船用岸電系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)方法

張偉，彭杰，蔡洪波

（ 上海華潤大東船務(wù)工程有限公司，上海 202155 ）

0 引言

近年來，隨著節(jié)能減排、綠色環(huán)保等要求的不斷提高，國際上許多港口管理部門采取措施減少船舶廢氣排放，控制港口污染，實(shí)施靠港船舶使用岸電，就是其中重要的一項(xiàng)。[1]我國也已出臺相關(guān)的強(qiáng)制措施，要求船舶停靠港口、碼頭期間使用岸電，減少污染排放。船舶使用岸電時(shí)，受電設(shè)備（船舶）與供電設(shè)備間隔較遠(yuǎn)，岸電系統(tǒng)輸出電壓上船時(shí)存在較大壓降，船舶實(shí)際受電電壓與理想輸入值存在差距。解決長距離電輸送產(chǎn)生的壓降問題是岸電供電系統(tǒng)中重要的環(huán)節(jié)之一。

1 概述

岸電供電系統(tǒng)普遍采用以變頻電源為核心的供電方式。變頻電源輸出穩(wěn)定性是系統(tǒng)基本指標(biāo)，確保輸出電參數(shù)實(shí)際值等于或無限接近于設(shè)定值，避免系統(tǒng)偏離預(yù)定目標(biāo)是岸電供給的重中之重。

通過閉環(huán)控制系統(tǒng)對輸出電參數(shù)進(jìn)行控制，變頻系統(tǒng)對反饋參數(shù)與輸入?yún)?shù)進(jìn)行比較，其結(jié)果施加于輸出端，進(jìn)行輸出矯正。[2]常規(guī)的輸出電參數(shù)采樣點(diǎn)安裝在岸電變頻電源的輸出端，只能保證系統(tǒng)輸出柜的輸出電參數(shù)與設(shè)定值一致。當(dāng)受電設(shè)備遠(yuǎn)離變頻電源時(shí)，因供電距離過長而產(chǎn)生較大壓降，影響船舶的正常使用。將電壓反饋閉環(huán)控制的采樣點(diǎn)放置在碼頭接電箱處，可以擴(kuò)大電壓閉環(huán)控制范圍，解決岸電供電線路過長帶來的壓降問題。

2 現(xiàn)有技術(shù)

岸電變頻電源輸出電壓調(diào)節(jié)由內(nèi)部閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)完成，分為信息采集、信息傳輸、信息處理、控制調(diào)節(jié)等四部分。[3]常規(guī)變頻電源電壓調(diào)節(jié)示意圖如圖1 所示。

圖1 常規(guī)岸電變頻電源電壓調(diào)節(jié)示意圖

常規(guī)岸電變頻電源將電壓調(diào)節(jié)放在濾波輸出后端，在系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下，此電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠確保濾波后端、輸出前端的電壓值與設(shè)定值一致。

電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)具體工作原理：采集輸出電壓信息送至變頻系統(tǒng)主控CPU，處理后與設(shè)定值比較，通過比較結(jié)果下達(dá)控制調(diào)節(jié)指令。循環(huán)往復(fù)，不斷進(jìn)行采集、比較、調(diào)節(jié)，促使實(shí)際輸出值與設(shè)定值保持一致，變頻電源系統(tǒng)運(yùn)行在安全可靠的范圍內(nèi)。

常規(guī)電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)僅保證輸出前端的電壓與設(shè)定值穩(wěn)定一致，對輸出后端至船舶線路的電壓無調(diào)節(jié)功能。受電設(shè)備（船舶）耗電功率較小或輸出后端至船舶段線路較短的情況下，此方案可保證系統(tǒng)符合要求。

在實(shí)際操作中，受到碼頭操作空間限制，變頻電源設(shè)備通常遠(yuǎn)離船舶泊位，輸出至船舶段線路延長。遠(yuǎn)距離傳輸接入大負(fù)載時(shí)產(chǎn)生較大損耗，致使負(fù)載端受電電壓產(chǎn)生較大壓降，船舶接收電壓小于設(shè)定電壓，無法達(dá)到正常使用要求。

使用岸電時(shí)，船舶裝機(jī)容量與電壓等級恒定，插座箱輸出的電能容量與電壓等級應(yīng)滿足船舶最大負(fù)載需求。

線路損耗由線路電流與電阻決定，提高送電電壓可以滿足減小輸送電流的同時(shí)保證送電容量符合要求。但是，提高岸電供電的電壓等級對供電設(shè)備的耐壓能力以及安全性提出了更高的要求，船舶受電側(cè)的接電設(shè)備也應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。插座箱后輸出的電壓需要與船舶匹配，如采用高壓輸送電方案應(yīng)安裝降壓變壓器，使高壓電轉(zhuǎn)換為供船舶使用的電壓等級。大容量變壓器價(jià)格高、體積大，從成本和設(shè)置等環(huán)節(jié)考慮并非最佳方案。目前，低壓岸電為船舶提供電力供應(yīng)較為普遍。

電纜電阻由導(dǎo)體電阻率、導(dǎo)體長度、導(dǎo)體橫截面積決定。選用導(dǎo)體電阻率低的材料作為電纜導(dǎo)體，減少電纜長度，增加電纜橫截面積等，都是改變電纜電阻的可用方法。

減少電纜長度并不現(xiàn)實(shí)，變頻電源至插座箱的距離已固定，走線方式通常選擇經(jīng)濟(jì)節(jié)約方式。使用電阻率低的導(dǎo)體和在原有基礎(chǔ)上增加導(dǎo)線橫截面積等方法不利于成本控制。

3 設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)一種新型岸電變頻電源電壓調(diào)節(jié)方案，示意圖如圖2 所示。

從圖2 可以看到，岸電變頻電源的一次主回路并未發(fā)生改變，更改的僅是電源系統(tǒng)中閉環(huán)采樣控制環(huán)節(jié)。與常規(guī)方案最大的不同處在于新方案將采樣點(diǎn)置于插座箱，使得插座箱輸出電壓與設(shè)定值一致，規(guī)避了濾波至插座箱這一段線路損耗帶來的影響。新方案增加了對電流、功率、相位角的測量，豐富了電源的功能。

圖2 新型岸電變頻電源電壓調(diào)節(jié)示意圖

3.1 方案實(shí)現(xiàn)

對原有閉環(huán)采樣系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)了多種新型電器元件，為自動(dòng)化電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定高效運(yùn)行提供幫助。自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)裝置示意圖如圖3 所示：

圖3 自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)裝置示意圖

自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)分為四大部分：信息采集：非晶PT（電壓互感器）、非晶BC（霍爾電流傳感器）；信息處理：采樣VT；信息傳輸：光纖電纜；信息比較：指令下達(dá)、主控CPU。

系統(tǒng)主要采集三相電壓與電流信息。通過電壓與電流計(jì)算功率與相位角，電壓參與控制，電流、功率、相位角起到顯示和保護(hù)作用。三相輸出電壓低于1 500 VAC 可通過采樣板VT直接采集，高于1 500 VAC 可通過電壓互感器變換電壓后再由采樣板VT 采集。三相電流通過霍爾電流傳感器采集，傳送至采樣板VT 中處理。電壓互感器與霍爾電流傳感器均采用非晶合金材料制作，與傳統(tǒng)硅鋼片材料相比，具有精度高、體積小、發(fā)熱小等優(yōu)點(diǎn)。

將采集信息送至遠(yuǎn)端主控CPU 時(shí)，因距離較遠(yuǎn)，常規(guī)方式傳送易受干擾而衰減，故設(shè)計(jì)采用光纖電纜進(jìn)行傳輸。光纖電纜傳輸靈敏度高，不受電磁噪聲之干擾，具有體積小、重量輕、壽命長、價(jià)格低等特點(diǎn)。

采集電壓互感器與霍爾傳感器電信號時(shí)，應(yīng)在插座箱處安裝用于信號轉(zhuǎn)換的PCB 電路板。采樣板VT 外觀如圖4 所示。

圖4 采樣板外觀圖

光纖電纜將采樣板處理之后的信息傳送至位于變頻電源處的主控CPU。主控CPU 接收信息，將末端輸出參數(shù)與設(shè)定值進(jìn)行比對，根據(jù)結(jié)果下達(dá)調(diào)節(jié)指令至逆變器，促使輸出電壓與設(shè)定值保持一致。變頻電源主控CPU 如圖5所示。

圖5 主控CPU

3.2 方案特點(diǎn)

改進(jìn)的方案與常規(guī)方案從根本原理而言并無太大差異，均為測量采樣點(diǎn)實(shí)際接收電壓后將信息反饋至變頻電源，由主控CPU 調(diào)節(jié)控制。區(qū)別在于采樣點(diǎn)的選擇不同。改進(jìn)方案的優(yōu)點(diǎn)如下：

1）獨(dú)立設(shè)計(jì)采樣單元，具有高精度特性與拓展功能；

2）光纖通信高效、穩(wěn)定、抗干擾；

3）自動(dòng)處理數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)下達(dá)命令，根據(jù)船舶側(cè)的末端電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)；

4）控制算法優(yōu)化，擴(kuò)大電壓閉環(huán)控制范圍，有效解決壓降問題；

5）改造成本低，在已有的岸電變頻電源設(shè)備基礎(chǔ)上增加采樣元件、光纖通訊元件即可滿足使用需求。

4 結(jié)語

岸電變頻電源系統(tǒng)是變頻電源主要運(yùn)用方向之一，隨著靠港船舶排放控制要求的日益嚴(yán)格，船舶靠泊期間對于岸電的使用需求激增，促使岸電變頻電源設(shè)備的需求不斷增長。新型船用岸電電壓調(diào)節(jié)方法旨在以經(jīng)濟(jì)、高效的方式解決岸電供應(yīng)線路過長而產(chǎn)生的壓降問題，使岸電變頻電源能夠在安全可靠運(yùn)行的前提下為受電設(shè)備服務(wù)。設(shè)計(jì)的調(diào)節(jié)方法高效、快速、精準(zhǔn)，且成本較低，適用于船舶岸電技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，提高岸電系統(tǒng)供電質(zhì)量。