郵輪岸基變頻供電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用

陳一新

廈門港務(wù)集團(tuán)和平旅游客運(yùn)有限公司

1 引言

船舶在港口靠泊期間燃油發(fā)電所帶來的廢氣排放給周邊大氣帶來了嚴(yán)重污染，對靠港船舶采用岸基供電的方式可實(shí)現(xiàn)船舶靠泊期間廢氣的零排放，從而達(dá)到治理大氣污染的目的[1]。在各類型的船舶岸基供電系統(tǒng)中，郵輪岸電系統(tǒng)的供電電壓最高、供電容量最大、供電系統(tǒng)構(gòu)成最復(fù)雜，其對供電可靠性的要求也最高。根據(jù)郵輪岸電實(shí)施和運(yùn)行的特點(diǎn)，針對船舶岸基供電系統(tǒng)應(yīng)用中出現(xiàn)的問題，對其進(jìn)行了分析，并給出了相應(yīng)的技術(shù)解決方案。同時(shí)，針對國內(nèi)郵輪碼頭不能同時(shí)滿足郵輪雙側(cè)供電的問題，介紹了廈門郵輪港在國內(nèi)郵輪碼頭首次實(shí)現(xiàn)郵輪全船型供電的解決方案。

廈門郵輪港船舶岸基變頻供電系統(tǒng)位于廈門東渡港區(qū)0#泊位，采用高壓上船方式，總?cè)萘繛?6 000 kVA，通過調(diào)頻調(diào)壓方式實(shí)現(xiàn)6.6 kV/60 Hz和11 kV/60 Hz兩種電制輸出，滿足最大單艘22萬t級郵輪靠泊作業(yè)期間的供電需求。針對郵輪岸電的高動(dòng)態(tài)響應(yīng)、高電能質(zhì)量、高適配能力需求，廈門港郵輪岸電系統(tǒng)在實(shí)施過程中解決了船岸并網(wǎng)沖擊、電能質(zhì)量差和船舶兼容性差等問題。同時(shí)，鑒于國內(nèi)其他郵輪岸電系統(tǒng)只能對郵輪進(jìn)行單側(cè)供電，廈門郵輪港岸電系統(tǒng)將滿足郵輪的雙側(cè)供電，從而實(shí)現(xiàn)對全船型郵輪的供電。

2 郵輪岸基供電關(guān)鍵技術(shù)

2.1 船岸并網(wǎng)過程中的功率穩(wěn)定控制技術(shù)

岸電系統(tǒng)與船舶電力系統(tǒng)在并網(wǎng)前以各自的頻率、幅值與相位獨(dú)立運(yùn)行，因此船舶電力系統(tǒng)在與岸電的并網(wǎng)過程中會(huì)出現(xiàn)功率波動(dòng)。此外，船岸并網(wǎng)過程中如果船舶發(fā)電機(jī)意外停機(jī)，則岸電輸出功率會(huì)瞬時(shí)大幅波動(dòng)，對并網(wǎng)系統(tǒng)造成巨大沖擊，嚴(yán)重時(shí)將損壞船岸兩側(cè)設(shè)備。同時(shí)，并網(wǎng)過程中船側(cè)負(fù)荷的瞬時(shí)變化也會(huì)導(dǎo)致功率回流，若不能及時(shí)處理，則岸電設(shè)備會(huì)受到損壞，這些問題極大地阻礙了岸電技術(shù)的推廣[2]。

為解決船岸并網(wǎng)切換中出現(xiàn)的這些問題，岸基變頻供電系統(tǒng)的核心設(shè)備變頻電源必須具有高動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，從而精確快速地對功率流進(jìn)行控制，處理并網(wǎng)過程中的功率波動(dòng)和逆功率沖擊，變頻電源控制參數(shù)可采用辨識優(yōu)化算法。在變頻電源控制參數(shù)辨識優(yōu)化算法中，通過建立供電指標(biāo)規(guī)則，根據(jù)實(shí)際工況對各供電指標(biāo)的不同要求賦予相應(yīng)權(quán)值，并求得各指標(biāo)偏離理想輸出特性的加權(quán)均值，以尋求不同工況下變頻電源的最優(yōu)控制參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)岸電系統(tǒng)在復(fù)雜工況下的控制參數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)，岸電變頻電源控制參數(shù)辨識優(yōu)化流程見圖1。

圖1 岸電變頻電源控制參數(shù)辨識優(yōu)化流程

豪華郵輪具有先進(jìn)完善的電力管控系統(tǒng)，可對船舶電力負(fù)荷的用電需求進(jìn)行實(shí)時(shí)管控，動(dòng)態(tài)掌握每個(gè)時(shí)段的用電量并及時(shí)通知岸基變頻電源。在船舶電力接入岸電系統(tǒng)時(shí)，可根據(jù)船岸兩側(cè)電力系統(tǒng)的差異以及船舶負(fù)荷無縫切換的需求按并網(wǎng)過程進(jìn)行多時(shí)段劃分，以形成適用于不同并網(wǎng)環(huán)節(jié)的變頻電源控制方式及功率波動(dòng)平抑策略，從而在大幅降低并網(wǎng)合閘時(shí)刻沖擊功率波動(dòng)的同時(shí)，保證船舶燃油發(fā)電機(jī)組退出運(yùn)行后的岸電運(yùn)行穩(wěn)定性。

同時(shí)，針對船岸供電并網(wǎng)時(shí)船側(cè)發(fā)電機(jī)和岸電電源頻率、電壓和相位失配問題引起的逆功率傳輸問題，可以采用能量回饋型無損吸收回路輔以自適應(yīng)主動(dòng)抑制策略的方式，以實(shí)現(xiàn)船岸并網(wǎng)時(shí)的逆功率有效處理，確保船岸并網(wǎng)的可靠性[3]。

2.2 岸電系統(tǒng)中的網(wǎng)側(cè)和船側(cè)電能質(zhì)量提升技術(shù)

大容量岸基變頻供電系統(tǒng)需要高品質(zhì)供電，一方面，豪華郵輪內(nèi)部電氣系統(tǒng)復(fù)雜、線路阻抗大、敏感負(fù)載多，對岸基供電系統(tǒng)輸出的電能質(zhì)量要求苛刻；另一方面，船舶電網(wǎng)與岸電的并網(wǎng)過程往往伴隨著極大的沖擊功率波動(dòng)，由此產(chǎn)生的大量諧波會(huì)對岸船兩側(cè)的電氣設(shè)備正常運(yùn)行造成影響。同時(shí)，如果岸電系統(tǒng)電能質(zhì)量較差，其輸出電壓可能存在高次諧波振蕩、閃變、過電壓等問題，會(huì)造成額外線路損耗和船用設(shè)備損壞，因此需要提高岸電系統(tǒng)的電能質(zhì)量。

在處理岸電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)諧波問題方面，郵輪岸電的輸入側(cè)變壓器采用了延邊三角形接法，通過多重移相角的設(shè)計(jì)達(dá)到了多脈波整流的效果，從而大幅度抑制了對電網(wǎng)側(cè)的諧波干擾。

在處理岸電系統(tǒng)船側(cè)諧波問題方面，郵輪岸電采用了基于虛擬正交源調(diào)制技術(shù)、多脈波整流技術(shù)及多電平逆變技術(shù)，使輸出電能達(dá)到了“完美無諧波”的正弦波效果，使得船舶負(fù)載能夠得到清潔的岸基電力供應(yīng)。同時(shí)，郵輪岸電采用了面向輸出電壓高動(dòng)態(tài)跟蹤的補(bǔ)償電壓合成方法，解決了并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的電壓閃變和過電壓問題，提高了岸電系統(tǒng)的供電質(zhì)量。

2.3 大容量岸電的多船型左右舷供電技術(shù)

國內(nèi)之前的郵輪岸電系統(tǒng)只針對郵輪左舷供電接口配置了1套岸側(cè)接口，隨著諾維真喜悅號等一批岸電接口在右舷的新型郵輪在我國運(yùn)行，原來只配置1套接口的岸電系統(tǒng)已不能滿足新型船舶的供電要求。為此，廈門郵輪岸電系統(tǒng)在電源輸出側(cè)配置2套出口，分別連接至同一泊位的2套岸電插座箱，以滿足不同結(jié)構(gòu)船舶的左右舷供電需求。

在岸電系統(tǒng)采用雙側(cè)供電后，為避免誤操作高壓電危及人身安全情況的發(fā)生，廈門郵輪港首次提出了郵輪岸基電源邏輯連鎖與安全切換策略。機(jī)械邏輯鎖配置見圖2，岸電系統(tǒng)中的2臺(tái)插座箱的高壓插座均配置機(jī)械鎖，岸電上電時(shí)，首先完成高壓電纜的連接工作，并集齊5把高壓插座的鑰匙。隨后交換出相應(yīng)插座箱對應(yīng)輸出開關(guān)柜的2把機(jī)械鑰匙，最后完成對應(yīng)高壓出線柜的接地刀分閘、斷路器推至工作位的操作。此時(shí)，由于另一臺(tái)插座箱相應(yīng)的鑰匙仍然被固定在交換鎖內(nèi)，所以另一臺(tái)插座箱對應(yīng)的高壓出線柜無法完成合閘工作，從而避免了插座箱誤帶高壓電的可能。岸電斷電時(shí)，流程反向操作，確保只能在高壓回路已切斷的情況下完成拔出電纜的工作，從而保障操作人員安全。

圖2 機(jī)械鎖邏輯配置

3 16 MVA郵輪岸電系統(tǒng)

廈門郵輪港岸基供電系統(tǒng)由岸電變頻電源、船岸連接裝置、本地及遠(yuǎn)程監(jiān)控管理系統(tǒng)等部分構(gòu)成，具有變頻供電、同步并網(wǎng)、監(jiān)控保護(hù)、遠(yuǎn)程通信等功能。整個(gè)岸電供電系統(tǒng)配置11 kV/60 Hz和6.6 kV/60 Hz各一路輸出回路，與港口設(shè)置的0#泊位兩端的2套岸電電源插座箱連接。岸基供電系統(tǒng)在實(shí)施與船舶電源連接、退出及轉(zhuǎn)換過程中實(shí)現(xiàn)無縫切換，滿足郵輪不間斷供電需求。

3.1 岸電變頻電源

郵輪岸電變頻電源為功率單元串聯(lián)疊加多電平變頻電源，采用直接高高結(jié)構(gòu)，類型為電壓源型。整套電源由10 kV網(wǎng)側(cè)進(jìn)線開關(guān)柜、10 kV饋線開關(guān)柜、移相變壓器、變頻功率單元、濾波器、出線多繞組變壓器、出線開關(guān)柜等構(gòu)成，電氣單線圖見圖3。

圖3 郵輪岸電變頻電源電氣單線圖

3.2 船岸移動(dòng)連接裝置

區(qū)別于集裝箱船舶的船岸連接方式，大型豪華郵輪船岸連接需配置移動(dòng)式船岸連接裝置，即移動(dòng)電纜小車，這樣可為不同船型的郵輪和不同結(jié)構(gòu)的郵輪碼頭實(shí)現(xiàn)方便靈活的船岸連接。

移動(dòng)電纜小車有2套電纜系統(tǒng)，一套為岸側(cè)供電連接電纜系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)從碼頭固定供電點(diǎn)向移動(dòng)式電纜管理系統(tǒng)提供岸電的連接；另一套為船岸連接電纜系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)式岸電電纜管理系統(tǒng)與船側(cè)的連接。小車移動(dòng)方式為自動(dòng)行走，配置有電池單元、行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元，可以滿足在碼頭一定范圍的行走。另外，小車前部保留機(jī)械牽引機(jī)構(gòu)，以備緊急情況下使用。移動(dòng)電纜小車的工作范圍設(shè)計(jì)為供電點(diǎn)向兩側(cè)各35 m，機(jī)械臂的舉升范圍為碼頭面以下4.5 m至碼頭面以上1.5 m(見圖4)。船岸接口包括4根高壓動(dòng)力線、1根中性電纜線、2根控制電纜和1根通訊線。同時(shí)，移動(dòng)電纜小車還具有隨船微調(diào)功能及強(qiáng)制平穩(wěn)功能，電纜小車可以根據(jù)潮位情況自動(dòng)調(diào)整電纜收放。

圖4 移動(dòng)電纜小車工作狀態(tài)

3.3 岸電系統(tǒng)運(yùn)行

郵輪岸電系統(tǒng)建設(shè)完畢后進(jìn)行了實(shí)際供電測試，檢驗(yàn)了系統(tǒng)16 MVA額定負(fù)載輸出能力、19.2 MVA過載輸出能力、電能質(zhì)量、安全保護(hù)能力等，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)或優(yōu)于設(shè)計(jì)要求，具備了滿足各類型豪華郵輪的供電需求，相關(guān)測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 岸電系統(tǒng)性能

4 結(jié)語

在各類型船舶岸基供電系統(tǒng)中，郵輪岸基供電系統(tǒng)的技術(shù)要求最高。針對郵輪岸電系統(tǒng)中的并網(wǎng)控制、諧波治理、雙側(cè)供電等問題，結(jié)合廈門郵輪港岸電系統(tǒng)的建設(shè)，對其進(jìn)行了分析并給出了技術(shù)解決方案，實(shí)際測試效果證明了所提出的技術(shù)解決方案的有效性。隨著郵輪岸電應(yīng)用技術(shù)的日趨成熟應(yīng)用，安全、環(huán)保、規(guī)范的郵輪岸電對城市周邊的大氣污染治理必將發(fā)揮更大作用。