港口岸基供電配網(wǎng)系統(tǒng)增容改造方案研究

余墨多，黃文燾，邰能靈，陳振宇，李瑤虹，楊 斌

（1.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240；2.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司，江蘇 210024）

引 言

隨著我國(guó)大開發(fā)的啟動(dòng)，港口船舶停靠碼頭的數(shù)量和密度也大幅增加，航運(yùn)業(yè)務(wù)繁忙。以往船舶?？扛劭诒仨毷褂么叭加桶l(fā)電機(jī)發(fā)電，對(duì)船舶上的電力負(fù)荷進(jìn)行供電。發(fā)電機(jī)燃燒重油釋放出不容小視的污染物，同時(shí)燃油發(fā)電機(jī)運(yùn)行噪音對(duì)港口周邊的居民生活造成了困擾[1]，這與將電網(wǎng)建設(shè)成綠色電網(wǎng)的出發(fā)點(diǎn)相悖。

船舶岸電技術(shù)是一項(xiàng)在國(guó)內(nèi)起步不久的技術(shù)，在船舶?？繒r(shí)，停運(yùn)船舶發(fā)電機(jī)，由港口電站接電纜到船舶上進(jìn)行供電。岸電技術(shù)能為船舶提供安全、可靠、清潔且經(jīng)濟(jì)適用的電能，對(duì)港口的運(yùn)作產(chǎn)生長(zhǎng)遠(yuǎn)且積極的影響，同時(shí)有效降低船舶靠港運(yùn)營(yíng)成本，提高整體經(jīng)濟(jì)收益[2-3]。文獻(xiàn)[4]以建湖港與大豐港為例，計(jì)算了靠港船舶對(duì)岸電功率的要求，分析了船舶接用岸電系統(tǒng)的可行性和經(jīng)濟(jì)學(xué)性，并提出了岸電技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案。文獻(xiàn)[5]分析了張家港船舶岸電實(shí)施過(guò)程中存在的問題與困難，提出了實(shí)施建議及措施。

然而，船舶岸電系統(tǒng)的建成勢(shì)必將造成港區(qū)負(fù)荷量的上升。若港區(qū)電網(wǎng)容量投入不足，在面對(duì)岸電系統(tǒng)所帶來(lái)的增長(zhǎng)負(fù)荷時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)電站不能滿足生產(chǎn)需求的情況。港口電網(wǎng)在此種情況下工作，可能造成停電，產(chǎn)生嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)嚴(yán)重影響港口的社會(huì)、工作秩序，甚至發(fā)展成為更加嚴(yán)重的事故[6-7]。為了確保港口安全可靠供電、促進(jìn)港口發(fā)展，以及滿足岸電系統(tǒng)建設(shè)所帶來(lái)的增長(zhǎng)負(fù)荷，港口電網(wǎng)應(yīng)該進(jìn)行相應(yīng)的建設(shè)與改造，改善港口電網(wǎng)的配電設(shè)備、優(yōu)化電網(wǎng)接線方式，為港口電網(wǎng)提供優(yōu)質(zhì)可靠的電力保障。

本文基于船舶岸電系統(tǒng)連接技術(shù)、船舶岸電系統(tǒng)繼電保護(hù)技術(shù)、船舶岸電系統(tǒng)諧波抑制技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)港口電網(wǎng)增容擴(kuò)建、岸電系統(tǒng)設(shè)備選型等進(jìn)行了分析，可為港口岸電改造提供技術(shù)支撐。

1 岸電系統(tǒng)增容擴(kuò)建方案

1.1 港口負(fù)荷容量計(jì)算

為保證增容擴(kuò)建后港口電網(wǎng)能夠滿足正常工作需求，應(yīng)該對(duì)岸電系統(tǒng)增加的容量進(jìn)行計(jì)算。按照三類負(fù)荷法對(duì)岸電系統(tǒng)供給的船舶進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算，可得：

船舶并非永久?？吭诓次簧鲜褂冒峨姡看瓮？康臅r(shí)間有限。港口可能會(huì)有多個(gè)岸電供應(yīng)碼頭?？紤]到以上兩個(gè)因素，可得：

式中：N代表岸電供應(yīng)碼頭數(shù)量；Mi代表第i個(gè)碼頭年平均?？看按螖?shù)；Ti1代表第i個(gè)碼頭船舶平均停靠時(shí)間；Ti2代表第i個(gè)碼頭岸電設(shè)備接入與脫離時(shí)間。

為簡(jiǎn)化問題，可將所有岸電系統(tǒng)碼頭供給的船舶等價(jià)位一艘一年四季長(zhǎng)期?？吭诖a頭邊的船。該船舶的有功功率與無(wú)功功率如式(5)～(6)所示：

考慮電能傳輸與轉(zhuǎn)換時(shí)的損耗，港口電網(wǎng)所增加的容量如式(7)所示：

該船可等價(jià)為一個(gè)阻抗：

1.2 最大電流計(jì)算

岸電系統(tǒng)建成后，港口電網(wǎng)原有的線路容量可能無(wú)法滿足新的工作需求。因此需要對(duì)電網(wǎng)的線路進(jìn)行校核、計(jì)算線路可能出現(xiàn)的最大電流。

圖1 港口電網(wǎng)簡(jiǎn)化電路

岸電系統(tǒng)建設(shè)前港區(qū)電網(wǎng)電路如圖1所示，港區(qū)電網(wǎng)是受端電網(wǎng)，無(wú)內(nèi)部供電電源，電能全部由外部電網(wǎng)提供。港口由外部電網(wǎng)G以U1的電壓等級(jí)供電，經(jīng)過(guò)變壓器T后，以U2的電壓等級(jí)向港口的負(fù)荷供電。港口原負(fù)荷量為P0+jQ0，峰值負(fù)荷為P0,Peak+jQ0,Peak，可等價(jià)為阻抗如式(9)～(10)所示：

母線上流過(guò)的電流為：

式中：ZT是變壓器折算到高壓側(cè)的阻抗值。

母線上流過(guò)的峰值電流為：

圖2 建設(shè)岸電系統(tǒng)后港口電網(wǎng)簡(jiǎn)化電路

岸電系統(tǒng)建設(shè)后港區(qū)電網(wǎng)電路如圖2所示。在港區(qū)變電站下，一艘永久?？吭诖a頭，負(fù)荷量為S△的船舶等價(jià)為了岸電系統(tǒng)。

當(dāng)岸電系統(tǒng)所有碼頭均停靠有船舶，負(fù)荷量達(dá)到峰值：

等價(jià)為阻抗：

建設(shè)岸電系統(tǒng)后，母線上流過(guò)的電流為：

母線上流過(guò)的峰值電流為：

1.3 電壓調(diào)節(jié)計(jì)算

當(dāng)岸電系統(tǒng)投入使用時(shí)，由于負(fù)荷量的增加，港口電網(wǎng)的電壓值可能會(huì)下降。因此需要改進(jìn)港口變電站的調(diào)壓措施，以適應(yīng)港口負(fù)荷的增長(zhǎng)。一種調(diào)節(jié)電壓的辦法是改良港口變電站的變壓器分接頭來(lái)進(jìn)行電壓調(diào)整。港口變電站的變壓器為降壓變壓器，低壓方只有一個(gè)額定抽頭，故需要調(diào)節(jié)高壓方的抽頭。

圖3 變壓器等值電路

如圖3所示是變壓器等值電路。T是一個(gè)理想的、高壓側(cè)有多個(gè)抽頭的變壓器，而RT+jXT是變壓器折算到高壓側(cè)的等值阻抗。根據(jù)以上等值電路可得：

需要選擇合適的抽頭電壓Ut1以滿足低壓側(cè)的電壓達(dá)到U2。為了選擇合適的抽頭，必須考慮港口負(fù)荷的變化情況，即考慮港口最大負(fù)荷與最小負(fù)荷。在增加岸電系統(tǒng)后，港口的最大負(fù)荷增加量應(yīng)該等于岸電系統(tǒng)工作峰值容量，最小負(fù)荷則保持不變。在建設(shè)岸電系統(tǒng)之前，變壓器的高壓分接頭電壓應(yīng)為：

式中：Ut1,max代表最大負(fù)荷情況下計(jì)算出的分接頭電壓；Ut1,min代表最小負(fù)荷情況下計(jì)算出的分接頭電壓。

在建設(shè)安定點(diǎn)系統(tǒng)之后，在最大負(fù)荷情況下計(jì)算出的分接頭電壓如式(24)所示：

式中：U2,N代表低壓側(cè)額定電壓值；U2,max代表低壓側(cè)在指定調(diào)壓方法下于最大負(fù)荷時(shí)的電壓值。

新的變壓器高壓分接頭電壓應(yīng)為：

除了改變變電站內(nèi)變壓器分接頭以外，還可以采用增加無(wú)功補(bǔ)償裝置的辦法進(jìn)行調(diào)壓。增設(shè)靜止電容器、靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVC）以及同步補(bǔ)償機(jī)均可有效改善港口電網(wǎng)的功率因素，維持港口電網(wǎng)的電壓水平。

2 岸電系統(tǒng)改造方案

圖4 岸電系統(tǒng)改造流程

圖4顯示了岸電系統(tǒng)的改造流程。首先，在確定了接用岸電的船舶類型后，需要對(duì)岸電系統(tǒng)的上船方式進(jìn)行選擇；根據(jù)對(duì)岸電系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展的預(yù)測(cè)，選擇合理的岸電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以適應(yīng)岸電系統(tǒng)今后的擴(kuò)建可能。與此同時(shí)，采用三負(fù)荷法計(jì)算船舶所需的有功容量[10]；根據(jù)船舶容量，確定岸電系統(tǒng)的最優(yōu)上船電壓與岸電系統(tǒng)的變壓方式；對(duì)聯(lián)接電纜進(jìn)行選型操作。在確定了岸電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、上船方式、上船電壓等級(jí)后，設(shè)計(jì)靜止電子式岸電電源；計(jì)算岸電系統(tǒng)建設(shè)后，港口變電站所需要進(jìn)行的增容量；確立岸電雙頻系統(tǒng)的保護(hù)方案。

完成岸電系統(tǒng)的改造流程后，需要對(duì)岸電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中各類電力設(shè)備進(jìn)行配置。各個(gè)岸電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在電力設(shè)備配置難度上的優(yōu)劣比較如表1。

表1 岸電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的選擇結(jié)果，為了更好地完成岸電系統(tǒng)的匹配，需要對(duì)各個(gè)電力設(shè)備進(jìn)行評(píng)估。從可靠性、占地面積、設(shè)備使用量等因素來(lái)看，集中式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是一種較為合適的岸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，它在碼頭上的占地面積遠(yuǎn)小于分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗淖冾l單元已經(jīng)集中在了岸電系統(tǒng)變電站中。分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由于在碼頭上需要安裝靜止電子式岸電電源，碼頭將很難進(jìn)行施工作業(yè)，同時(shí)岸電設(shè)備也無(wú)法順利地進(jìn)行移動(dòng)操作。使用集中式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，碼頭上的岸電設(shè)備只需很小的占地面積。

除了考慮設(shè)備的占地面積與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的匹配，不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的設(shè)備數(shù)量、設(shè)備類型也有所差距。集中式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相較于其他的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，靜止電子式岸電電源的設(shè)置方式是最為經(jīng)濟(jì)的，且變壓器的數(shù)目也少于分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。但集中式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)需要使用雙母線接線，并配置雙母線轉(zhuǎn)換開關(guān)。為了進(jìn)一步地分析岸電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中不同電力設(shè)備的配置，需對(duì)各主要設(shè)施進(jìn)行逐個(gè)分析。

2.1 岸電系統(tǒng)變電站

岸電系統(tǒng)變電站是岸電系統(tǒng)的核心，是系統(tǒng)的中心設(shè)施。在岸電系統(tǒng)變電站中，主要包含了斷路器、隔離開關(guān)、過(guò)電壓吸收器、變壓器等設(shè)備，它們聯(lián)接在一起，并與外部的大電網(wǎng)相連。岸電系統(tǒng)變電站對(duì)于集中式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)尤為重要，在變電站內(nèi)器，雙母線、雙母線轉(zhuǎn)換開關(guān)、儀用變壓器等設(shè)備。一些繼電保護(hù)裝置和綜合控制系統(tǒng)都集中于此。

在分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與直流傳輸式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，岸電系統(tǒng)變電站中的設(shè)備不多，因此建設(shè)面積也不大；在集中式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，由于靜止電子式岸電電源的存在，岸電系統(tǒng)變電站則占了很大的面積。若岸電系統(tǒng)供應(yīng)容量較大，則可能使用多個(gè)靜止電子式岸電電源并聯(lián)工作，多個(gè)變頻單元以及相應(yīng)的變壓器、測(cè)量設(shè)備、保護(hù)裝置的加入，這將使得岸電系統(tǒng)變電站的占地面積急劇增大。另外，岸電系統(tǒng)變電站的合理選址能夠有效減少岸電系統(tǒng)中的電纜總長(zhǎng)度，這在多個(gè)碼頭都使用岸電時(shí)尤為顯著。

2.2 雙母線轉(zhuǎn)換開關(guān)

集中式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的雙母線轉(zhuǎn)換開關(guān)是其他網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)都不會(huì)使用到的設(shè)備。雙母線轉(zhuǎn)換開關(guān)用于連接50 Hz與60 Hz的母線，并將不同頻率的電力根據(jù)船舶的需求分配至不同的碼頭。雙母線轉(zhuǎn)換開關(guān)由兩部分組成，它們是電能流入端與電能輸出端。電能流入端有著兩個(gè)隔離開關(guān)，分別與50 Hz與60 Hz母線相連。電能輸出端為一個(gè)在碼頭上的岸電箱供電。雙母線轉(zhuǎn)換開關(guān)如圖5所示。

圖5 雙母線轉(zhuǎn)換開關(guān)示例

雙母線轉(zhuǎn)換開關(guān)應(yīng)有如下功能：

1）擁有兩個(gè)隔離開關(guān)，能夠?qū)蓷l母線與受端電路分別隔離開；

2）具有內(nèi)部閉鎖功能，兩個(gè)隔離開關(guān)不能同時(shí)閉合，當(dāng)一個(gè)開關(guān)閉合后，另一個(gè)開關(guān)應(yīng)該可靠閉鎖；

3）具有外部閉鎖功能，兩個(gè)隔離開關(guān)和與雙母線轉(zhuǎn)換開關(guān)相連的斷路器均應(yīng)建立一套合理的閉鎖邏輯；

4）便于安裝與拆卸，能夠在岸電系統(tǒng)要擴(kuò)建時(shí)順利安裝在雙母線上；

5）在過(guò)載、過(guò)電壓或過(guò)電流的情況下，都能夠保證在50 Hz與60 Hz兩個(gè)頻率下正常工作。

在雙母線轉(zhuǎn)換開關(guān)中，往往配置有兩類工作在不同頻率的電壓互感器與電流互感器，它們被用來(lái)測(cè)量不同頻率下雙母線轉(zhuǎn)換開關(guān)的工作電壓與工作電流，并把數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖Ｗo(hù)裝置中，以在發(fā)生故障時(shí)使斷路器啟動(dòng)。

為了更形象說(shuō)明雙母線轉(zhuǎn)換開關(guān)的功能特性，以Uni Gear雙母線系統(tǒng)中的ZS1轉(zhuǎn)換開關(guān)為例，通過(guò)表2說(shuō)明雙母線轉(zhuǎn)換開關(guān)的工作特性。

表2 不同額定電壓雙母線轉(zhuǎn)換開關(guān)電氣特性

與雙母線轉(zhuǎn)換開關(guān)匹配工作的是雙母線斷路器。雙母線斷路器與普通的斷路器不同之處在于它需要工作在50 Hz與60 Hz兩種頻率下，因此在對(duì)雙母線斷路器進(jìn)行選擇時(shí)，需要在兩種頻率下進(jìn)行試驗(yàn)，以判定是否能夠在兩種電力頻率下均保證長(zhǎng)期正常工作，并能夠完成斷路、滅弧等功能。

2.3 碼頭岸電箱

碼頭岸電箱包括了變壓器、電纜管理系統(tǒng)等設(shè)備。如果為分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，碼頭岸電箱中應(yīng)該還含有靜止電子式岸電電源；如果為直流傳輸式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，碼頭岸電箱中應(yīng)該還有可調(diào)頻的逆變?cè)O(shè)備。碼頭岸電箱還應(yīng)包含隔離開關(guān)、斷路器等設(shè)備，以滿足安全供電的條件。碼頭岸電箱在部分上船方式中被設(shè)置為可移動(dòng)式的，擁有機(jī)動(dòng)性的碼頭岸電箱能夠完成更加可靠的電纜連接操作。

碼頭岸電箱中的變壓器是岸電系統(tǒng)與船舶電力系統(tǒng)的最后連接環(huán)節(jié)，它能夠保證船舶電力系統(tǒng)與岸電系統(tǒng)之間、連接了岸電系統(tǒng)的不同船舶之間的電氣隔離。另外，碼頭岸電箱中的變壓器能夠有效減小故障電流，同時(shí)能夠降低船舶上發(fā)生電氣故障后發(fā)生致命的故障穿越的可能。碼頭岸電箱中的變壓器更重要的功能是提高電壓等級(jí)，使得供電電壓與船舶電壓匹配，同時(shí)降低傳輸中的線路損耗。

對(duì)于碼頭岸電箱中的變壓器而言，流過(guò)的電能可能是50 Hz也可能是60 Hz，因此需要對(duì)變壓器的工作頻率進(jìn)行研究。如果采用兩臺(tái)變壓器進(jìn)行工作，一臺(tái)的額定頻率是50 Hz，一臺(tái)的額定頻率是60 Hz，這樣還需要配置相應(yīng)的遠(yuǎn)程遙控裝置、轉(zhuǎn)換開關(guān)、保護(hù)裝置，同時(shí)這樣將會(huì)占用大量的碼頭空間，是十分不經(jīng)濟(jì)的。因此考慮采用一臺(tái)變壓器在兩種頻率下工作。如果采用額定頻率為50 Hz的變壓器，當(dāng)它工作在60 Hz的電力下時(shí)，由于電力頻率的上升，電抗值將會(huì)相應(yīng)的提高，變壓器的整體阻抗值將會(huì)變高，這勢(shì)必導(dǎo)致較額定頻率下更大的電壓下降。但頻率的上升除了帶來(lái)電壓下降外，并不會(huì)對(duì)變壓器帶來(lái)?yè)p害。如果采用額定頻率為60 Hz的變壓器，當(dāng)它工作在50 Hz的電力下時(shí)，由于頻率的下降，電抗值相應(yīng)下降，變壓器的阻抗值將會(huì)減小，這將導(dǎo)致流過(guò)變壓器的電流上升。變壓器若長(zhǎng)期處于這樣的工作情況下，較大的電流將會(huì)損耗變壓器。因此，碼頭岸電箱的變壓器應(yīng)該使用設(shè)計(jì)為50 Hz的變壓器，而不能采用設(shè)計(jì)為60 Hz的變壓器。

當(dāng)額定頻率為50 Hz的變壓器流過(guò)60 Hz電能時(shí)，各額定項(xiàng)的發(fā)生的變化如表3所示。

表3 50 Hz變壓器流過(guò)60 Hz電能時(shí)各額定項(xiàng)變化

碼頭岸電箱中的變壓器應(yīng)采用Dyn型變壓器，并且高阻接地。高阻接地能夠避免暫態(tài)過(guò)電壓，有效減小設(shè)備損傷。由于中性點(diǎn)高阻接地，接地電流將被限制在系統(tǒng)電容電流之下，這將使由于間歇性弧光故障產(chǎn)生的過(guò)電壓被穩(wěn)定到相電壓值。ABB的岸電Resibloc干式變壓器因?yàn)槠潴w積小、冷卻效果好、大容量、低噪聲等性能被用在了岸電系統(tǒng)中，它的各項(xiàng)數(shù)據(jù)如表4所示，以下數(shù)據(jù)可作為岸電系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析使用。

表4 Resibloc干式變壓器

3 結(jié) 語(yǔ)

本文主要研究了船舶岸電系統(tǒng)的改造方案。首先，分析了港口電網(wǎng)的供電結(jié)構(gòu)，而后提出了岸電系統(tǒng)增容擴(kuò)建方案，具體指出了港口電站需要增加的容量、港口變電站母線需要增加的最大電流以及港口變電站電壓的調(diào)節(jié)方案；最后，提出了岸電系統(tǒng)整體建設(shè)方案架構(gòu)，并對(duì)岸電系統(tǒng)建設(shè)中變電站的選址、雙母線轉(zhuǎn)換開關(guān)以及碼頭岸電箱的設(shè)備進(jìn)行了介紹。本文研究成果能夠促進(jìn)我國(guó)港口岸電電網(wǎng)的建造與擴(kuò)容能力，極大地提高我國(guó)電力企業(yè)與船舶工業(yè)的技術(shù)協(xié)調(diào)能力、打破用電壁壘，并在增供擴(kuò)銷等方面為供電企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。