港口船舶岸電供電技術(shù)的研究與應(yīng)用

張彥

摘 要：研究對(duì)象為綠色集裝箱港口供電技術(shù)項(xiàng)目，進(jìn)行研究的重點(diǎn)在于靠港船舶岸電變頻供電技術(shù)，針對(duì)我國(guó)港口上主要應(yīng)用的50Hz交流電開展相應(yīng)的調(diào)整工作，使其能夠更換成為60Hz交流電，從而能夠與外國(guó)船舶的需求相適應(yīng)，進(jìn)而 逐漸實(shí)現(xiàn)50Hz/60Hz同步的雙頻供電，并在此過(guò)程中開展動(dòng)態(tài)諧波補(bǔ)償工作，以能夠?qū)ο蚩扛鄞肮╇娺^(guò)程中存在的污染問(wèn)題進(jìn)行有效解決，并對(duì)船舶用電負(fù)荷的突變要求進(jìn)行有效滿足。

關(guān)鍵詞：港口船舶;岸電供電技術(shù);諧波

所謂“岸電供電技術(shù)”，也就是在船舶靠港的過(guò)程中，將自身發(fā)電機(jī)的電源供電停用，轉(zhuǎn)而主要應(yīng)用碼頭上的岸電，通過(guò)對(duì)電纜的應(yīng)用，針對(duì)船上的各項(xiàng)電氣設(shè)備進(jìn)行有效供電。根據(jù)目前的情況來(lái)看，針對(duì)港口岸電供電技術(shù)的節(jié)能減排問(wèn)題開展進(jìn)一步的探究工作具有重要意義，能夠?qū)崿F(xiàn)既往船上發(fā)電工作導(dǎo)致的港口水域污染現(xiàn)象得到切實(shí)有效的改善。

目前在各個(gè)國(guó)家中，所以應(yīng)用的岸電主要可以被分為兩個(gè)類型，一是50Hz交流電，另一則是60Hz交流電。對(duì)以上二者進(jìn)行應(yīng)用，分別能夠?yàn)?0Hz以及60Hz的船舶電網(wǎng)進(jìn)行直接的電量供給，且并不需要在其中對(duì)變頻技術(shù)進(jìn)行使用。當(dāng)前我國(guó)所應(yīng)用的電網(wǎng)頻率以50Hz為主，電壓則為380V，但是多數(shù)船舶所應(yīng)需的為60Hz頻率、440V電壓的供電，若選擇使用50Hz交流電進(jìn)行供電，則會(huì)導(dǎo)致設(shè)備整體效率下降30%;若選擇使用岸上發(fā)電機(jī)組進(jìn)行供電，雖然能夠滿足60Hz交流電的需求，但是不僅成本高，而且噪音大，還會(huì)導(dǎo)致陸上環(huán)境受到嚴(yán)重的污染。隨著我國(guó)現(xiàn)代電力相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，新型岸電供電技術(shù)已經(jīng)能夠投入到使用當(dāng)中[1]。

一、變頻電源

變頻電源也就是“交——直——交”之間相互變換的逆變電源，其能夠發(fā)揮的最主要功能，也就是促使當(dāng)前主要應(yīng)用的交流電網(wǎng)電源得到轉(zhuǎn)變，使其能夠成為可以對(duì)更多用戶所需頻率進(jìn)行滿足的電源。一直以來(lái)，變頻電源為標(biāo)準(zhǔn)供電電源，其中電源輸出應(yīng)該能夠保障純凈以及波形的穩(wěn)定，以能夠?yàn)橛脩籼峁┳顬閮?yōu)質(zhì)的供電服務(wù)。通過(guò)對(duì)通用變頻器以及隔離變壓器進(jìn)行應(yīng)用，變頻電源技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)整流、逆變單元以及升壓，且主要具有以下特點(diǎn)：（1）變頻器的質(zhì)量以及運(yùn)行效果良好，生產(chǎn)規(guī)模較大，各項(xiàng)備品、備件齊全，且售后服務(wù)網(wǎng)絡(luò)健全、完善;（2）更換變頻電源裝置，主要應(yīng)用干式隔離變壓器的形式，從而能夠有效對(duì)船上負(fù)載電網(wǎng)以及岸電電網(wǎng)之間存在的干擾起到規(guī)避的作用，同時(shí)也能夠避免由負(fù)載設(shè)備故障而導(dǎo)致出現(xiàn)的變頻電源裝置損壞;（3）開展電源設(shè)計(jì)工作所需進(jìn)行使用的各項(xiàng)部件，均屬于已經(jīng)進(jìn)入成熟階段的產(chǎn)品，其不僅具有顯著的線路清晰、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的重要優(yōu)勢(shì)，且具有較高的可靠性，由此，針對(duì)其開展日常的維護(hù)工作，或是進(jìn)行檢修，均具有較高的便捷性;（4）在一定程度上，對(duì)于變頻電源裝置，其輸出電壓以及輸出頻率，均能夠進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，即使船廠所應(yīng)用的電源已經(jīng)存在線路電壓損耗的情況，針對(duì)設(shè)定值進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整工作，對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，則就可以采用促使電壓升高的方式來(lái)實(shí)施[2]。

二、變頻電源的技術(shù)方案

（一）設(shè)計(jì)原理

將變頻器作為開展工作的基礎(chǔ)，通過(guò)應(yīng)用變頻器軟件，開展宏的編程的應(yīng)用工作，可以將普通的變電器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其具有變頻電源所具有的功能，并且與此同時(shí)，需要為變電器配置相應(yīng)的輔助部件，例如輸出變壓器以及正弦波濾波器，并將岸電變換成為船電（如圖1）。

（二）典型的變頻電源應(yīng)用單線圖

在對(duì)電源開展實(shí)際應(yīng)用工作的過(guò)程中，必須將五個(gè)部分進(jìn)行結(jié)合，才能夠?qū)崿F(xiàn)變頻電源裝置的完整，其五個(gè)部分分別為：（1）輸入進(jìn)線開關(guān)柜;（2）變頻器柜（其中包含整流及逆變單元）;（3）輸出隔離變壓器柜;（4）正弦波濾波器;（5）輸出開關(guān)柜。以上各項(xiàng)，除變頻器之外，均具有良好的穩(wěn)定性，且均屬于無(wú)源性質(zhì)的器件[3]。

三、變頻電源的關(guān)鍵技術(shù)

（一）諧波抑制

對(duì)于變頻電源來(lái)說(shuō)，其核心部件即為變頻器，但是其能夠?qū)е轮C波干擾無(wú)法避免的出現(xiàn)，并且將其作為標(biāo)準(zhǔn)電源的過(guò)程中，諧波也同樣能夠?qū)﹄娫吹氖褂觅|(zhì)量產(chǎn)生一定程度的干擾，并且以此為基礎(chǔ)，還能夠?qū)е孪嚓P(guān)設(shè)備使用壽命以及穩(wěn)定性受到不利影響。由此，有必要采取相應(yīng)的措施對(duì)其中產(chǎn)生的諧波進(jìn)行抑制，根據(jù)實(shí)際情況來(lái)看，需要求所采用的措施具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、成本低廉的特點(diǎn)：

第一，于輸入側(cè)連接EMI濾波器。EMI濾波器屬于一種低通器件，主要由L、C兩個(gè)部分共同構(gòu)成，對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用，能夠起到的主要作用即為，針對(duì)輸入變頻器電網(wǎng)的電能質(zhì)量進(jìn)行控制和提供保障，以能夠促使電源功率在傳輸?shù)皆O(shè)備上的過(guò)程中不發(fā)生損耗，并能夠使經(jīng)電源傳入的EMI信號(hào)收到很大幅度的衰減，以避免設(shè)備受到不利影響;與此同時(shí)，還能夠有效的對(duì)設(shè)備自身所產(chǎn)生的EMI信號(hào)實(shí)施控制工作，從而能夠有效避免EMI信號(hào)進(jìn)入到電網(wǎng)之中并導(dǎo)致電磁環(huán)境受到污染并對(duì)其它設(shè)備產(chǎn)生危害[4]。

第二，將交流限流電抗器接入到輸入側(cè)之中，選用變頻器自帶交流電流電抗器為代表的通用電抗器，以能夠?qū)τ呻娫粗磷冾l器或是其內(nèi)部產(chǎn)生的電源側(cè)高頻擾動(dòng)起到有效的抑制作用，且與此同時(shí)，針對(duì)變頻器的輸入電流，其能夠電流波形起到顯著的改善作用。

第三，針對(duì)變頻電源開展設(shè)計(jì)工作的過(guò)程中，將其設(shè)置成為12脈沖整流的形式，其可以將11次輸入諧波電流或是更少的輸入諧波電流進(jìn)行消除，主要操作過(guò)程為，應(yīng)用12脈沖變頻器，同時(shí)對(duì)6脈沖導(dǎo)致12脈沖變壓器進(jìn)行應(yīng)用，以能夠促使12脈沖整流變頻電源的功能均得以實(shí)現(xiàn)。

第四，將無(wú)源正弦濾波器應(yīng)用于變頻電源輸出側(cè)，即能夠針對(duì)變頻器輸出波形直接進(jìn)行相應(yīng)的改善，相對(duì)于輸出電抗器或是DV/DT濾波器，在正弦波濾波器的末端，存在一級(jí)的電容濾波電路，通過(guò)其作用的充分發(fā)揮，變頻器的輸出波形能夠不斷趨于正弦波的方向。并且，針對(duì)正弦濾波器開展參數(shù)設(shè)置工作的過(guò)程中，通過(guò)計(jì)算可以確認(rèn)，其電感值應(yīng)設(shè)置為0.08——0.11mH之間，電容應(yīng)設(shè)置為50——100f之間。

第五，若對(duì)正弦濾波器進(jìn)行應(yīng)用難以實(shí)現(xiàn)理想效果，則需要對(duì)諧波的來(lái)源、負(fù)載的情況以及周邊用電環(huán)境等多方面因素進(jìn)行充分分析，并采用分開濾波的方式開展工作。

（二）變頻器應(yīng)用宏

在對(duì)通用變頻器進(jìn)行應(yīng)用的過(guò)程之中，可以對(duì)宏的編程進(jìn)行充分應(yīng)用，例如，對(duì)于通用變頻器所具有的速度PID調(diào)節(jié)功能進(jìn)行充分應(yīng)用，并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的改編工作，將其改編成為電壓PID調(diào)節(jié)功能，由此，可以將普通的變頻器作為變頻電源進(jìn)行應(yīng)用[5]。

（三）用電設(shè)備啟動(dòng)電流對(duì)變頻電源的影響

從一般的情況中來(lái)看，對(duì)用電設(shè)備進(jìn)行啟動(dòng)時(shí)，其一瞬間能夠產(chǎn)生的啟動(dòng)電流，為額定電流的4倍甚至更多，這一情況對(duì)于發(fā)電機(jī)組來(lái)說(shuō)，能夠?qū)е掳l(fā)電機(jī)組的輸出電壓降低，但是從發(fā)電機(jī)的角度來(lái)看，其正常的運(yùn)行并不會(huì)受到不良的影響。但是從實(shí)際上來(lái)看，若給予功率器件使用IGBT作為變頻電源，在電流增加的情況下，有可能出現(xiàn)保護(hù)性跳閘的情況，所以在對(duì)變頻電源進(jìn)行設(shè)計(jì)和應(yīng)用的過(guò)程中，需要對(duì)具體負(fù)載情況進(jìn)行充分考慮。開展設(shè)計(jì)工作的過(guò)程中，應(yīng)以負(fù)載額定功率以及起動(dòng)電流作為基礎(chǔ)，對(duì)適宜的變頻器進(jìn)行選擇，對(duì)于功率較大的設(shè)備，應(yīng)使用軟起動(dòng)設(shè)施，并盡量避免多臺(tái)設(shè)備同時(shí)應(yīng)用，并且需要對(duì)相應(yīng)的散熱措施進(jìn)行應(yīng)用，以避免大功率元器件過(guò)熱。

結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于當(dāng)前我國(guó)存在的港口船舶岸電供電工作中存在的問(wèn)題，采用電子變頻技術(shù)將原有的50Hz交流電調(diào)整60Hz交流電，同時(shí)對(duì)諧波問(wèn)題進(jìn)行有效解決，并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓以及強(qiáng)弱電隔離。

參考文獻(xiàn)

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