(nèi)主要有高-低-高及高-高兩種設(shè)計(jì)方法，見(jiàn)圖2及圖3所示。其中高—低—高方案通過(guò)降壓變壓器降壓，多支路IGBT并聯(lián)變換頻率，升壓變壓器升壓，達(dá)到最終的供電要求。高—高方案不進(jìn)行降壓，通過(guò)每相IGBT串聯(lián)變換頻率，隔離變壓器調(diào)整電壓，達(dá)到最終的供電要求。

圖2 典型高-高變頻電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖3 典型高-低-高變頻電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

對(duì)于高低高方案，當(dāng)某支路發(fā)生元件故障時(shí)，應(yīng)將當(dāng)前支路進(jìn)行隔離，由其他支路進(jìn)行供電，此方法易于實(shí)現(xiàn)，但需考慮其他支路總帶載能力，當(dāng)帶載能力不足時(shí)，應(yīng)向船舶發(fā)送報(bào)警信號(hào)，提醒船舶降載。

對(duì)于高高方案，當(dāng)某相IGBT發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)將當(dāng)前IGBT元件進(jìn)行旁路，通過(guò)軟件算法控制，保證供電中性點(diǎn)不偏移，保證供電電能質(zhì)量，此方法需要通過(guò)較多的軟硬件調(diào)整，較難實(shí)現(xiàn)，還需考慮此相其他IGBT元件的耐壓情況，防止由于控制不當(dāng)，總成整相IGBT的損壞。

2）船舶端單相接地故障冗余能力

船舶交流電網(wǎng)有三種線制，即三相絕緣的三相三線制系統(tǒng)、中性點(diǎn)接地的三相四線制系統(tǒng)和以船體為中線回路的中性點(diǎn)接地的三相三線系統(tǒng)。大多船舶采用中性點(diǎn)不接地的三相三線制系統(tǒng)。該系統(tǒng)供電安全可靠，因動(dòng)力與照明系統(tǒng)經(jīng)變壓器隔離，兩者之間沒(méi)有直接電聯(lián)接，相互影響小。特別是易出絕緣故障的照明系統(tǒng)對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的影響較小。同時(shí)，發(fā)生單相接地時(shí)不會(huì)產(chǎn)生短路電流而跳閘，也不影響三個(gè)線電壓的對(duì)稱(chēng)關(guān)系，能最大限度地保持連續(xù)供電。

對(duì)船舶而言，短時(shí)間的單相接地故障是允許的，岸電電源應(yīng)當(dāng)在船舶端發(fā)生單相短路故障時(shí)具備向船舶報(bào)警并正常供電的能力。發(fā)生單相接地后，故障相對(duì)地電壓降低，非故障兩相的相電壓升高。此時(shí)岸電系統(tǒng)的冗余，主要體現(xiàn)在供電電纜電壓等級(jí)方面，根據(jù)GB 50217-2007 《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，岸電系統(tǒng)應(yīng)選用耐壓能力不低于133%額定供電相電壓的供電電纜；在單相接地故障可能持續(xù)8h以上，或發(fā)電機(jī)回路等安全性要求較高的情況，應(yīng)選用耐壓能力不低于173%額定供電相電壓的供電電纜。

2.4 上級(jí)電源波動(dòng)故障

岸電上級(jí)電源或可是碼頭主變電站，也可是陸網(wǎng)專(zhuān)線。如使用陸網(wǎng)專(zhuān)線向變頻電源送電，電能質(zhì)量相對(duì)穩(wěn)定，需考慮的干擾因素較少。相對(duì)于由碼頭主變電站向變頻電源送電的系統(tǒng)，特別是容量緊張的主變電站，在碼頭其他大功率設(shè)備啟動(dòng)或者退出時(shí)，可造成碼頭電網(wǎng)的電壓波動(dòng)及電能質(zhì)量畸變。此時(shí)，需岸電設(shè)備具備一定的電源波動(dòng)冗余能力，在上級(jí)電源發(fā)生變化時(shí)，輸出電能質(zhì)量依舊能夠滿足船舶需求。根據(jù)船舶電氣規(guī)范，建議岸電設(shè)備在表3工況下可正常供電。

表3 岸電系統(tǒng)適應(yīng)上級(jí)電源波動(dòng)工況表

2.5 船岸送電抗沖擊

岸電上船在行業(yè)內(nèi)主要有兩種方式：船岸無(wú)縫切換及船舶斷電切換。

船岸無(wú)縫切換指船舶電站不斷電，通過(guò)同步裝置，使船岸相位角一致后進(jìn)行并車(chē)，通過(guò)調(diào)整發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，將負(fù)載轉(zhuǎn)移到岸電側(cè)后船舶發(fā)電機(jī)組退出電網(wǎng)的過(guò)程。岸電退出時(shí)是上述過(guò)程的逆向工作。

船舶斷電切換指船舶發(fā)電機(jī)完全退出電網(wǎng)后，接入岸電。

在上述工作的進(jìn)行過(guò)程中，易發(fā)生有功能量的沖擊及無(wú)功能量的沖擊，岸電系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備一定的抗沖擊冗余能力，以下分別就有功能量沖擊及無(wú)功能量沖擊發(fā)生的具體工況進(jìn)行分析：

1）有功能量沖擊發(fā)生原因及處理方法

有功能量的沖擊主要發(fā)生在船岸無(wú)縫切換的過(guò)程中，當(dāng)并車(chē)時(shí)岸電相位角落后于船電，船舶電站向岸電設(shè)施倒灌能量，一般稱(chēng)為逆功率。如逆功率過(guò)大，導(dǎo)致岸電保護(hù)，甚至導(dǎo)致岸電設(shè)施燒毀。此時(shí)，岸電的抗有功沖擊冗余能力體現(xiàn)在系統(tǒng)足夠的電壓頻率調(diào)整范圍及逆功率吸收能力。為防止逆功率的產(chǎn)生，岸電設(shè)施在并車(chē)前應(yīng)考慮其電壓略高于船電電壓，頻率略高于船電頻率，并具備在負(fù)載轉(zhuǎn)移過(guò)程中穩(wěn)定電壓頻率輸出的能力。如不能完全達(dá)到上述目的，岸電電源應(yīng)配備適宜的吸收裝置，完成船岸切換。

2）無(wú)功能量沖擊發(fā)生原因及處理方法

用電設(shè)備均根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作，如配電變壓器、電動(dòng)機(jī)等，依靠建立交變磁場(chǎng)才能進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換和傳遞。為建立交變磁場(chǎng)和感應(yīng)磁通而需要的電功率稱(chēng)為無(wú)功功率，無(wú)功能量的沖擊在船岸無(wú)縫切換及船舶斷電切換過(guò)程中均可發(fā)生，主要的原因是船上部分變壓器未配套預(yù)充磁設(shè)備，在進(jìn)行通電時(shí)，需岸電進(jìn)行充磁，產(chǎn)生6～10倍變壓器容量的浪涌電流，使岸電變頻系統(tǒng)發(fā)生故障及損害。圖4為某岸電試驗(yàn)過(guò)程中，3150kVA 11KV變壓器空載合閘所引起的沖擊電流，沖擊電流約為1900A，遠(yuǎn)超被試岸電設(shè)施的額定電流，最終造成被試岸電設(shè)施的變頻單元損害。

圖4 電壓器充磁浪涌電流

為解決無(wú)功沖擊的問(wèn)題，岸電設(shè)施應(yīng)配備適宜的預(yù)充磁輔助回路，在岸電電源接通前，提前向船舶變壓器充磁，避免浪涌電流的產(chǎn)生，提高岸電送電的成功率。

2.6 負(fù)載突加

由于船舶電網(wǎng)容量小而單個(gè)負(fù)載容量大的特點(diǎn)，岸電系統(tǒng)在進(jìn)行初步設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮船舶大功率負(fù)載突加、突卸冗余能力。

負(fù)載設(shè)備（感性負(fù)載）在剛啟動(dòng)時(shí)的沖擊電流是電機(jī)或感性負(fù)載通電瞬間到運(yùn)行平穩(wěn)的短暫時(shí)間內(nèi)的電流變化量，該電流一般為額定電流的4～7倍，響應(yīng)時(shí)間根據(jù)負(fù)載設(shè)備類(lèi)型有所不同，如泵類(lèi)，4s左右，如果是風(fēng)機(jī)類(lèi)，8s～ 15s。

岸電建設(shè)過(guò)程中，應(yīng)對(duì)碼頭靠泊的典型船舶電力負(fù)荷計(jì)算表進(jìn)行分析，找到負(fù)載突加、突卸等最不利工況，根據(jù)沖擊電流及沖擊時(shí)間計(jì)算岸電系統(tǒng)的冗余容量。如無(wú)法獲得上述數(shù)據(jù)，建議根據(jù)岸電額定設(shè)計(jì)容量，分兩次進(jìn)行突加，一次進(jìn)行突卸，確定岸電系統(tǒng)的突加、突卸冗余能力。

通過(guò)上述工作的進(jìn)行，可以有效地確定岸電供電的冗余能力，保證岸電供電的穩(wěn)定性及安全性。

3 結(jié)語(yǔ)

船舶高壓岸電額定容量選擇及系統(tǒng)冗余能力需求是岸電系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初重要的技術(shù)輸入。船舶岸電最終的服務(wù)對(duì)象是船舶，只有從用電特性入手，才能夠制訂更為合理的岸電設(shè)計(jì)方案，借以推進(jìn)岸電技術(shù)更為廣泛的運(yùn)用。

[1]呂顯強(qiáng).基于對(duì)象模型的船舶電力負(fù)荷表格計(jì)算系統(tǒng)[J].大連海洋大學(xué)學(xué)報(bào),2012(4).

[2]樊印海,李嘯.民用船舶發(fā)電機(jī)容量精細(xì)化設(shè)計(jì)研究[R].大連海事大學(xué),2013.

[3]王栩生.高低壓變頻岸電裝置結(jié)構(gòu)型式分析[J].港工技術(shù),2015(2).

Research on HVSC Capacity and Redundancy

Mahaoli
( China Classification Society Certification Company, Shanghai 200135, China )

Capacity and redundancy have an essential effect on the economy, reliability and safety of HVSC. Through sampling the power data of the berthing ship,collecting the steady state power demand of the berthing ship and analyzing the transient process of the high power equipment of shipping, we can determine the capacity and redundancy ability of the shore power system effectively and scientifically.

HVSC; Energy-saving and emission-reduction; Capacity; Redundancy

TM919

A

1674-2796（2017）05-0017-05

2017-05-06

馬昊立（1985—），男，大學(xué)本科，工程師，主要從事水運(yùn)設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)相關(guān)工作。