大型集裝箱船中壓岸電系統(tǒng)應用研究

鄭恒持，王孫清，張 煒，招 聰

大型集裝箱船中壓岸電系統(tǒng)應用研究

鄭恒持，王孫清，張 煒，招 聰

（中國船舶科學研究中心，江蘇無錫 214000）

中壓岸電系統(tǒng)的應用在我國仍然處于起步階段。為推動我國船舶岸電系統(tǒng)（簡稱AMP系統(tǒng)）的發(fā)展，對中壓AMP系統(tǒng)進行了深入研究。通過對中壓AMP系統(tǒng)的結構以及快速連接、無縫切換、變頻穩(wěn)壓三項關鍵技術介紹，建立了理論基礎。以CO2為例對AMP系統(tǒng)進行環(huán)境效益分析，驗證了其發(fā)展的必要性。

AMP系統(tǒng) 快速連接 無縫切換 變頻穩(wěn)壓

0 引言

作為最主要的海上運輸工具，大型商船主要靠柴油機和柴油發(fā)電機來提供動力，而集裝箱船幾乎是同等情況下耗油量最大的船舶。柴油、劣質(zhì)燃油燃燒產(chǎn)生大量的NOX、SOX、CO2和固體顆粒物，直接排放到大氣中嚴重污染了空氣并且會破壞臭氧層。船舶5%的燃油消耗是在港口，所以港口經(jīng)常處于嚴重污染狀況下。目前，解決港口的環(huán)境污染問題越來越受到各國的重視，美國率先提出：凡是新建碼頭，船舶靠港期間均要停止使用船用柴油發(fā)電機改用岸電電源供電，以此來降低環(huán)境污染[1]。

1 中壓AMP系統(tǒng)的組成

中壓AMP系統(tǒng)船端主要包括：電纜絞車、電纜、電纜快速連接接頭、中壓岸電連接屏、中壓岸電接收屏、中壓岸電控制屏、中壓岸電供電屏等。AMP系統(tǒng)岸端主要包括：電站、高壓大功率電力電子變換器、電纜、插座等[2]。AMP系統(tǒng)結構如圖1所示。

兩臺電纜絞車分別位于船艉左右兩舷電纜絞車室內(nèi)，由電纜卷筒、液壓驅(qū)動系統(tǒng)、電動機、電纜絞車控制屏等組成。通過調(diào)節(jié)裝置可以使電纜始終保持恒張力，這樣即使港口發(fā)生潮汐變化或是在裝卸貨物時船舶吃水發(fā)生變化都不會影響供電。

AMP系統(tǒng)的電纜是特制的，每根電纜包括動力纜芯（Power Cable）、接地纜芯(Earthing Cable)、引導纜芯(Pilot Cable)、通信纜芯(Optical Fibres)。電纜型號選取要根據(jù)岸電的電力容量，計算出正常的工作電流來選擇合適的動力電纜截面積[3]。本船所需的電力容量是6600 kW（電壓為6.6 kV），電流為1000 A，選用電纜的截面積是185 mm2，單根纏繞額定載流量為400 A，采用3根并聯(lián)供電，電纜載流量為1200 A，滿足要求。

圖1 AMP系統(tǒng)結構示意圖

電纜快速連接接頭與岸上的接電插座必須能夠在很短時間內(nèi)實現(xiàn)緊固連接，確保岸電快速接入船舶。但是目前存在一個主要問題是各國的充電插口沒有形成統(tǒng)一的標準，導致岸電系統(tǒng)不能實現(xiàn)標準化。DNV提出：到2020年不論是新建船舶還是現(xiàn)有船舶，港口與船舶之間的充電插口要標準化，要能夠在任何一個港口實現(xiàn)船舶與岸電的連接[4]。

兩個中壓岸電接收屏在中壓配電室接收岸電連接屏送來的岸電，并通過中壓岸電供電屏供給電網(wǎng)。該屏設有數(shù)字顯示繼電器，實現(xiàn)岸電延時保護（過流保護、欠壓保護、缺項保護）。同時設有數(shù)字式顯示儀表（電流表、功率表、頻率表、電壓表、相序表）、選擇開關、指示燈、真空斷路器等。

中壓AMP系統(tǒng)岸基需要設置高壓大功率電力電子變換器。電力電子變換器穩(wěn)定地將電壓、頻率轉換成船上所需要的值，而且具有線路絕緣、消除諧波、校正功率因數(shù)等功能。

2 中壓AMP系統(tǒng)關鍵技術

2.1 快速連接技術

船舶靠港后，如果使用岸電需要用電纜將碼頭上的岸電箱與船舶岸電連接屏連接。岸電和船舶的精確連接是AMP系統(tǒng)中的一個重要技術。為保證這一技術需要建立電纜管理系統(tǒng)。

AMP系統(tǒng)的電纜管理系統(tǒng)根據(jù)船舶的差異和港口的不同分成以下幾類：

1）船載電纜管理系統(tǒng)

船載電纜管理系統(tǒng)是現(xiàn)在普遍應用的一種方式，把電纜管理系統(tǒng)安裝在船的左右兩舷，電纜和快速連接插頭都在船上，通過絞纜車釋放和回收電纜。這種方式幾乎不會占用碼頭的空間，對那些空間不足的碼頭具有明顯優(yōu)勢。當然這種方式必須對每艘要使用岸電的船舶進行改造，成本較高，并且會占用船舶空間。

2）岸裝電纜管理系統(tǒng)

岸裝電纜管理系統(tǒng)是把電纜管理系統(tǒng)裝在碼頭上，船舶靠港后，岸上的電纜管理系統(tǒng)將電纜釋放，通過人工或起重機將電纜拉至船上，與船舶的岸電連接屏連接。這種方式雖然不需要對每艘船進行改造，但是將會占用較大的碼頭空間，不利于碼頭裝卸作業(yè)。

3）安裝在駁船上的電纜管理系統(tǒng)

美國洛杉磯港口將電纜管理系統(tǒng)裝在一個可以隨時移動的駁船上。當船舶靠港需要使用岸電時，通過駁船將電纜一邊連接到船舶上另一邊連接到碼頭岸電電源上。這種獨特的方式既不占用碼頭空間，也無需對船進行改造，只需要額外加一條駁船。

4）移動式電纜管理系統(tǒng)

移動式岸電管理系統(tǒng)比較靈活，可以自由地在碼頭上移動使用。當船舶需要連接岸電時，把它推到相應的位置；當船舶離港后，把電纜管理系統(tǒng)移開。這種方式一般不會占用碼頭的空間，比較適合空間較小的碼頭使用。并且可以在其上面安裝二次變壓設備，使得應用更為廣泛。

岸電的連接比較耗時，根據(jù)實際情況選擇合適的電纜管理系統(tǒng)有助于快速高效的使用岸電電源。

2.2 無縫切換技術

無縫切換技術也稱為同步并車技術[5]，切換過程不斷電，保證了設備的安全運行，對船舶上用電設備具有保護作用。無縫切換技術是未來岸電技術的發(fā)展趨勢，將在AMP系統(tǒng)的推廣中起到關鍵作用。

當船舶到達港口，可以使用所在地電網(wǎng)提供的60 Hz、6.6 kV岸電。起初岸基AMP主開關、船端岸電接收屏主開關都是打開的，船上左右舷的兩個電纜絞車將柔性電纜通過快速接頭連接到岸上連接箱插座上，并且閉合岸基電源主開關和船端岸電接收屏主開關，這樣就可將岸電輸送到船上；接著通過AMP控制屏的同步裝置將岸電并入船舶電網(wǎng)（岸電和船舶發(fā)電機同時工作）；然后將負載從船舶發(fā)電機轉移到岸基電源上、船舶發(fā)電機脫離電網(wǎng)、船舶柴油發(fā)電機停機，此時船舶完全由岸基供電。這樣就完成了由船電到岸電的轉換。

當船舶離港時，將使用船舶發(fā)電機供電。此時需要將岸電轉換為船電，過程如下：空載啟動船舶發(fā)電機、船舶發(fā)電機并入電網(wǎng)（岸電和船舶發(fā)電機同時工作）、負載轉移到發(fā)電機、船端和岸端AMP主開關斷開、斷開快速接頭收回電纜。

2.3 大功率電力電子變頻穩(wěn)壓技術

實現(xiàn)大功率電力電子變頻穩(wěn)壓技術的核心設備就是高壓靜止頻率變換器，它直接影響著岸電電源的品質(zhì)。高壓靜止頻率變換器的變頻驅(qū)動電路主要由整流電路（交流變直流的電路）、中間電路（控制直流電壓的電路）、逆變電路（直流變交流電路）以及變頻控制電路等組成。通過脈寬調(diào)制技術（PWM）將某種頻率和電壓等級的高壓交流電轉變?yōu)榱硪环N頻率和電壓等級的交流電。

高壓大功率靜止頻率變換器主要是由逆變器和整流器兩部分組成的，功率逆變器主要拓撲有三種：功率器件（IGBT）串聯(lián)均壓二電平結構（DCC）、飛跨電容多電平變換電路（FC）以及級聯(lián)H橋多電平變換電路（CHB）[6]。

1）功率器件（IGBT）串聯(lián)均壓二電平結構(DCC)

功率器件（IGBT）串聯(lián)高壓靜止頻率變換器主電路如圖2。從圖中可以看出高壓交流電通過高壓斷路器進入高壓靜止頻率變換器。交流電首先經(jīng)過整流電路，通過二極管全橋整流完成交流到直流的變換，再通過中間電路的直流平波電抗器進行電容濾波，接著通過逆變電路把直流電重新逆變成交流電，最終將輸出的交流電經(jīng)過正弦濾波器濾波得到正弦交流電。

二電平結構由于串聯(lián)帶來了均壓問題，特別是在輸出有功功率時，無法保證每級直流母線電容的沖放電時間一致，使得電容電壓不穩(wěn)定，電路工作不正常。于是在此基礎上演化出三電平中性點鉗位變換結構(3L-NPC)。三電平結構每個元器件承受的反相電壓是母線電壓的一半，且結構簡單，成本較低，是未來發(fā)展的趨勢。

2）飛跨電容多電平變換電路（FC）

飛跨電容多電平變換電路的單相橋臂電路結構如圖3所示。這種結構中采用飛跨電容取代了鉗位二極管，工作原理與串聯(lián)均壓二電平電路相似。此結構有利于模塊化設計，且當輸入電壓發(fā)生短暫變化時對輸出的影響較小[7]。該拓撲結構節(jié)省了大量的鉗位二極管，但是同時也引入不少飛跨電容，由于電容成本高、壽命短、體積大、可靠性低，使得飛跨電容多電平變換電路推廣受到了影響。

圖2 功率器件串聯(lián)高壓靜止頻率變換器主電路

圖3 飛跨電容多電平變換電路的單相橋臂電路圖

3）級聯(lián)H橋多電平變換電路（CHB）

圖4 級聯(lián)H橋多電平變換電路的單相橋臂電路

級聯(lián)H橋多電平變換電路的單相橋臂電路結構如圖4所示。級聯(lián)H橋多電平變換電路既不需要大量的鉗位二極管也不需要大量的飛跨電容，但是它需要獨立電源為每個級聯(lián)單元供電[8]。這種結構不存在均壓問題，有利于形成模塊化，同等級數(shù)所需要的元器件數(shù)量最少，適合應用于高電壓、大功率結構。但是為每個級聯(lián)單元提供一個獨立電源、移相變壓器，無疑增加了成本。

3 AMP系統(tǒng)的環(huán)境效益分析

使用岸電最主要的原因之一是為了保護環(huán)境，為綠色航運的實現(xiàn)作出努力。那么岸電的使用究竟能產(chǎn)生多大的環(huán)境效益？下面將以溫室氣體CO2為例對岸電的環(huán)境效益進行分析。

為了方便比較，將船舶柴油發(fā)電機和岸上火力電廠所需要的燃料都轉化為標準煤進行計算[9]。我國規(guī)定每千克標準煤的熱值為7000千卡（7000 kcal/kg），即29.400 kJ/kg。船用重油HFO的基準低熱值為42000 kJ/kg，船用輕柴油MDO的基準低熱值為427000 kJ/kg，按熱值計算得到如下（1）、（2）的換算關系：

單船靠泊期間的燃油消耗量由式（3）可得：

G為燃油消耗量(g)，P為每艘船靠泊期間平均用電負載（kW），T為單船靠泊時間(h)，g為船舶發(fā)電機燃油消耗率(g/kWh)，為有效效率。

一般船舶四沖程增壓柴油機額定工況的有效油耗率為160~230 g/kWh[10]，靠泊期間柴油發(fā)電機低負荷運行，運行工況明顯變差，設定此時的油耗率為230 g/kWh，船舶同步發(fā)電機的效率通常為85%~95%，本文取90%計算。由式（1）、（2）、（3）可得發(fā)電柴油機使用HFO和MDO轉換為標準煤的供電耗能：

電力的熱值一般有兩種計算方法：一種是按理論熱值計算，另一種是按火力發(fā)電煤耗計算。兩種方法用途不同。理論熱值是按每度電本身的熱功當量860大卡即122.9克標準煤計算的?；鹆Πl(fā)電煤耗每年各不相同，為便于對比，以國家統(tǒng)計局每萬度電折0.404千克標準煤，作為電力折算標準煤系數(shù)。為了方便，本文采用理論熱值的計算方法，計算船舶使用岸電比船用柴油發(fā)電機燃用重油和輕柴油CO2減排：

根據(jù)計算不難看出，不論使用重油還是輕柴油，靠港后使用岸電可以減少至少66%的CO2氣體排放，大大減小了溫室氣體的排放。而且石油制品燃燒還會產(chǎn)生大量的NOX、SOX、固體顆粒，NOX造成光化學污染，SOX形成酸雨，固體顆粒會增加霧霾程度。所以船舶靠港使用岸電可以很大程度上減少有害物的排放，環(huán)境效益是相當可觀的。而且陸上電廠不受狹小空間和工作環(huán)境的限制，極易實現(xiàn)風力發(fā)電、水力發(fā)電、太陽能發(fā)電、核能發(fā)電，這樣減排效果會更好。

4 結論

在環(huán)境問題成為世界主題的未來，AMP系統(tǒng)推廣是必然的。然而，國內(nèi)外一直沒有制定統(tǒng)一的岸電標準，岸電受用電高峰影響會出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，AMP系統(tǒng)建造及改造的巨大花費等問題使得岸電推廣受到阻礙。我國對岸電系統(tǒng)的關鍵技術掌握不夠成熟，與發(fā)達國家還有很大差距。因此，我國更要克服阻礙加快岸電技術研究，為綠色航運做出貢獻。

[1] 徐筱云, 劉維里. 中壓岸電AMP系統(tǒng)的安全操作及管理[J]. 航海技術, 2011, (6): 54-57.

[2] 李學強. AMP系統(tǒng)在綠色航運中的應用[J]. 航海技術，2009, （4）：47-48.

[3] 楊海建. 船舶岸電系統(tǒng)簡介[J]. 江蘇船舶, 2011, （4）: 23-26.

[4] DNV. Technology Outlook 2020. 2011.

[5] 孫永濤. 靠港船舶供岸電電源技術及自動并車系統(tǒng)研究[D]. 武漢: 武漢理工大學, 2012.

[6] 鄭晟. 中高壓電力電子變換中的功率單元及功率器件的級聯(lián)關鍵技術研究[D]. 杭州: 浙江大學, 2013.

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[8] Bose B k. Power electronics and motor drives recent progress and perspective[J]. Industrial Electronics, IEEE Transactions on, 2009, 56(2): 581-588.

[9] 賈石巖. 船舶使用岸電對溫室氣體排放的控制研究[D]. 大連: 大連海事大學，2009.

[10] 李斌. 船舶柴油機[M]. 大連: 大連海事大學出版社, 2013.

Research on Application of MV AMP System for Large Container Ship

Zheng Hengchi, Wang Sunqing, Zhang Wei, Zhao Cong

(China Ship Science Research Center, Wuxi 214000, Jiangsu, China)

The application of medium voltage alternative maritime power (AMP) system inChina is still in its infancy. In order to promote the development of AMP system, the medium voltage AMP system is studied. The structure characteristics of the medium voltage AMP system and its three key technologies of fast connection, seamless switching and variable frequency stabilization is expounded, and theoretical basis is established. Taking CO as the example, the environmental benefit of AMP system is analyzed, and the necessity of its development is verified.

U665.12

A

1003-4862（2019）10-0042-04

2019-03-07

鄭恒持（1990-），男，碩士生。研究方向：船舶電站自動化、系統(tǒng)建模與仿真。E-mail: hengchi_zheng@foxmail.com