船舶岸電系統(tǒng)發(fā)展及應用

談健+韓俊+歸三榮+李琥+趙宏大

船舶岸電系統(tǒng)發(fā)展及應用

DOI：10.13340/j.jsmu.2017.03.016

文章編號：1672-9498（2017）03009006

摘要：為推廣船舶使用岸電，從而控制港口城市空氣污染，實現(xiàn)節(jié)能減排，對船舶岸電系統(tǒng)進行綜述。介紹船舶岸電系統(tǒng)的組成、基本原理、應用現(xiàn)狀、電源配置、技術(shù)規(guī)范等，討論其涉及到的技術(shù)難點，對船舶岸電系統(tǒng)的應用起到積極的推動作用。

關(guān)鍵詞：

岸電； 港口； 節(jié)能減排； 技術(shù)規(guī)范

中圖分類號： U665.12；U653.95

文獻標志碼： A

Development and application of shore power supply system

TAN Jian， HAN Jun， GUI Sanrong， LI Hu， ZHAO Hongda

（Economic Research Institute， State Grid Jiangsu Electric Power Company， Nanjing 210008， China）

Abstract：

To promote ships to use the shore power so as to control air pollution of port cities and realize energy conservation and emission reduction， the shore power supply system for ships is reviewed. The structure， basic principle， present application， electrical supply configuration and technical specifications of the system are introduced. The technical difficulties of the system are discussed. It plays a positive role in the application of the shore power supply system for ships.

Key words：

shore power； port； energy conservation and emission reduction； technical specification

0引言

“21世紀海上絲綢之路”建設(shè)是我國實現(xiàn)中華民族偉大復興的重大戰(zhàn)略，同時也是促進世界貿(mào)易發(fā)展的重大舉措。世界貿(mào)易的繁榮離不開航運業(yè)的發(fā)展。數(shù)據(jù)顯示，當前世界貿(mào)易商品的80%由船舶運輸完成，船舶已經(jīng)成為世界經(jīng)濟發(fā)展的重要載體。[1]然而，當船舶停靠港口時，由于船舶采用傳統(tǒng)的輔機發(fā)電方式生產(chǎn)電力，產(chǎn)生的廢氣污染較為嚴重，據(jù)文獻[2]中對上海港船舶排放監(jiān)測的結(jié)果，上海港?？看芭欧诺腟O2，NO和PM2.5分別占上海市大氣污染物總量的12.0%，9.0%和5.3%。

隨著世界各國節(jié)能減排、大氣污染防治工作的不斷推進，船舶?？扛劭跁r對城市造成的大氣污染問題已經(jīng)引起各國政府部門及學者的重視。如歐盟2006年開始建議港口提供船舶岸電，并制定頒布《EU Directive 2005/33/EC2010》法令，要求從2010年開始船舶在靠港時使用岸電；我國在2013年也發(fā)布《大氣污染防治行動計劃》，要求控制船舶造成的環(huán)境污染。

船舶岸電指船舶在?？扛劭谄陂g，不使用船上的副機發(fā)電，船用照明、制冷、工程作業(yè)等用電設(shè)備改由碼頭供電，從而減少船舶大氣污染物排放的供電方式。[3]船舶岸電技術(shù)是實現(xiàn)節(jié)能減排、控制港口城市大氣污染的有效手段之一。本文論述船舶岸電系統(tǒng)發(fā)展情況，包括岸電系統(tǒng)組成、基本原理、應用現(xiàn)狀、電壓和頻率匹配、國內(nèi)外已有技術(shù)標準和政策文件，并討論其涉及到的技術(shù)難點。

1船舶岸電技術(shù)的發(fā)展及應用

1.1歐美國家岸電技術(shù)發(fā)展及應用情況[46]

瑞典哥德堡港是全球最早使用岸電系統(tǒng)的港口之一。2000年，ABB公司向哥德堡港交付了全球第一套岸電系統(tǒng)，幫助該港降低停港船舶噪聲和廢氣排放，優(yōu)異的環(huán)保表現(xiàn)使得該港贏得了2004年歐盟頒發(fā)的“潔凈海運獎”；2010年，哥德堡港再次與ABB公司合作，研發(fā)了一套3 MVA/11 kV，50 Hz/60 Hz雙頻岸電系統(tǒng)，是當時全球規(guī)模最大的同類岸電系統(tǒng)。2002年，美國阿拉斯加州的朱諾港采用岸電系統(tǒng)向5艘改造后的郵船供電。據(jù)朱諾港估計，1艘功率為7 MW郵船?？?3 h排放的硫化物、氮化物和PM10可減少

796 lb（1 lb=0.453 59 kg）。2004年，美國洛杉磯港采用岸電技術(shù)向集裝箱船供電后，船舶大氣污染物排放量平均減少95%。2009年，美國長灘港首次在油碼頭采用岸電系統(tǒng)；同年，溫哥華港開始為郵船提供岸電，成為全球第三個為郵船提供岸電的港口，2010年為57個航次郵船提供岸電，減少碳排放3 000 t。2011年，美國洛杉磯港成功安裝6.6 kV/11 kV高壓岸電系統(tǒng)，供電容量達40 MVA，可為單艘郵船提供20 MW電力。2012年，紐約布魯克林郵船碼頭投入使用岸電設(shè)施。紐約港務局的研究表明，布魯克林郵船碼頭采用岸電設(shè)施后每年能夠減少100 t氮化物、100 t硫化物和超過6 t特殊有害物質(zhì)的排放。2012年后，比利時安特衛(wèi)普港的集裝箱碼頭、澤布呂赫港，德國波羅的海的呂貝克港等也安裝了岸電供電系統(tǒng)。到2016年9月，ABB公司為印度V. O. Chidambaranar港提供印度首個岸電方案，采用PCS100靜態(tài)變頻器和ABB公司相關(guān)電氣設(shè)備對港口及船舶進行升級改造，幫助印度政府實現(xiàn)經(jīng)濟增長并保護環(huán)境[7]。

1.2我國岸電技術(shù)發(fā)展及應用情況

2010年，連云港港首次在國內(nèi)實現(xiàn)高壓船用岸電系統(tǒng)建設(shè)并應用于“中韓之星”郵船。連云港港船舶岸電系統(tǒng)采用高/高變頻方式，只需要一根高壓電纜上船即可進行不間斷供電。整個系統(tǒng)由岸上的高壓變頻電源和高壓接線箱以及船上的高壓電纜卷筒和船載變電站等兩個子系統(tǒng)組成，系統(tǒng)容量為1.5 MVA，輸出6.6 kV/50 Hz和6.6 kV/60 Hz的電力。[8]同年，上海港外高橋二期港區(qū)將移動式變頻變壓供電系統(tǒng)應用在多個泊位或碼頭，將我國港口電網(wǎng)交流電變換成適用于外國船舶的60 Hz交流電和國內(nèi)部分船舶的50 Hz交流電，實現(xiàn)50 Hz/60 Hz雙頻供電。[9]

2011年12月，黃驊港二期擴容碼頭200#泊位岸電系統(tǒng)投入使用。該岸電系統(tǒng)供電容量1.6 MVA，采用三相四線輸出6 kV/50 Hz電力。該系統(tǒng)投入使用后，黃驊港單艘次到港船舶利用岸電比用輔機自發(fā)電節(jié)約1.69萬元。按2010年到港2 893艘次計，若黃驊港的到港船舶全部以岸電取代船舶輔機發(fā)電，每年將節(jié)省約4 900萬元燃油費用。[8]2011年，神華中海航運公司為其46 000 t散貨船安裝6 kV/50 Hz的高壓岸電系統(tǒng)，并向中國船級社申請AMPS入級符號。[10]同年，河北遠洋運輸集團首先在其“富強中國”號開始岸電項目改造。船上岸電設(shè)備采用了由連云港港口集團和河北遠洋運輸集團共同研制的“高壓變頻數(shù)字化船用岸電系統(tǒng)”，通過置于陸域后方變電所的高壓變頻裝置將港口電網(wǎng)6 kV/50 Hz的交流電轉(zhuǎn)換為6.6 kV/60 Hz的交流電，由碼頭的高壓接電箱通過高壓電纜直接上船，再通過置于船上的變壓器將6.6 kV/60 Hz降壓為船舶電力設(shè)備需要的低壓電力?！案粡娭袊碧柌捎冒峨娂夹g(shù)后，全年可節(jié)約燃油成本57萬元。[11]

2013年江蘇淮安新港配備岸電設(shè)施。港口有泊位8個，經(jīng)實地考察、走訪船民和專家論證，最終方案為在6個泊位前沿配備岸電箱，每個岸電箱容量為10 kVA，可為停靠船舶提供 380 V/50 Hz及220 V/50 Hz電源。岸電系統(tǒng)投入使用后，每年可節(jié)省197.1 t燃油，減少CO2排放603 t，減少SO2排放9.85 t。[12]

2013年，江蘇句容電廠碼頭建設(shè)岸電項目，供電容量630 kVA，輸入6 kV/50 Hz，經(jīng)變壓變頻裝置后輸出6.6 kV/60 Hz或6 kV/50 Hz。經(jīng)隔離變壓器降壓后，可分別滿足國內(nèi)船舶低壓供電0.4 kV/50 Hz和國外船舶低壓供電0.45 kV/60 Hz的不同要求。[13]

2015年，江蘇泗洪碼頭首個岸電入河工程建成投運，該岸電項目通過碼頭上的5個岸電箱同時向靠港停泊的45艘船供電。同時，按照每年靠泊量3 600艘次、平均?？繒r間40 h計算，碼頭月用電達3萬kW·h，年用電量達36萬kW·h，可減少船舶靠港成本30%，節(jié)約燃油百余噸，減少碳化物和硫化物排放約75 t。[14]

同年，重慶首個智能港口岸電系統(tǒng)在朝天門碼頭正式投入使用。?？砍扉T八碼頭的船舶，將以港口岸電替代船舶輔機燃油供電，預計每年用于替代的電量至少約183.6萬kW·h，減少碳排放

1 480 t，減少燃油發(fā)電成本292.8萬元。[15]

2016年，連云港港和上海港聯(lián)合研發(fā)的岸電系統(tǒng)在上海洋山港投入使用，為臺灣長榮的8 000 TEU集裝箱船“長青號”成功供電

18 h。接用岸電期間，船和碼頭正常作業(yè)。船在接用岸電期間，最大負荷約2 500 kVA，船與岸也僅靠兩根高壓電纜完成供受電。[16]同年，往返于連云港港和韓國仁川港的“紫玉蘭”號客貨船上的船載受電系統(tǒng)及船用岸電設(shè)備獲得中國船級社頒發(fā)的首個入級證書，標志著該船所載岸電系統(tǒng)設(shè)備通過了中國船級社相關(guān)規(guī)范的檢驗，正式具備使用岸電并安全運行的能力。位于連云港港27#泊位的船用岸電系統(tǒng)和“紫玉蘭”號船載受電系統(tǒng)，是交通運輸部首批船舶岸電示范項目之一。該項目于2015年開工建設(shè)，在岸基建設(shè)容量為3 000 kVA的變頻電源，可同時供3艘船靠泊使用，在 “紫玉蘭”號上安裝容量為1 250 kVA的船載岸電設(shè)備，對碼頭和船舶進行配套改造，采用的全套設(shè)備擁有自主知識產(chǎn)權(quán)。該項目建成后，僅“紫玉蘭”號每年就可使用電量約120萬kW·h，減少SO2排放42 t，減少氮氧化物排放47.58 t。[1718]

2船舶岸電系統(tǒng)組成

船舶岸電系統(tǒng)主要由岸上電源部分、岸船連接部分和船舶受電部分組成[6，1920]，其基本結(jié)構(gòu)見圖1。

岸上電源部分將變電站的電力根據(jù)受電船舶電力系統(tǒng)要求進行電壓等級和頻率變換，輸送到碼頭、泊位的連接點或接電箱。根據(jù)岸上電源系統(tǒng)輸出電壓等級的不同，將岸電分為高壓岸電和低壓岸電。高壓岸電指岸電電源輸出6.6 kV，11 kV或者更高的岸電電壓，適用于用電負荷較大的大型船舶；低壓岸電指岸電電源輸出

440 V，400 V或者更低的岸電電壓，適用于用電負荷較小的船舶。

岸船連接部分是連接岸上接電箱和船上受電裝置的電纜和設(shè)備的統(tǒng)稱，安裝于岸基、駁船或船上，一般設(shè)置有電纜管理系統(tǒng)，以便于電纜的快速連接和儲存。

船舶受電部分指對船舶配電系統(tǒng)進行改造，安裝岸電受電裝置，一般可包括電纜絞車、船用變壓器、控制設(shè)備和并車裝置等，必要時還可能安裝船用變頻器。

不同類型、不同噸位船舶采用不同電壓等級和頻率的船舶電力系統(tǒng)，不同國家和地區(qū)的船舶也會采用不同的額定電壓和頻率。如高壓船舶電站的電壓等級可為11 kV，6.6 kV（60 Hz）和6 kV（50 Hz），低壓船舶電站的額定電壓可為440 V（60 Hz）或400 V（50 Hz）。我國船舶電力系統(tǒng)頻率為50 Hz，美國的為60 Hz，歐洲的為50 Hz或60 Hz。由此可見，岸電電源系統(tǒng)需要能夠輸出不同電壓等級和頻率的電源，以便與受電船舶電力系統(tǒng)相匹配。

文獻[21]針對岸電供電電源與船舶電力系統(tǒng)電壓和頻率等級不匹配的情況，以低壓系統(tǒng)為例，從理論上進行了分析，認為當船舶接電壓和頻率略低于其額定值的岸電電源時，船用拖動和照明設(shè)備可在短時間內(nèi)正常運行，但若長時間不匹配供電則會縮短設(shè)備使用壽命。若船舶接電壓和頻率高于其額定值的岸電電源，則會帶來電動機發(fā)熱、最大轉(zhuǎn)矩增大和功率增大超負荷等隱患。為此，我國船舶停靠他國港口必須考慮電源變頻變壓問題。

為使岸電系統(tǒng)能夠匹配不同靠泊船舶的電壓和頻率，文獻[6]將常見船用岸電系統(tǒng)電氣配置方案分為3類：（1）低壓岸電系統(tǒng)向低壓船舶供電；（2）高壓岸電系統(tǒng)向低壓船舶供電；（3）高壓岸電系統(tǒng)向高壓船舶供電。第一種方案將電網(wǎng)電壓經(jīng)變電站降壓至6.6 kV（如需變頻，則降壓至變頻器輸入電壓），然后接到岸電箱降壓變頻到440 V/50 Hz或440 V/60 Hz，最后采用9根電纜連接到船上。該方案配置較簡單，碼頭及船舶改造工程量較少，但安裝和拆卸較繁瑣。第2種方案采用高壓岸電方案（電網(wǎng)電壓若高于10 kV，則需經(jīng)過變電站降壓至6.6 kV；若需變換頻率，則需經(jīng)岸上變頻器變頻），采用1根高壓電纜將高壓電接到船上，經(jīng)過船上的變壓器降壓后供船舶使用。該方案由于采用高壓供電，只需要1根電纜線，安裝快捷，但是需要改造船舶，安裝降壓變壓器，改造成本比較高。第3種方案同樣采用高壓岸電供電，電網(wǎng)電壓經(jīng)變電站降至6～20 kV，經(jīng)由碼頭接電箱接到船舶直接向船舶供電。該方案同樣只需要1根電纜線，實現(xiàn)簡單；如需變頻，則需要在岸基上安裝高壓變頻器。

上述3種常見方案各有優(yōu)缺點，在世界各國港口均有實際應用。文獻[22]總結(jié)了3種方案在港口的應用情況，如表1所示。文獻[23]同樣對這3種方案的優(yōu)缺點進行了比較，認為高壓供電方式具有碼頭建設(shè)成本低、占用碼頭空間小和操作方便等優(yōu)點，應是今后碼頭船用供電系統(tǒng)發(fā)展的主要方向。目前，隨著船舶不斷朝大型化的方向發(fā)展，電站容量不斷增大，很多歐美國家的港口已經(jīng)建設(shè)有6.6 kV/60 Hz的高壓岸電供電系統(tǒng)，我國配置50 Hz電力系統(tǒng)的船舶靠泊時需考慮配備高壓船用變頻器。

船舶岸電系統(tǒng)的電壓等級與電源容量息息相關(guān)。根據(jù)文獻[24]，船舶岸電系統(tǒng)容量等級有200，400，630，800，1 000，1 600，2 000，3 000，5 000，8 000 kVA。文獻[25]指出：當船舶岸電系統(tǒng)容量小于630 kVA時可采用低壓供電方式，介于630～1 600 kVA之間時可采用高壓供電方式，大于1 600 kVA時需要采用高壓供電方式；此外，還需要根據(jù)靠泊船舶的類型確定岸電電源容量，常見船舶的岸電容量需求范圍見表2。

在港口、碼頭實施岸電工程，引導船舶所有人對船舶進行岸電改造和推廣船舶靠港時使用岸電都離不開政策法規(guī)的要求和行業(yè)技術(shù)標準的制定。為此，世界各國相繼出臺了諸多規(guī)章制度以及標準規(guī)范文件，以保障岸電的順利推廣。

4.1國內(nèi)的政策法規(guī)和技術(shù)規(guī)范

國內(nèi)主要由交通運輸部制定頒布各項實施方案或指導意見，要求各港口碼頭建設(shè)船舶岸電設(shè)施，規(guī)范靠港船舶使用岸電設(shè)備，為岸電的應用推廣打下了堅實的基礎(chǔ)。出臺的主要文件包括

《船舶與港口污染防治專項行動實施方案（2015—2020年）》

《綠色港口等級評價標準（JTS/T 10542013）》

《碼頭船舶岸電設(shè)施建設(shè)技術(shù)規(guī)范（JTS 155—2012）》

《港口船舶岸基供電系統(tǒng)技術(shù)條件JT/T 814—2012》

《港口船舶岸基供電系統(tǒng)操作技術(shù)規(guī)程JT/T 815—2012》

《建設(shè)低碳交通運輸體系指導意見》

《公路水路交通運輸節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃》

和《“十二五”水運節(jié)能減排總體推進實施方案》。

各省市為緩解港口城市污染，也制訂了相關(guān)工作計劃，主要有江蘇省的《江蘇省2015年大氣污染防治工作計劃》和上海市的《上海港靠泊國際航行船舶岸基供電試點工作方案》。

此外，為保障岸電設(shè)施的可靠性，中國船級社還制定了岸電驗收規(guī)范《船舶高壓岸電系統(tǒng)檢驗指南》，以確保我國岸電工程符合國際質(zhì)量標準。

4.2國外技術(shù)標準或指導性文件

國際電工委員會（IEC）、國際標準化組織（ISO）以及電氣和電子工程協(xié)會（IEEE）等機構(gòu)也致力于岸電國際標準的制定，其發(fā)布的標準對岸電系統(tǒng)的功能要求、施工安裝規(guī)范、岸船連接規(guī)格、控制和監(jiān)測、測試和標準、維護保養(yǎng)等各方面均做了系統(tǒng)詳細的說明，使岸電系統(tǒng)的設(shè)計、施工、驗收、使用和維護成為具有國際統(tǒng)一標準的系統(tǒng)工程，為岸電系統(tǒng)的推廣起到了巨大的推動作用。主要技術(shù)規(guī)范包括：

（1）IEC/ISO/IEEE Utility Connections in Port Part 1： High Voltage Shore Connection （HVSC） Systems General Requirements； （2）IEC/IEEE Draft International Standard Utility Connections in Port Part 2： High and Low Voltage Shore Connection （HLVSC） Systems Data Communication for Monitoring and Control；

（3）IEEE Draft Recommended Practice for Design and Application of Power Electronics in Electrical Power Systems；

（4）IEEE/ISO/IEC Draft Standard for Cold Ironing Part 1： High Voltage Shore Connection （HVSC） Systems General Requirements；（5）IEEE Draft Recommended Practice for Shipboard Electrical Installations Systems Engineering；（6）IEEE Recommended Practice for Shipboard Electrical Installations Systems Engineering；（7）IEEE Approved Draft Recommended Practice for Shipboard Electrical Installations Systems Engineering.

5船舶岸電系統(tǒng)涉及到的技術(shù)難點

（1）高功率電力電子變頻技術(shù)。

從國外岸電應用現(xiàn)狀可以看出，國外已有岸電系統(tǒng)大多采用電網(wǎng)向船舶直接供電的方式，涉及到變頻技術(shù)的案例不多。我國電力頻率為50 Hz，為向國外60 Hz的船舶供電，需要開發(fā)高壓大功率變頻器。目前，市場上小功率通用變頻器技術(shù)比較成熟，但適用于港口或海洋環(huán)境的兆瓦級高壓船用變頻器仍然存在系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)控制、散熱、電磁兼容、諧波治理等技術(shù)難題。[2930]

（2）岸電電源電壓穩(wěn)定。

岸電電源容量相對較小，而船上負載大多為感性負載，當船舶使用岸電時，負載的變化會導致岸電電壓發(fā)生波動。當電壓偏離額定值較大時，會導致船上電氣設(shè)備運行效率降低甚至損壞。因此，岸電變頻器必須具備電壓自動調(diào)節(jié)功能，維持輸出電壓穩(wěn)定以滿足船舶供電標準[31]。

（3）供電系統(tǒng)電制匹配。

我國配電網(wǎng)一般采用中性點不接地系統(tǒng)，港口碼頭常采用三相四線TN系統(tǒng)，而船舶大多采用三相三線IT系統(tǒng)。如果TN系統(tǒng)直接向IT系統(tǒng)供電，容易導致絕緣擊穿等安全問題，因此岸電電源無法直接連接至船舶。如果為港口岸電設(shè)計專門的IT系統(tǒng)會導致成本大幅增加，因此目前岸電系統(tǒng)急需研究TN與IT系統(tǒng)相互兼容的供電模式。[32]

（4）船電與岸電間的無縫切換。為實現(xiàn)船電與岸電的無縫銜接，需要船上安裝有一套自動并車裝置。該裝置檢測船電和岸電的頻率、相位以及電壓信號，當三者的誤差均在一定范圍內(nèi)時，將岸電電源并網(wǎng)到船舶電力系統(tǒng)，最后停止使用船用副機發(fā)電。當船舶離港時，自動并車裝置控制船舶副機并網(wǎng)，然后斷開岸電電源。自動并車裝置的關(guān)鍵技術(shù)是實現(xiàn)船舶副機發(fā)電與岸電電源的同步，以減小并網(wǎng)時的沖擊電流。[19，23]

（5）電纜管理和快速連接。

考慮港口作業(yè)效率和船期等方面的要求，船舶連接岸電時往往需要很迅速，這就需要高效的電纜管理方式，如設(shè)計移動式的碼頭恒張力電纜卷筒或采用快速接頭實現(xiàn)電纜的快速連接等。[33]

6結(jié)論

當前，大氣污染是世界各國面臨的嚴峻環(huán)境問題，港口城市形勢尤其嚴峻，其大氣污染物排放總量居高不下，防治工作受到各國政府的高度重視。隨著《中華人民共和國大氣污染防治法》在2016年1月開始施行，我國開始對大氣污染排放進行嚴格管控。

在此背景下，推廣使用岸電技術(shù)成為港口城市大氣防污染的重要和有效手段。本文對船舶岸電系統(tǒng)的應用現(xiàn)狀、組成、基本原理、電源配置、技術(shù)規(guī)范等進行了總結(jié)，并簡要討論涉及到的技術(shù)難點，以期為岸電系統(tǒng)的應用起到積極的推廣和推動作用。

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（編輯趙勉）