岸電對接靠港船舶無縫供電控制改進(jìn)方法

廣東陽江港港務(wù)股份有限公司 陳智杰

1 靠港船舶使用岸電供電方案的優(yōu)勢

基于我國港口建設(shè)數(shù)量不斷增多，強化綠色化、低碳化港口建設(shè)具有重要的戰(zhàn)略意義。由于船舶靠港會帶來污染問題，為降低污染程度、加快生態(tài)建設(shè)，需使用清潔能源代替柴油，提升節(jié)能、低碳效果。同時為加快推進(jìn)綠色化港口建設(shè)進(jìn)程，需優(yōu)化改進(jìn)船舶靠港供電方式，實踐研究中發(fā)現(xiàn)岸電技術(shù)可解決上述問題。岸電電源供電方式具有綠色、環(huán)保、節(jié)能、低碳優(yōu)勢，可避免船舶靠港產(chǎn)生大氣污染，在岸電技術(shù)支持下能提升岸電電源供電的穩(wěn)定性。具體優(yōu)勢表現(xiàn)在：低排放、噪音小、低碳、增強船員體驗感，與可持續(xù)發(fā)展理念相吻合，符合環(huán)保要求，社會效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著。

交通部《深入推進(jìn)綠色港口建設(shè)行動方案（2018—2022年）》中提出：到2020年長三角、珠三角等水域靠港船舶帶來的污染物要減少到一定范圍內(nèi)，規(guī)定了主要的靠港船舶要使用岸電，進(jìn)而降低經(jīng)濟(jì)成本，提升節(jié)能減排效果；同時，在岸電技術(shù)支撐下可優(yōu)化改造港口相關(guān)設(shè)備建設(shè)，實現(xiàn)對靠港船舶供電方式的改造，進(jìn)而滿足靠港泊船污染物排放要求，更好彰顯低碳、綠色、環(huán)保理念[1]。提升靠港船舶岸電電源供電穩(wěn)定性，需加強無縫并網(wǎng)控制技術(shù)的應(yīng)用。

2 船舶岸電無縫并網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

船舶岸電無縫并網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)采用不斷電的方式進(jìn)行供電，保證船舶照明系統(tǒng)、相關(guān)設(shè)備正常運行，可解決船舶岸電并網(wǎng)后發(fā)電機平穩(wěn)退出問題，在短時間內(nèi)可限制船舶岸電在并網(wǎng)過程中產(chǎn)生沖擊電流，為此可將岸電技術(shù)應(yīng)用在改善低壓船舶岸電并網(wǎng)控制中，可保證無縫并網(wǎng)的可靠性。

就靠港船舶岸電無縫并網(wǎng)過程看，當(dāng)船舶靠港后，需仔細(xì)檢查船舶與岸電電源電纜接地，避免產(chǎn)生靜電電勢差；同時要反復(fù)確認(rèn)岸電和船舶電網(wǎng)連接頭連接情況，確保船舶電網(wǎng)供電穩(wěn)定性。當(dāng)岸電與船舶用電電壓同步后需斷開船舶負(fù)載供電，將船舶柴油發(fā)電機關(guān)閉。岸電電源在供電過程中借助船舶岸電系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)控，加強接地故障、線路短路等故障的識別和判斷[2]。當(dāng)船舶離港時，可通過打開船舶輔機引擎調(diào)節(jié)柴油發(fā)電機，進(jìn)而保證岸電電源與并網(wǎng)同步。

岸電并網(wǎng)過程中以岸電電源為基礎(chǔ)，并在并網(wǎng)過程中實時調(diào)節(jié)柴油發(fā)電機參數(shù)；確保滿足并網(wǎng)條件后將船舶電網(wǎng)與岸電電源進(jìn)行并網(wǎng)。為保證岸電電源供電穩(wěn)定性，需將電源連接到船舶上，由并網(wǎng)裝置發(fā)送調(diào)節(jié)信號，岸電電源接收信號后實時進(jìn)行供電，保證同步調(diào)節(jié)效果，有效規(guī)避對船舶負(fù)載的影響。就并網(wǎng)控制原理看，在智能裝置控制下，調(diào)整岸電電源電壓、頻率與船舶電源同步。結(jié)合無縫并網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，需做好并網(wǎng)合閘前的準(zhǔn)備工作，加強對合閘條件的判斷，利用并網(wǎng)裝置實時獲取岸電電源幅值差、相位差等信號；確認(rèn)發(fā)電機相關(guān)參數(shù)滿足并網(wǎng)要求時可進(jìn)行合閘操作；并對岸電電源進(jìn)行調(diào)整。

3 探究岸電對接靠港船舶無縫供電控制方法的改進(jìn)措施

為實現(xiàn)靠港船舶無縫連接供電，需科學(xué)應(yīng)用無縫并網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)；實踐調(diào)查研究中發(fā)現(xiàn)，岸電逆變雙輸出無縫供電與船舶發(fā)電機對接過程中，受船舶發(fā)電機自身不確定因素的因素會引發(fā)特殊的變化；其不穩(wěn)定因素來源與船舶柴油機調(diào)速器自身屬性有關(guān)；同時由于船用發(fā)電機調(diào)壓器類型存在一定的差異性，會采用調(diào)差精度較高的調(diào)壓器；就船舶負(fù)載情況看會加劇實際并網(wǎng)難度，甚至引發(fā)逆變器過流保護(hù)跳閘現(xiàn)象，因此相關(guān)研究人員認(rèn)為，有必要就岸電對接靠港船舶無縫供電控制方法進(jìn)行改進(jìn)，確保解決船舶電源與岸電電源并網(wǎng)問題。

3.1 岸控逆變器雙輸出港船無縫供電

岸控逆變器雙輸出港船無縫供電的實現(xiàn)，是基于下垂特性基礎(chǔ)上將虛擬調(diào)速器和虛擬的勵磁器引入其中，促使逆變器雙輸出供電頻率與電源慣性保持一致性，利用逆變器雙輸出供電虛擬同步發(fā)電機輔助改進(jìn)。船用柴油發(fā)電機與岸控逆變雙輸出虛擬同步發(fā)電機各自的特性存在一定差異性；要想實現(xiàn)船舶負(fù)載轉(zhuǎn)移目標(biāo)，當(dāng)船舶靠港后需控制柴油發(fā)電機速度，確保控制在合理的功率范圍內(nèi)，關(guān)閉船用發(fā)電機后可完成負(fù)載轉(zhuǎn)移。

岸控逆變器雙輸出港船無縫連接供電系統(tǒng)，主要通過對逆變器供電方式和過渡變壓器供電方的改變，實現(xiàn)對岸控逆變器雙輸出港船無縫連接供電系統(tǒng)的控制[3]。針對于50Hz船舶無縫對接岸電無需進(jìn)行限流控制；可采取更換60Hz逆變裝置供電的方式，實現(xiàn)對50Hz逆變供電方式的轉(zhuǎn)變，進(jìn)而實現(xiàn)直接供電目標(biāo)，避免在并網(wǎng)供電過程中引發(fā)沖擊電流現(xiàn)象。通過改變電網(wǎng)控制頻率可均勻分配船舶的負(fù)載，支持逆變器自動分配荷載，為功率控制提供便利，確保船用發(fā)電機與逆變器荷載分配效果。

3.2 虛擬同步發(fā)電機控制方法

傳統(tǒng)的發(fā)電機主要以電源形式將岸電輸送到電網(wǎng)內(nèi)，并在岸控逆變器輔助下促使船用發(fā)電機與岸電電源并網(wǎng)，最終可保證船舶荷載有效轉(zhuǎn)移，整個負(fù)載自動分配、轉(zhuǎn)移過程中，不需要改變船舶電站控制方式，優(yōu)化了岸電電源與船舶電源無縫對接，進(jìn)而提升岸電電源供電穩(wěn)定性。

在本環(huán)節(jié)研究中，建立逆變雙輸出虛擬同步發(fā)電機模型，根據(jù)垂性原理將虛擬調(diào)速器和虛擬勵磁器引入其中，進(jìn)而實現(xiàn)模型評估分析。結(jié)合虛擬調(diào)速器和虛擬勵磁器應(yīng)用原理看，虛擬同步發(fā)電機控制方法具有實際應(yīng)用和實踐的可行性，賦予了逆變器垂特性，確保逆變器與船用發(fā)電機屬性相似。在此基礎(chǔ)上提出了同步發(fā)電機機電暫態(tài)模型的新型微網(wǎng)逆變電源，并將發(fā)電機慣量和輸出阻抗等相關(guān)特性引入到逆變器中進(jìn)行控制，發(fā)揮了虛擬同步發(fā)電機控制作用，保證并網(wǎng)效果。

通過并網(wǎng)模型的建立，搭建了小信號模型化并網(wǎng)模式和自治模式，優(yōu)化了并網(wǎng)工作模式，實現(xiàn)對有功功率和無功功率的傳輸；通過引入VSG進(jìn)行控制，實現(xiàn)對虛擬電機轉(zhuǎn)軸的控制，支持對同步發(fā)電機轉(zhuǎn)軸減速方式和加速方式的調(diào)控，進(jìn)而保證控制器電勢頻率的控制，確保電勢頻率具有一定的慣性特點；同時可利用虛擬勵磁器控制電氣慣量，避免出現(xiàn)電勢幅值變化的情況，從根本上保證虛擬同步發(fā)電機控制方法的應(yīng)用效果，實現(xiàn)船舶無縫供電控制目標(biāo)。

3.3 并網(wǎng)仿真實驗分析

3.3.1 相序檢測和調(diào)整方法

船舶電動機逆轉(zhuǎn)會出現(xiàn)相序接錯的現(xiàn)象，基于此有必要加強對相序接錯問題的控制，提升逆變自動調(diào)整水平，進(jìn)而更好保證相序與外部接線連接效果，降低相序接線錯誤率，進(jìn)而降低施工接線工作量。

3.3.2 并網(wǎng)條件檢測方法

頻差檢測單元。頻差檢測單元檢測原理：變換電壓正弦波方式，確保轉(zhuǎn)變?yōu)榫匦畏讲?，根?jù)檢測結(jié)果判斷方波周期頻率，確保推導(dǎo)出船用發(fā)電機和未并網(wǎng)岸電的電源頻率值，并在此基礎(chǔ)上求差，根據(jù)頻差絕對值進(jìn)行判斷，保證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

相角差檢測單元。在計算相角差過程中，可根據(jù)待并網(wǎng)岸電電源電壓波形，經(jīng)過0點的時間差進(jìn)行推算，即計算時間差的方式最終可得出相角差檢測值。研究發(fā)現(xiàn)，通過控制時間節(jié)點，可科學(xué)設(shè)置岸電無縫并網(wǎng)時間，進(jìn)而實現(xiàn)對并網(wǎng)時間的把控，保證船舶電源與岸電電源并網(wǎng)的可行性，提升無縫并網(wǎng)供方式實際應(yīng)用效果。在實驗過程中，需要具體結(jié)合并網(wǎng)條件檢測方法進(jìn)行考量，確保岸電電源主開關(guān)合閘后，與船舶電網(wǎng)進(jìn)行并網(wǎng)供電，進(jìn)而保證靠港船舶供電效率，實現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)，減少靠港船舶帶來的污染，推動綠色港口建設(shè)。

3.3.3 相位角預(yù)同步方法

為實現(xiàn)岸電對接靠港船舶無縫供電控制效果，有研究人員提出了岸電逆變器相位角預(yù)同步控制策略，通過實驗驗證，認(rèn)為岸電逆變器相位角預(yù)同步控制具有可行性。在此策略控制下，促使岸電逆變器輸出電壓與船舶電網(wǎng)電壓保持同步，為岸電并網(wǎng)提供了可行性依據(jù)，保證最終的并網(wǎng)效果。在相位角預(yù)同步過程中，運用到三相軟件鎖相環(huán)技術(shù)（SPLL）。

在此項技術(shù)支撐下可更精準(zhǔn)地獲取到船舶電網(wǎng)電壓的相位，為保證船舶電網(wǎng)電壓相位信息有效應(yīng)用，在獲取電壓相位過程中需根據(jù)三相軟件鎖相環(huán)技術(shù)應(yīng)用原理進(jìn)行。三相SPLL可自動跟蹤輸入信號頻率，實現(xiàn)對相位閉環(huán)系統(tǒng)的控制，最終可得到鎖相環(huán)輸出相位角與輸入信號同步的結(jié)果，進(jìn)而對電網(wǎng)電壓進(jìn)行精準(zhǔn)鎖相。基于此，在岸電電源并網(wǎng)操作過程中，需要以船舶電網(wǎng)為基準(zhǔn)，確保岸電電源與船舶電源并網(wǎng)。通過驗證分析證實相位角預(yù)同步方法可行。

綜上，岸電在船舶港口中的應(yīng)用趨勢顯著，岸電本身的應(yīng)用前景十分廣闊，基于環(huán)保、低碳、綠色化港口建設(shè)角度，相關(guān)港口必須積極踐行交通部《深入推進(jìn)綠色港口建設(shè)行動方案（2018—2022年）》等相關(guān)政策，加大岸電技術(shù)在岸電并網(wǎng)中的應(yīng)用，不斷加強對岸電對接靠港船舶無縫供電控制方法進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，切實優(yōu)化船舶電源與岸電電源并網(wǎng)方式，擴大岸電覆蓋和應(yīng)用范圍。