低壓岸電系統(tǒng)及其效益分析

潘玉松，張鵬，黃榮

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低壓岸電系統(tǒng)及其效益分析

潘玉松1，張鵬2，黃榮1

（1．國(guó)電泰州發(fā)電有限公司，江蘇省 泰州市 225327； 2．北京國(guó)電智深控制技術(shù)有限公司，北京市 昌平區(qū) 102200）

岸電系統(tǒng)對(duì)于電廠尤其是下水煤電廠的環(huán)保工作具有重要意義。在保證安全環(huán)?？煽康幕A(chǔ)上，提出了一種適合電廠碼頭實(shí)際運(yùn)行需要的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；與傳統(tǒng)的岸電相比，提出了變頻及并網(wǎng)的概念，并可同時(shí)兼容400V/50Hz、440V/60Hz這2種制式的船舶靠港對(duì)接。分析了電纜收放系統(tǒng)以及并網(wǎng)存在的主要問(wèn)題，最后對(duì)成本及收益進(jìn)行了分析，指出這樣的結(jié)構(gòu)會(huì)使系統(tǒng)的成本大大降低，同時(shí)利用電廠在電價(jià)方面的優(yōu)勢(shì)，低壓岸電系統(tǒng)可以在下水煤電廠得到大規(guī)模的推廣應(yīng)用。

岸電；低壓；并網(wǎng)；下水煤電廠

0 引言

船舶在靠港期間主要利用輔機(jī)發(fā)電機(jī)來(lái)滿足船舶用電需求，船舶使用自帶的輔助發(fā)電機(jī)需要燃燒大量的重油或柴油，同時(shí)有污染物排放。向大氣中排放的大量污染性氣體，主要成分包含NO、SO、柴油顆粒污染物和揮發(fā)性有機(jī)化合物。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于?？康拇叭紵赜突虿裼彤a(chǎn)生廢氣，港口城市排放廢氣比其他城市平均多出25%，這些污染性氣體對(duì)人類的健康和環(huán)境的安全構(gòu)成很大的威脅[1]。

低壓岸電系統(tǒng)是指船舶在碼頭?？科陂g，不需要采用船上輔機(jī)進(jìn)行供電，而是采用陸地低壓變壓變頻電源供電的系統(tǒng)[2]。由于船上用電的電壓、頻率與電網(wǎng)提供的電源不同，因此低壓岸電系統(tǒng)的關(guān)鍵之處在于將電網(wǎng)提供的工頻電源通過(guò)變壓和變頻技術(shù)，轉(zhuǎn)換為船舶電機(jī)可以使用的電源。同時(shí)也需要對(duì)船舶實(shí)施不間斷地供電[3]以減少對(duì)船舶機(jī)器設(shè)備的損傷。

1 低壓岸電系統(tǒng)的組成

1.1 船舶用電需求

目前下水煤電廠來(lái)船[4]電壓主要包括400V/50Hz、440V/60Hz這2種制式，為滿足這2種制式的船舶需求，需要增加變頻電源。變頻電源采用低壓主要是考慮到低壓變頻電源穩(wěn)定性好，船舶改造難度小、成本低。但低壓意味著電纜尤其是上傳電纜橫截面積大，電纜上船難度大，這是低壓岸電系統(tǒng)的一個(gè)難點(diǎn)。下水煤電廠的船舶一般以3萬(wàn)~7萬(wàn)t為主，以7萬(wàn)t的船舶為例，涉及到的船用負(fù)載主要包括壓水泵、空壓機(jī)、絞纜機(jī)、空調(diào)等[5]，考慮同時(shí)系數(shù)，最大在400kW左右，為了增加低壓岸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，岸電電源需要有20%的余量，同時(shí)按0.9的功率因數(shù)計(jì)算，變頻電源的容量為550 kV·A。

1.2 岸基供電設(shè)備

1.2.1 低壓變壓變頻裝置

變壓變頻電源負(fù)責(zé)將400V/50Hz轉(zhuǎn)變?yōu)?40V/60Hz電源[6]；輸出升壓隔離變壓器對(duì)負(fù)責(zé)變頻電源進(jìn)行電氣隔離，輸入側(cè)配置有源濾波柜。電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 550 kV·A變頻電源系統(tǒng)拓?fù)浜?jiǎn)圖

低壓變壓變頻裝置主要設(shè)備包含：輸入電抗器、整流橋、接觸器、鋁電解電容、絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)、輸出變壓器及濾波電容等[7-8]。其中，三相輸入電抗器主要作用是抑制諧波、限制涌流、抑制三相輸入電流不平衡等作用。同時(shí)，變頻單元能夠滿足并消耗并網(wǎng)過(guò)程中逆功率所產(chǎn)生的剩余電能。變頻單元設(shè)有工頻旁路，一旦變頻單元出現(xiàn)故障，可由工頻旁路對(duì)相同頻率制式的靠港船舶(400 V/50Hz)進(jìn)行供電，但因船側(cè)與岸側(cè)的接地方式不同，使用工頻旁路時(shí)，仍需使用1:1隔離變壓器。

1.2.2 岸電接線箱

岸電接線箱是將岸電變頻電源的低壓饋線與船舶連接的裝置，擔(dān)當(dāng)了低壓供電連接、船岸信號(hào)互通的任務(wù)。箱內(nèi)裝有滿足JTT8 14.2—2012標(biāo)準(zhǔn)[8]的低壓電纜插座、插頭。專用插座與插頭通過(guò)信號(hào)接觸插芯實(shí)現(xiàn)電氣互鎖，在操作插頭插座連接和斷開(kāi)的過(guò)程中，接觸插芯是最晚實(shí)現(xiàn)連接，也是最早斷開(kāi)的插芯。岸電連接插頭/插座的信號(hào)插芯電路未接通等情況下，低壓輸出斷路器不能合閘或在合閘位置自動(dòng)斷開(kāi)，確保電氣連接安全。

低壓岸電箱的外形設(shè)計(jì)緊湊，符合碼頭前沿寬度要求，擁有超強(qiáng)的防撞擊能力。因沿江碼頭濕度、溫度變化較大，岸電箱外殼采用不銹鋼防鹽霧腐蝕型箱體，鉸鏈、螺絲等金屬配件采用同種不銹鋼材質(zhì)，同時(shí)加裝墊圈和墊片，使得金屬間形成電絕緣，最大程度減少電解反應(yīng)，箱體防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP56。岸電箱外殼均采用防腐漆加底漆加面漆涂層，接地扁鐵采用熱浸鋅處理。岸電接線箱設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 岸電接線箱設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖

Fig .2 Design sketch of shore power junction box

1.3 電纜收放機(jī)構(gòu)

電纜收放機(jī)構(gòu)又稱為岸電電纜連接管理系統(tǒng)，按照船舶及碼頭類型分為：船基連接電纜裝置，岸基連接電纜裝置，岸基移動(dòng)連接電纜裝置三大類[9]，如圖3所示。

圖3 電纜收放機(jī)構(gòu)分類

低壓岸電系統(tǒng)所采用的電纜收放機(jī)構(gòu)為船基連接電纜裝置，即在船艉甲板中間位置加裝1套電纜卷筒及配套放纜平臺(tái)。電纜卷筒為恒張力控制收放機(jī)構(gòu)，可隨靠港船舶吃水深度變化自動(dòng)收放電纜；放纜平臺(tái)可向左右兩舷展開(kāi)，展開(kāi)后可平穩(wěn)下放電纜，并滿足左右兩舷靠港需求。

恒張力控制類似于自動(dòng)絞纜機(jī)，接入低壓岸電系統(tǒng)之后，將控制開(kāi)關(guān)按鈕置于“自動(dòng)”位置，即可定時(shí)收放電纜，即使遇到船舶吃水和潮汐變化的情況，也能夠使電纜張力保持在設(shè)定范圍內(nèi)，達(dá)到有效保護(hù)電纜的目的。

1.4 船舶配電設(shè)備

1.4.1 低壓岸電連接屏

低壓岸電連接屏位于電纜收放機(jī)構(gòu)旁邊，由低壓岸電配電屏、左舷岸電連接屏、右舷岸電連接屏所組成。岸電配電屏可以顯示出岸電的相序、電壓、電流、功率、頻率等參數(shù)，同時(shí)設(shè)有接地開(kāi)關(guān)。如果參數(shù)正常，岸電連接屏靠岸一舷(接入2根電纜)的分合閘開(kāi)關(guān)合閘，低壓岸電即可連通到集控室主配電板上的岸電接收屏。

1.4.2 主配電板上的岸電接收屏

低壓岸電連接屏輸送岸供電源供給船上主電網(wǎng)接收屏。該屏包括分合閘開(kāi)關(guān)、接地開(kāi)關(guān)、數(shù)字式多功能表(可指示電壓、頻率、電流和功率)等，岸電的過(guò)電流保護(hù)(長(zhǎng)延時(shí)、短延時(shí))和欠壓/斷相保護(hù)通過(guò)數(shù)字式繼電器實(shí)現(xiàn)。岸電接收屏的分合閘開(kāi)關(guān)合上后，低壓岸電通到主配電板上的岸電接收屏向船舶電網(wǎng)供電[10]。

1.5 電纜及其他

目前岸電系統(tǒng)低壓上船最大的難點(diǎn)有2點(diǎn)：1）如何在保證船舶用電負(fù)荷的情況下平衡上船電纜數(shù)量和截面積；2）碼頭面長(zhǎng)度往往動(dòng)輒幾百米甚至上千米，如何保證上船電壓壓降控制在合理范圍內(nèi)，保證岸電質(zhì)量。低壓岸電系統(tǒng)采用遠(yuǎn)距離高壓電纜敷設(shè)，與碼頭面低壓電纜敷設(shè)相結(jié)合，上船電纜使用船用柔性電纜的方法，有效地規(guī)避了這2點(diǎn)[11]。

1.5.1 上船電纜

低壓岸電系統(tǒng)根據(jù)柔性船用電纜(CEFR/DA)連續(xù)通電時(shí)的載流量計(jì)算，導(dǎo)體截面積為150mm2單排螺旋纏繞電纜的載流量為323A，考慮環(huán)境溫度為40℃時(shí)的載流量修正系數(shù)為0.89，即實(shí)際單根電纜載流量為287.5A。因此，若要滿足單個(gè)泊位550kV·A的容量，需用3根3×150電纜并聯(lián)上船。

1.5.2 低壓電纜

由于船用交流電網(wǎng)允許的電壓波動(dòng)范圍為-6%~+10%，因此在400V/50Hz船用電網(wǎng)中的電壓允許范圍為376~440V，范圍差值為64V。按550kV·A的容量計(jì)算，低壓電纜應(yīng)采用2×(3×185mm2)電纜敷設(shè)，該規(guī)格電纜在400V電壓滿負(fù)荷情況下，每22.8m壓降為1V，可以算出2×(3×185mm2)電纜在400V電壓滿負(fù)荷情況下，輸電距離在731m時(shí)壓降達(dá)到64V。如果僅考慮這些還是不夠的，因?yàn)榇白畲筘?fù)載是壓水泵，一般在150kW左右，還要考慮其啟動(dòng)時(shí)系統(tǒng)的壓降，因此需要進(jìn)一步放大電纜的承載余量，一般為4′(3′185mm2)，而且變頻電源與船舶發(fā)電機(jī)出口母排的距離不應(yīng)超過(guò)250m。

2 岸電對(duì)接

2.1 并網(wǎng)要點(diǎn)

船舶的并網(wǎng)包括2個(gè)過(guò)程：第一是船靠岸時(shí)岸電并船電的過(guò)程；第二是船離泊時(shí)船電并岸電的過(guò)程。2個(gè)過(guò)程都應(yīng)以船舶發(fā)電機(jī)出口的同期裝置為中心并網(wǎng)，此時(shí)同期裝置將變頻電源作為一個(gè)船舶用發(fā)電機(jī)，利用控制電纜來(lái)調(diào)節(jié)變頻器的電壓、頻率和相角。

若采取停電切換，船電轉(zhuǎn)低壓岸電系統(tǒng)操作前必須將船各個(gè)發(fā)電機(jī)組、應(yīng)急電站、日用變壓器等置于手動(dòng)模式。若采用自動(dòng)模式，一旦電網(wǎng)負(fù)載變大(例如超過(guò)單機(jī)功率的90%)，功率管理系統(tǒng)(power management system，PMS)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)備用發(fā)電機(jī)組與岸電并網(wǎng)供電；而船舶發(fā)電機(jī)特性不同于岸電，有可能會(huì)損壞設(shè)備。船上450V負(fù)載配電屏的電氣設(shè)備，在用的大容量設(shè)備全部置手動(dòng)模式，并隨時(shí)準(zhǔn)備斷開(kāi)電源，暫時(shí)不用的需要切斷電源。駕駛臺(tái)的通信導(dǎo)航系統(tǒng)，例如電子海圖顯示與信息系統(tǒng)(electronic chart display and information systems，ECDIS)、全球海上遇險(xiǎn)與安全系統(tǒng)(global maritime distress and safety system，GMDSS)、船舶導(dǎo)航雷達(dá)、綜合駕駛臺(tái)系統(tǒng)(integrated bridge system，IBS)等等也需要切斷電源[12]。

2.2 并網(wǎng)模式

首選需要確認(rèn)船舶電網(wǎng)單臺(tái)發(fā)電機(jī)運(yùn)行供電，而且與岸電的相序、相位、頻率、電壓等相同或相等，之后再進(jìn)行船電與岸電并電操作，然后轉(zhuǎn)移負(fù)載，船舶發(fā)電機(jī)組解列。

船電與岸電并電操作共有2種方法：自動(dòng)準(zhǔn)同步和手動(dòng)準(zhǔn)同步。1）自動(dòng)準(zhǔn)同步：若選擇“AUTO”方式，機(jī)艙在不斷電的情況下完成岸電供應(yīng)轉(zhuǎn)換(類似發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)換操作)，僅需按下岸電系統(tǒng)的合閘按鈕，控制系統(tǒng)就認(rèn)為岸電在對(duì)另外一臺(tái)船舶發(fā)電機(jī)進(jìn)行自動(dòng)并車、負(fù)荷轉(zhuǎn)移、發(fā)電機(jī)自動(dòng)解列及自動(dòng)停車的控制，自動(dòng)并車和負(fù)荷轉(zhuǎn)移過(guò)程持續(xù)大約10 s，之后發(fā)電機(jī)出口開(kāi)關(guān)將自動(dòng)分閘解列。2）手動(dòng)準(zhǔn)同步：按照發(fā)電機(jī)的并車操作規(guī)程，在并車的過(guò)程中只能調(diào)節(jié)船電的頻率、相位和電壓。

需要注意的是：異步電動(dòng)機(jī)是常見(jiàn)的電感性負(fù)載,理論上不同頻率對(duì)電感性負(fù)載或電容性負(fù)載有較大的影響，船舶上輔機(jī)動(dòng)力、錨機(jī)動(dòng)力、起重機(jī)動(dòng)力、冷凍機(jī)動(dòng)力及許多動(dòng)力設(shè)備均為異步電動(dòng)機(jī)。根據(jù)電機(jī)學(xué)理論，轉(zhuǎn)矩和電動(dòng)機(jī)發(fā)熱是影響異步電動(dòng)機(jī)性能的兩大因素。

1）轉(zhuǎn)矩、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩公式：

最大轉(zhuǎn)矩公式為

式中：1，1分別為電源電壓和頻率；為常數(shù)。

當(dāng)電動(dòng)機(jī)的頻率從60 Hz降至50Hz時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩增大了28%，有利于電動(dòng)機(jī)起動(dòng)，最大轉(zhuǎn)矩略有增加。而照明設(shè)備屬于電阻性負(fù)載，并不受頻率影響，與電壓的關(guān)系較大。

2）電動(dòng)機(jī)發(fā)熱。異步電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)需要滿足基本點(diǎn)次方程：

式中：為外加給定子每相繞組端電壓的有效值；1為定子繞組每相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值；為電源頻率；m為每極的磁通；w1為基波繞組系數(shù)。

磁通增加導(dǎo)致勵(lì)磁電流增強(qiáng)，電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)降低，發(fā)熱增加，電動(dòng)機(jī)不能正常的運(yùn)行。為了保證電動(dòng)機(jī)不發(fā)熱，必須在降低頻率的同時(shí)降低電壓，保證磁通基本不變，則電動(dòng)機(jī)發(fā)熱限制條件：

式中2，2為電動(dòng)機(jī)的額定電壓和額定頻率。450 V/60 Hz的異步電動(dòng)機(jī)接在380V/50Hz電源上時(shí)，有：450/60≈380/50，滿足電動(dòng)機(jī)發(fā)熱條件。

因此，在并網(wǎng)過(guò)程中，應(yīng)首先保證待并岸側(cè)電壓頻率先隨船用發(fā)電機(jī)略微下降，滿足發(fā)電機(jī)“下垂(DROOP)”特性，即：在負(fù)載(電流)增大時(shí)，頻率、電壓都略有下降，再進(jìn)行并網(wǎng)合閘操作。

3 成本及收益計(jì)算

3.1 成本計(jì)算

成本核算表見(jiàn)表1。

3.2 經(jīng)濟(jì)收益

表1 成本計(jì)算表

3.3 環(huán)境收益

使用低壓岸電系統(tǒng)之前，每次船舶靠泊后，為了維持船舶靠泊期間的基本動(dòng)力和船員生活需要，需要柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)提供必備電力。船用柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)期間將排放出大量的廢氣、煙塵，并產(chǎn)生持續(xù)的噪音。按照“國(guó)電15”每年?？?0次測(cè)算，消耗重油約312t，輕油78t。預(yù)計(jì)會(huì)產(chǎn)生CO21242.5t、SO213216kg、NO20124kg，產(chǎn)生廢氣592.8萬(wàn)m3，煙塵702kg，這不僅嚴(yán)重影響了碼頭周邊的生態(tài)環(huán)境，同時(shí)也影響船上船員的生活質(zhì)量。使用低壓岸電系統(tǒng)能夠有效減少燃油消耗，從根源上減少船舶廢氣排放，有利于保護(hù)船舶靠泊作業(yè)期間的地區(qū)環(huán)境，更為船上工作人員提供健康、舒適的工作、生活環(huán)境。

4 結(jié)論

低壓岸電系統(tǒng)對(duì)3萬(wàn)~7萬(wàn)t散貨裝卸碼頭及港口具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。其操作靈活、投資成本低的特點(diǎn)也更加便于船運(yùn)公司參與其中共同改造，有效地讓船岸雙方協(xié)同作戰(zhàn)，切實(shí)可靠的完成這一工作。

[1] 萬(wàn)霖，何凌燕，黃曉鋒．船舶大氣污染排放的研究進(jìn)展[J]．環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2013，36(5)：57-62．

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Low Voltage Shore Power System and Its Profit Analysis

PAN Yusong1, ZHANG Peng2, HUANG Rong1

(1. Guodian Taizhou Power Generation Co., Ltd., Taizhou 225327, Jiangsu Province, China; 2. Beijing Guodian Zhishen Control Technology Co., Ltd., Changping District, Beijing 102200, China)

Shore power system is important for the environmental protection of power plants, especially the coal-launched power plants. Based on ensuring the safety and environmental protection and reliability, a suitable actual operation of the system structure for power plant dock was proposed. Compared with the traditional shore power, the concept of conversion and integration was put forward, compatible with both 400V/50Hz and 440V/60Hz ships docking at port. The main problems of cable system and grid-collected was analyzed. Finally, the cost and profit were analyzed, and it was pointed out that such a structure will greatly reduce the cost of the system. By taking advantage of the power plant's advantages in price, the low-voltage shore power system can be widely used in coal-launched power plant.

shore power; low voltage; grid connected; coal-launched power plant

10.12096/j.2096-4528.pgt.18038

2018-10-20。

潘玉松(1981)，男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)榛痣姀S生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、燃料生產(chǎn)管理，53409165@qq.com；

潘玉松

張鵬(1981)，男，碩士，主要研究方向?yàn)榛痣姀S、核電廠生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化；

黃榮(1985)，男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)榛痣姀S生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、燃料生產(chǎn)管理。

(責(zé)任編輯 車德競(jìng))