港口船舶岸電電源系統(tǒng)研究綜述

劉 杜，孫佳星，喬康恒，徐健超

港口船舶岸電電源系統(tǒng)研究綜述

劉 杜1，孫佳星2，喬康恒3，徐健超3

（1. 國網(wǎng)湖北省電力有限公司檢修公司，武漢 430000；2. 海軍駐蕪湖地區(qū)軍事代表室，安徽蕪湖 241000；3. 海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430033）

隨著造船技術(shù)快速發(fā)展以及國際貿(mào)易愈加頻繁，國內(nèi)外靠港的大噸位船舶數(shù)量急劇增加，傳統(tǒng)柴油發(fā)電機(jī)船舶靠港的大量增加勢必會給港口環(huán)境帶來嚴(yán)重污染。船舶岸電電源系統(tǒng)作為靠港船舶新的供電方案，可極大降低靠港船舶產(chǎn)生的污染。本文對岸電電源系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，并對岸電電源系統(tǒng)組成及其供電模式方案進(jìn)行闡述，尤其對變流器部分進(jìn)行重點(diǎn)分析。最后在綜合分析的基礎(chǔ)上對岸電電源在未來的研究發(fā)展方向進(jìn)行了技術(shù)展望。

岸電電源 供電模式 變流器

0 引言

靠港船舶在停泊期間用電需求一般依靠船上柴油發(fā)電機(jī)滿足。船舶柴油發(fā)電機(jī)主要消耗輕質(zhì)或重質(zhì)柴油[1]，其發(fā)電過程會伴隨產(chǎn)生大量氮氧化合物、硫氧化合物、揮發(fā)性有機(jī)化合物和柴油顆粒污染物，會對港口及周遭環(huán)境造成極大的污染[2]。近年來，隨著環(huán)保要求的提高，解決船舶靠港期間的污染問題顯得愈發(fā)重要。船舶岸電技術(shù)在此背景下應(yīng)運(yùn)而生。

船用岸電技術(shù)是指船舶在靠港期間停止運(yùn)轉(zhuǎn)自身柴油發(fā)電機(jī)，而靠岸上電源供電，以滿足其水泵、通風(fēng)、照明、通訊和其他設(shè)施電力需求[3-4]。船用岸電技術(shù)作為我國建設(shè)綠色港口的重要舉措，不但可以改善港口環(huán)境并降低船舶靠港成本[5]，而且能夠保持港口行業(yè)健康可持續(xù)性發(fā)展，具有極大的現(xiàn)實(shí)意義及發(fā)展前景。

船舶岸電電源系統(tǒng)是船用岸電技術(shù)岸側(cè)供電部分的核心。本文主要介紹了船舶岸電電源系統(tǒng)的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀，對岸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及供電模式進(jìn)行詳細(xì)闡述，并對岸電電源系統(tǒng)中起到關(guān)鍵作用的變流器技術(shù)進(jìn)行了分析，最后，針對岸電電源系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)與展望。

1 港口岸電電源系統(tǒng)的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來，歐、美等國家已積極嘗試使用岸電電源系統(tǒng)給靠港船舶供電。1989年，瑞典的哥德堡港率先使用400V低壓岸電電源系統(tǒng)給滾裝輪渡供電；2000年，哥德堡港又在渡船碼頭安裝了世界上第一套高壓岸電電源系統(tǒng)，該技術(shù)可使船舶靠港期間污染物排放量減少94%～97%[6]；2004年洛杉磯港建設(shè)了世界上第一個(gè)集裝箱船只的岸電電源連接系統(tǒng)（AMP系統(tǒng)），并計(jì)劃于2014年給所有集裝箱碼頭安裝岸電設(shè)備[7]；2008年長灘港首次將岸電電源技術(shù)應(yīng)用于油輪碼頭，這套油輪供岸電系統(tǒng)上船電壓為6.6 KV，功率可以達(dá)到10MW；國外岸電電源技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展迅速，其使用范圍也從最初的滾裝、郵輪碼頭擴(kuò)大到集裝箱、油輪和天然氣碼頭?，F(xiàn)階段，國外擁有港口供岸電技術(shù)的公司主要包含ABB、Simens和Cavotec等公司[8]。它們在岸電電源的一些關(guān)鍵技術(shù)上也具有領(lǐng)先地位，例如Cavotec公司的高壓快速接頭和電纜管理系統(tǒng)，ABB公司的供岸電電源使用的靜止頻率變換器PCS 6000等[9]。

相較而言，我國在靠港船舶供岸電方面的發(fā)展起步較晚，但國內(nèi)部分港口也在積極嘗試該項(xiàng)新技術(shù)。2009年，青島港招商局完成了5000噸級內(nèi)貿(mào)支線集裝箱船舶供岸電的改造[10]；2010年，上海港外高橋港區(qū)在二期集裝箱碼頭安裝了一套移動式的岸基船用變頻變壓供電系統(tǒng)，但該系統(tǒng)僅針對集裝箱船舶，且工程規(guī)模較小[11]；2010年，連云港港口首次將高壓上船的船舶供岸電系統(tǒng)應(yīng)用于“中韓之星”客貨兩用船上；2011年，連云港與河北遠(yuǎn)洋公司的18萬噸級的“富強(qiáng)中國”號船舶合作開發(fā)和研制第二套船舶岸基供電系統(tǒng)接駁岸電成功[12]； 2014年，位于天津港的“太平洋東二、東四泊位岸基船舶供電項(xiàng)目”在太平洋碼頭建成[13]；2015年，日照港的首套民用高壓船舶岸電系統(tǒng)正式投運(yùn)[14]；2016年，福建高壓船舶岸電項(xiàng)目正式投運(yùn)，設(shè)計(jì)供電容量3000 KW，預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)年電能替代量150萬kW.h，減少排放物近1000t[15]。

隨著我國經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，航運(yùn)貿(mào)易呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的趨勢，船舶供岸電在我國港口的發(fā)展前景廣闊[16]。

2 岸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及供電模式

2.1 岸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

船舶岸電系統(tǒng)主要由3部分組成[17]：岸上供電系統(tǒng)，船岸交互部分和船舶受電系統(tǒng)，其示意圖如圖1所示。

圖1 船舶岸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1）岸上供電系統(tǒng)

岸上供電系統(tǒng)是將電力從高壓變電站連接至碼頭接線箱，可根據(jù)靠港船舶的電壓以及頻率需求完成相應(yīng)的電壓等級變換、變頻、與船舶受電系統(tǒng)不停電切換等功能。

2）船岸交互部分

船岸交互部分是指連接碼頭接線箱及船舶受電裝置之間的電纜連接設(shè)備，為滿足實(shí)際應(yīng)用需求，電纜連接設(shè)備應(yīng)滿足可快速連接和方便儲存的要求，在不使用期間可放置于岸上、船上或者駁船上。

3）船舶受電系統(tǒng)

船舶受電系統(tǒng)是在船舶固有配電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上安裝特定的岸電受電系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)主要包含電纜絞車、船載變壓器和相關(guān)電氣管理系統(tǒng)等。船舶電站發(fā)電機(jī)的電壓等級可分為高壓和低壓兩種。高壓船舶電站電壓等級為 11 kV，6.6 kV(60 Hz)，6 kV(50 Hz)，低壓船舶電站電壓等級為 400 V(50 Hz)和 440 V(60 Hz)。

傳統(tǒng)船舶電力系統(tǒng)以交流電制為主，因此，世界上已有的岸電項(xiàng)目都采用交流電制。但不同地區(qū)的不同港口為船舶提供的岸電電壓、頻率不盡相同，如北美地區(qū)港口提供岸電的頻率為60 Hz，我國及歐洲大部分國家則為50 Hz[18]。

2.2 岸電電源系統(tǒng)供電模式

岸電電源系統(tǒng)根據(jù)受電船舶的電壓等級及岸電變流器的電壓等級可分為以下四種結(jié)構(gòu)形式：低壓船舶/低壓岸電變流器、高壓船舶/低壓岸電變流器、低壓船舶/高壓岸電變流器、高壓船舶/高壓岸電變流器[18]。

1）低壓船舶/低壓岸電變流器

圖2 低壓船舶/低壓岸電變流器供電模式結(jié)構(gòu)圖

低壓船舶/低壓岸電變流器供電模式結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，可將其分為岸上、船上兩個(gè)部分。港口輸入頻率為50 Hz的市電電壓10 kV或6 kV，經(jīng)降壓變壓器降為690 V或380 V的低壓電后輸入岸電變流器，再經(jīng)變流器變壓變頻至60 Hz后輸入升壓變壓器，由升壓變壓器升壓至11 kV或6.6 kV再送至碼頭岸電箱，碼頭岸電箱用電纜將電力傳輸至岸電配電板，再經(jīng)船上降壓變壓器降壓后送至船舶配電板以滿足低壓船舶負(fù)載需求。

2）高壓船舶/低壓岸電變流器

圖3 高壓船舶/低壓岸電變流器供電模式結(jié)構(gòu)圖

高壓船舶/低壓岸電變流器供電模式結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。該供電模式下，岸電配電板直接將11 kV或6.6 kV高壓電供給船舶配電板，以滿足大型船舶的用電需求，無需在岸電配電板與船舶配電板間裝設(shè)降壓變壓器。

3）低壓船舶/高壓岸電變流器

圖4 低壓船舶/高壓岸電變流器供電模式結(jié)構(gòu)圖

低壓船舶/高壓岸電變流器供電模式結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。該模式直接將10 kV/6 kV的50 Hz市電輸入岸電變流器，經(jīng)岸電變流器變頻后的電力由升壓變壓器升壓至11kV/6.6 kV，再通過碼頭岸電箱和電纜將電力傳輸至岸電配電板，最后通過船舶自帶的降壓變壓器降壓至440 V，從而為低壓船舶負(fù)載供電。

4）高壓船舶/高壓岸電變流器

圖5 高壓船舶/高壓岸電變流器供電模式結(jié)構(gòu)圖

高壓岸電/高壓船舶供電模式結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。該供電模式直接將碼頭岸電箱的輸出電力經(jīng)電纜與船舶配電板相連以供給高壓船舶負(fù)載，無需再配船上降壓變壓器。

上述四種岸電系統(tǒng)供電模式可以針對不同電壓等級的船舶靈活調(diào)整其輸出電壓等級和頻率，以滿足不同船舶的應(yīng)用需求。

3 岸電變流器

為滿足國內(nèi)外不同船只的用電需求，岸上供電部分的變流器環(huán)節(jié)將起到至關(guān)重要的作用。本節(jié)將重點(diǎn)分析岸電變流器并闡述其工作原理。岸電變流器是岸電電源系統(tǒng)的核心，其主要由整流器和逆變器兩部分組成，可對電網(wǎng)工頻電壓進(jìn)行變換、變頻等功能，以滿足不同電壓等級船舶及部分額定頻率為60 Hz的船用負(fù)載需求。

可實(shí)現(xiàn)變頻功能的變流方式有交交變頻和交直交變頻兩種。交交直接變頻電路的最高輸出頻率會受到電源頻率的限制，為了降低諧波的影響，一般不超過電源頻率的三分之一，因此該變頻方式不適用于岸電系統(tǒng)，現(xiàn)有岸電變流器的拓?fù)渫ǔ２捎貌捎媒恢苯环绞?。而交直交變流方式下的船用岸電變流器主要有以下幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：不控整流器與逆變器組合、后接升壓環(huán)節(jié)的不控整流器與逆變器組合、雙三相全橋PWM逆變器及基于單元串聯(lián)多重化拓?fù)涞陌峨娮兞髌鱗19-20]。其中，不控整流器與逆變器組合拓?fù)涓鶕?jù)其逆變器的不同又可分為：基于IGBT串聯(lián)二電平拓?fù)涞陌峨娮兞髌?、基于中性點(diǎn)箝位三電平拓?fù)涞陌峨娮兞髌鞯取＝酉聛韺⑨槍追N應(yīng)用較為廣泛的岸電變流器拓?fù)溥M(jìn)行詳細(xì)介紹。

3.1 不控整流器與PWM逆變器組合

二極管不控整流器與PWM逆變器組合構(gòu)成的岸電變流器結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 不控整流器與PWM逆變器組合結(jié)構(gòu)圖

二極管不控整流器先將市電輸入的50Hz交流電整流成脈動的直流電，經(jīng)電容濾波后作為PWM逆變器的輸入；逆變側(cè)由全控型器件組成的PWM逆變器將直流電逆變?yōu)?0Hz交流電輸出。該類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)在于：整流側(cè)結(jié)構(gòu)簡單，不需要額外的控制電路，缺點(diǎn)在于：采用不可控的整流器件，直流電壓脈動較大，會對電網(wǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波污染。

該類變流器根據(jù)逆變器的不同又可分為：基于IGBT串聯(lián)二電平拓?fù)涞陌峨娮兞髌?、基于中性點(diǎn)箝位三電平拓?fù)涞陌峨娮兞髌鳌?/p>

1）基于IGBT串聯(lián)二電平拓?fù)涞陌峨娮兞髌鳌；贗GBT串聯(lián)二電平拓?fù)涞陌峨娮兞髌鹘Y(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 IGBT串聯(lián)二電平拓?fù)渥兞髌?/p>

由圖7可知，此時(shí)逆變器由12個(gè)可控IGBT構(gòu)成，每個(gè)橋臂由4個(gè)IGBT串聯(lián)而成以降低每一個(gè)IGBT所承受電壓應(yīng)力。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變流器的優(yōu)點(diǎn)在于其結(jié)構(gòu)簡單，并且使用的功率器件數(shù)量較少。缺點(diǎn)是：a) 功率器件串聯(lián)需要采取均壓措施，大大增加電路復(fù)雜程度；b) 二電平結(jié)構(gòu)開關(guān)過程中功率器件所承受的電壓變化率較大，容易對系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，帶來電磁兼容性問題；c)輸出電壓諧波畸變率高，需采用濾波器對輸出進(jìn)行濾波，但高壓輸出所使用的濾波電感、電容制造較為困難。

2）基于中性點(diǎn)箝位三電平拓?fù)涞陌峨娮兞髌?。基于中性點(diǎn)箝位三電平拓?fù)涞陌峨娮兞髌鹘Y(jié)構(gòu)電路如圖8所示。

圖8 中性點(diǎn)箝位三電平拓?fù)渥兞髌?/p>

這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下每個(gè)功率器件承受的反向電壓為母線電壓的一半。逆變部分由于采用了中性點(diǎn)箝位三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此可以避免因功率器件串聯(lián)而導(dǎo)致的均壓問題，并減少逆變輸出側(cè)的諧波，還可以降低因開關(guān)過程中電壓變化率較大所產(chǎn)生的電磁兼容性問題。中性點(diǎn)箝位三電平結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于：電路結(jié)構(gòu)簡單，所需的功率器件數(shù)量少，成本較低，體積小且可靠性高。缺點(diǎn)是：a)當(dāng)輸出電壓要求高于現(xiàn)有高壓IGBT耐壓水平時(shí)，僅采用12個(gè)功率器件難以滿足輸出電壓要求，此時(shí)必須采用器件串聯(lián)的方式，該方式將會帶來均壓問題，并導(dǎo)致成本增加，還會極大地影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性；b) 輸出電壓波形中諧波分量較大，因此需要在輸出側(cè)增設(shè)LC濾波器。

3.2 后接升壓環(huán)節(jié)的不控整流器與逆變器組合

后接升壓環(huán)節(jié)的二極管不控整流器與PWM逆變器組合構(gòu)成的岸電變流器結(jié)構(gòu)圖如圖9所示。

圖9 后接升壓環(huán)節(jié)不控整流器與PWM逆變器組合結(jié)構(gòu)

該拓?fù)涮攸c(diǎn)在于其中間環(huán)節(jié)增加了DC-DC Boost升壓環(huán)節(jié)，因此，這種拓?fù)涞淖兞髌骺稍谑须婋妷核捷^低的情況下，直流母線電壓仍可保證在一個(gè)較高水平。其優(yōu)點(diǎn)在于，在升壓環(huán)節(jié)的作用下，逆變器側(cè)所需直流母線電壓可穩(wěn)定在相對較高的電壓水平，既增加了逆變器的輸出能力，又提高了逆變器開關(guān)器件的利用率。

3.3 基于雙三相全橋PWM逆變器的岸電變流器

基于雙三相全橋PWM逆變器的岸電變流器結(jié)構(gòu)圖如圖10所示。

圖10 雙三相全橋PWM逆變器變流器結(jié)構(gòu)

該拓?fù)湎噍^于前述兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而言，區(qū)別在于其前端采用全控型PWM整流器替換前述的不控二極管整流器。該拓?fù)湎碌淖兞髌髯畲蟮奶攸c(diǎn)是可將網(wǎng)電整流成恒定的直流電，從而為逆變器提供穩(wěn)定的直流源，并且兩側(cè)功率因數(shù)均可調(diào)。

3.4 基于單元串聯(lián)多重化拓?fù)涞陌峨娮兞髌?/h3>

基于單元串聯(lián)多重化拓?fù)涞陌峨娮兞髌鹘Y(jié)構(gòu)電路如圖11所示。

圖11 單元串聯(lián)多重化拓?fù)渥兞髌?/p>

多重化高壓變流器是由幾個(gè)低壓PWM功率單元串聯(lián)而成，輸出的三相高壓電能可根據(jù)負(fù)載需求實(shí)現(xiàn)頻率的變換。功率單元通過高速率光纖接收信號，采用空間矢量正弦波脈寬調(diào)制方式，控制功率器件低壓IGBT導(dǎo)通與關(guān)斷，每一個(gè)低壓功率單元均可以產(chǎn)生1、0和-1三種電平。這種采用多重化技術(shù)的高壓變流器，既可實(shí)現(xiàn)高壓輸出，又無需考慮功率器件均壓問題。雖然單個(gè)功率單元會承受全部輸出電流，但是每一個(gè)功率單元僅需承受部分輸出電壓和輸出功率。多重化結(jié)構(gòu)的高壓變流器具有以下優(yōu)點(diǎn)：a)單個(gè)功率單元輸出電壓低，因此可以使用技術(shù)成熟、穩(wěn)定的低壓IGBT構(gòu)成逆變器；b) 可根據(jù)輸出電壓要求串聯(lián)不同數(shù)量的功率單元，適用范圍廣；c) 輸出波形穩(wěn)定，能夠滿足多種工況使用；d) 各個(gè)功率單元的參數(shù)相同，具有冗余功能，當(dāng)其中的某一個(gè)功率單元出現(xiàn)故障時(shí)，可以采用短路該故障單元的方式保證整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行。該結(jié)構(gòu)的其缺點(diǎn)在于：多重化技術(shù)使用的功率單元及功率器件數(shù)量太多，會使得變流器體積和重量較大，造價(jià)較高。

4 岸電電源系統(tǒng)技術(shù)展望

結(jié)合新形勢下船舶負(fù)荷需求及響應(yīng)國家政策大力發(fā)展清潔能源的背景下，對岸電電源系統(tǒng)技術(shù)做如下展望：

1）為滿足大負(fù)荷或大功率船舶岸電供給，鏈?zhǔn)紿橋結(jié)構(gòu)的電力電子變壓變頻電源技術(shù)將進(jìn)一步得到發(fā)展，如何解決采用多重化技術(shù)的電力電子裝置同時(shí)還能保證岸電設(shè)備模塊化、集約化還有待研究；

2）通過對變頻器應(yīng)用宏的編程，使普通變頻器具有變頻電源的使用功能，如電壓調(diào)節(jié)功能，電源的輸出電壓不會因?yàn)樨?fù)載的增大而下降，而且，在一定范圍內(nèi)，輸出電壓和頻率都可以獨(dú)立調(diào)整。

3）岸電變頻電源可根據(jù)負(fù)載情況，周邊用電的環(huán)境提出綜合諧波抑制對策。主要作用是能夠控制和保證輸入變頻器的電網(wǎng)電能質(zhì)量。

4）岸電電源向電機(jī)類負(fù)載供電時(shí)，由于電機(jī)啟停比較頻繁，啟動瞬時(shí)沖擊電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電機(jī)的額定電流，這種瞬間大電流會導(dǎo)致岸電電源的輸出電壓急劇下降，影響系統(tǒng)正常工作。系統(tǒng)在沖擊負(fù)載作用下保持穩(wěn)定性能有待進(jìn)一步提升。

5）岸電電源需要滿足大功率的要求。尤其在給船舶電機(jī)類負(fù)載供電，岸電電源的功率需要大于電機(jī)所需功率的數(shù)倍，以滿足電機(jī)啟動瞬間的功率需要。但大功率往往意味著大體積，會占據(jù)碼頭空間，減小電源系統(tǒng)體積同時(shí)提高其輸出能力是未來輕型智慧化碼頭發(fā)展的趨勢。

6）利用港口風(fēng)電、潮汐能等資源豐富的特點(diǎn)，未來可能考慮建立新能源互聯(lián)的港口岸電技術(shù)，將風(fēng)能、潮汐能等清潔能源通過面向港口的模塊化多電平電力電子變壓器、能量路由器連接至電網(wǎng)，并同時(shí)給船舶負(fù)載供電。因此，面向港口的模塊化多電平電力電子變壓器、能量路由器將為港口清潔能源供電提供更多可能。

5 總結(jié)

本文對港口船舶岸電電源系統(tǒng)研究進(jìn)行了較全面的綜述。首先對國內(nèi)外關(guān)于岸電電源系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行闡述；然后對岸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及供電模式進(jìn)行較為全面的總結(jié)；最后對岸電電源系統(tǒng)中的變流器進(jìn)行了重點(diǎn)研究，對比了現(xiàn)有的各類岸電變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對各變流器工作原理進(jìn)行了簡單闡述，對各拓?fù)湎碌淖兞髌鲀?yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析與闡述，為不同場景下選擇岸電變流器提供了一定指導(dǎo)意義。

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Review of Development of the Shore Power System for Port Ship

Liu Du1, Sun Jiaxing2, Qiao Kangheng3, Xu Jianchao3

（1.State Grid Hubei Electric Power Co., Ltd. Maintenance Company, Wuhan430000, China; 2. Navy Military Representative Office, Wuhu, 241000, China; 3. College of Electrical Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan430033, China）

U653.95

A

1003-4862（2021）06-0029-06

2020-12-24

劉杜(1988-)，男，工程師。研究方向：電力系統(tǒng)及其自動化，E-mail: 1379272902@qq.com