無(wú)功補(bǔ)償在船舶岸電系統(tǒng)中的應(yīng)用探討

林洋 徐永鋒

摘 要：對(duì)上海港黃浦江部分碼頭及船舶岸電設(shè)備安裝及使用進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)多數(shù)碼頭的岸電設(shè)備基本處于閑置狀態(tài)，其中岸電的經(jīng)濟(jì)性較差是船方不愿選擇使用岸電的主要原因之一；然后，介紹了船舶岸電系統(tǒng)及無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑?，并針?duì)岸電經(jīng)濟(jì)性較差的問(wèn)題，提出了一種通過(guò)提高功率因數(shù)來(lái)提高岸電使用經(jīng)濟(jì)性的無(wú)功補(bǔ)償方式，并論證了其可行性和必要性。

關(guān)鍵詞：船舶岸電；無(wú)功補(bǔ)償；功率因數(shù)；經(jīng)濟(jì)性

0 背 景

船舶靠港使用岸電是減少靠泊期間大氣污染物和二氧化碳排放的最有效措施之一，是促進(jìn)水運(yùn)行業(yè)減污降碳、綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要抓手。自從2017年5月23日開(kāi)始，我國(guó)陸續(xù)出臺(tái)了如《港口和船舶岸電管理辦法》《船舶及其有關(guān)作業(yè)活動(dòng)污染海洋環(huán)境防治管理規(guī)定》等8部相關(guān)法律法規(guī)，規(guī)定碼頭、船舶應(yīng)安裝岸電設(shè)施，在2023年3月1日出臺(tái)的《上海市船舶污染防治條例》也規(guī)定了船舶不按規(guī)定使用岸電的處罰措施。

為了了解碼頭岸電使用情況，以上海港黃浦江下游碼頭為代表，對(duì)靠泊船舶及碼頭進(jìn)行了走訪調(diào)研，其中，碼頭方面已按照交通運(yùn)輸部發(fā)布的《港口岸電布局方案》的規(guī)定安裝了岸電設(shè)備，并按規(guī)定要求實(shí)現(xiàn)了碼頭50%集裝箱泊位具備向船舶供應(yīng)岸電能力的目標(biāo)。

同時(shí)，靠泊具有岸電供應(yīng)的泊位的船舶在2023年初也基本都安裝了船載岸電設(shè)備。

但在實(shí)際調(diào)研過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，岸電裝置都處于閑置狀態(tài)，大部分船舶只有在安裝船載岸電設(shè)備調(diào)試時(shí)使用過(guò)一次岸電。詢問(wèn)船方不使用岸電的原因，主要包括岸電的經(jīng)濟(jì)性較差、船載岸電設(shè)備與岸基設(shè)備不匹配、連接岸電時(shí)對(duì)船載設(shè)備造成沖擊、岸電設(shè)備容量不足等，其中岸電的經(jīng)濟(jì)性差是船方不使用岸電的主要原因之一。

進(jìn)一步了解發(fā)現(xiàn)，船舶在靠泊使用岸電過(guò)程中的功率因數(shù)為0.7～0.85之間，較小的功率因數(shù)是導(dǎo)致岸電使用經(jīng)濟(jì)性較差的主要原因之一。同時(shí)，較小的功率因數(shù)也使通過(guò)提高功率因數(shù)來(lái)提高岸電經(jīng)濟(jì)性存在很大的必要性和可行性。

1 船舶岸電系統(tǒng)介紹

船舶岸電系統(tǒng)系指港口向靠泊其碼頭的船舶供電的設(shè)備，按供電電壓不同可分為交流低壓岸電系統(tǒng)和交流高壓岸電系統(tǒng)[1]。

交流低壓岸電系統(tǒng)：系指港口向船舶配電系統(tǒng)供電的電源（即岸電）額定電壓（相間電壓）為 1 kV 及以下的船舶岸電系統(tǒng)。

交流高壓岸電系統(tǒng)：系指港口向船舶配電系統(tǒng)供電的電源（即岸電）額定電壓（相間電壓）為 1 kV 以上且 15 kV 及以下的船舶岸電系統(tǒng)。

本轄區(qū)內(nèi)安裝的為交流低壓岸電系統(tǒng)，其系統(tǒng)參數(shù)如圖1所示。

船舶岸電系統(tǒng)包括船載裝置和岸基裝置。

船載裝置：系指安裝在船舶上，用于連接岸電的設(shè)備。對(duì)于交流高壓岸電系統(tǒng)，一般包括插頭/插座、岸電連接配電柜（板）、變壓器、岸電接入控制屏、岸電電纜和電纜管理系統(tǒng)[2]；

岸基裝置：系指安裝在港口，用于向船舶提供岸電的設(shè)備。典型的船舶岸電系統(tǒng)如圖2所示。

2 無(wú)功補(bǔ)償原理分析

2.1 功率因數(shù)及其影響

功率因數(shù)（PF）是有功功率（Real power）與視在功率（Apparent power）的比值，即PF=P/S=cosφ，如圖3所示。功率因數(shù)是衡量供配電系統(tǒng)是否經(jīng)濟(jì)并可靠運(yùn)行的一個(gè)重要指標(biāo)。

配電系統(tǒng)輸出的功率包括兩部分[2]：有功功率P和無(wú)功功率Q。配電系統(tǒng)輸出的一部分電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能、化學(xué)能或熱能，這部分做功的功率稱為有功功率P；而另一部分電能并不直接參與做功，而是僅用于感性或容性負(fù)載設(shè)備建立交變電磁場(chǎng)，這部分功率稱為無(wú)功功率Q。無(wú)功功率又分為感性無(wú)功功率和容性無(wú)功功率，當(dāng)電網(wǎng)中感性負(fù)載為主時(shí)，電網(wǎng)的電流滯后于電壓，電網(wǎng)表現(xiàn)為感性無(wú)功功率；當(dāng)電網(wǎng)中容性負(fù)載為主時(shí)，電網(wǎng)的電流超前于電壓，電網(wǎng)表現(xiàn)為容性無(wú)功功率；當(dāng)電網(wǎng)中感性負(fù)載與容性負(fù)載相互抵消時(shí)，電網(wǎng)的電壓與電流的相位相同，此時(shí)PF=cosφ=1，P=Scosφ=S，此時(shí)相當(dāng)于純電阻性負(fù)載，輸出功率全部參與做功。

圖3 功率三角形矢量圖

與家用電網(wǎng)不同，船上的許多用電設(shè)備（如風(fēng)機(jī)、空壓機(jī)、變壓器等）都是感性負(fù)載，此時(shí)電流相對(duì)于電壓滯后一個(gè)角度φ。如圖3所示，當(dāng)有功功率一定的情況下，功率因數(shù)越小，無(wú)功功率就越大，供電系統(tǒng)的視在功率也就越大。由于船舶感性負(fù)載的存在，岸電系統(tǒng)的供電功率因數(shù)，一般功率因數(shù)為0.7～0.85之間，較小的功率因數(shù)會(huì)使電網(wǎng)產(chǎn)生大量的無(wú)功功率，從而導(dǎo)致電網(wǎng)損耗增加，加重電網(wǎng)負(fù)荷。具體主要體現(xiàn)在以下三方面：

（1）電壓降，電流的無(wú)功部分會(huì)引起不必要的電壓降，從而影響負(fù)載的正常運(yùn)行。

（2）過(guò)電流，視在功率隨著功率因數(shù)的增大而減小。如圖4所示，同樣產(chǎn)生100 kW的有功功率，當(dāng)功率因數(shù)PF=0.7時(shí)，需要視在功率S=142 kVA，而當(dāng)功率因數(shù)PF=0.95時(shí)，只需要視在功率S=105 kVA。即電網(wǎng)的電流在PF=0.7時(shí)要比在PF=0.95時(shí)，增加35%的電流來(lái)輸出同樣的有功功率。

圖4 S示意圖

（3）經(jīng)濟(jì)性下降，船方使用岸電的費(fèi)用是按照岸基設(shè)備的輸出功率，即如圖4所示的視在功率S（kVA）計(jì)算的，所以在0.7的功率因數(shù)下，意味著船方要多付35%的電費(fèi)。

綜上所述，較小的功率因數(shù)會(huì)增加電網(wǎng)負(fù)荷，從而使電網(wǎng)損耗上升，系統(tǒng)線電壓降低。為滿足用電需求，較小的功率因數(shù)就要求更大的供電線路和變壓器容量，這樣對(duì)供配電系統(tǒng)是不利的。因此，國(guó)家管理部門(mén)規(guī)定，用電用戶應(yīng)裝設(shè)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，提高功率因數(shù)至行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)并防止逆功率。在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，要求高壓系統(tǒng)的功率因數(shù)PF≥ 0.90，低壓系統(tǒng)的功率因數(shù)PF≥ 0.85，功率因數(shù)是衡量供配電系統(tǒng)可靠性和經(jīng)濟(jì)性的一個(gè)重要指標(biāo)[4]。

2.2 無(wú)功補(bǔ)償

無(wú)功補(bǔ)償（PFC），就是在電網(wǎng)中連接一定數(shù)量的電容器來(lái)抵消感性負(fù)載產(chǎn)生的無(wú)功功率，從而提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，降低供電變壓器及輸送線路的損耗，提高供電效率，改善供電環(huán)境的技術(shù)，降低用電成本。所以無(wú)功功率補(bǔ)償裝置在電力供電系統(tǒng)中的作用至關(guān)重要。合理的選擇補(bǔ)償裝置，可以做到最大限度的減少電網(wǎng)的損耗，優(yōu)化電網(wǎng)供電環(huán)境。

3 無(wú)功補(bǔ)償?shù)目尚行院捅匾苑治?/p>

本章主要在節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本、增加系統(tǒng)容量和減少損耗3個(gè)方面論證無(wú)功補(bǔ)償在岸電系統(tǒng)應(yīng)用的可行性和必要性。

3.1 節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本

岸電電費(fèi)是以視在功率S（kVA）的形式計(jì)算的，當(dāng)船舶所需的有功功率P（kW）一定時(shí)，功率因數(shù)PF越大，所需的視在功率S（kVA）就越小，電費(fèi)就越少。通過(guò)如下案例論證無(wú)功補(bǔ)償在運(yùn)營(yíng)成本節(jié)約方面的可行性。

圖5 Qc示意圖

假定船舶需要三相電的要求為480 V、容量460 kVA，其中電費(fèi)38￥/ kVA，功率因數(shù)PF=0.87，如果將功率因數(shù)PF從0.87提升到0.97，需要增加的多大的電容，節(jié)約多少運(yùn)營(yíng)成本，需要多長(zhǎng)時(shí)間能收回?zé)o功補(bǔ)償設(shè)備的投資。

船舶有功功率P（kW）的需求：

P=S×PF=460 kVA×0.87 =400 kW

當(dāng)PF=0.97

S=P/PF=400/0.97=412 kVA

將系統(tǒng)的功率因數(shù)從0.87提高到0.97，需要的安裝電容器的額定值QC：

QC=P（tanφ-tanφ1） =400（tancos-10.87-tancos-10.97）=126.8 kVAR

由于實(shí)際電容器組以20 kVAR為單位，所以應(yīng)選用480 V、140 kVAR的電容器組，其成本為12 800￥[5]。

修正前的費(fèi)用：460 kVA×38￥=17 480￥/month

修正后的費(fèi)用：412 kVA×38￥=15 656￥/month

收回成本時(shí)間：12 800￥/（17 480-15 656）￥/month=7.07month

該電容器的投資成本在不到8個(gè)月的時(shí)間內(nèi)就能收回。

3.2 增加系統(tǒng)容量

在調(diào)研過(guò)程中，岸電容量不足也是限制岸電使用的主要原因之一。無(wú)功補(bǔ)償可以在不額外增加視在功率S（kVA）的情況下，提高系統(tǒng)有功功率P（kW）的輸出，從而增加系統(tǒng)容量。

圖6 PF示意圖

假定岸電系統(tǒng)容量為480 kVA，功率因數(shù)PF=0.75，有功功率P=360 KW，如果將輸出功率增加25%，即輸出功率增加至P=450 kW。

在PF不變的情況下，需要岸電系統(tǒng)的容量增加至：

S=P/PF=450 kW/0.75=600 kVA

在不增加系統(tǒng)容量的情況下，也可以通過(guò)無(wú)功補(bǔ)償把功率因數(shù)PF從0.75提高至0.95來(lái)實(shí)現(xiàn)有功功率P增加25%的目標(biāo)，具體如圖7所示。其所需安裝電容器的額定值為：

QC=450（tancos-10.75） - tancos-10.95）=450（tan41.4 - tan18.2）=248.8 kVA

由于實(shí)際電容器組以20 kVAR為單位，所以應(yīng)選用260 kVA的電容器，費(fèi)用為22 400￥[5]。

3.3 減少損失

通常，線路損耗約占總負(fù)載功率的3%～7%，如果負(fù)載功耗較高，那么減少線路損耗就是系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)必須要考慮的問(wèn)題。無(wú)功補(bǔ)償正是減少線路損耗的主要方式之一，所以無(wú)功補(bǔ)償不僅可以通過(guò)減少線路損耗來(lái)節(jié)省運(yùn)營(yíng)成本，還可以通過(guò)減少線路電流來(lái)提高系統(tǒng)運(yùn)行安全性和延長(zhǎng)系統(tǒng)使用壽命。由于線路電流的減小，單位損耗（I2R）減小為：

PUloss reduction=（PFold/PFnew）2

假定1 000 kW的負(fù)載每周運(yùn)行60 h，供電電壓為415 V，供電線路損耗為7%。負(fù)載PF=0.75，電費(fèi)為0.80￥/kWh。將PF提高到0.95的成本效益是多少。

單位損耗（I2R） 為：

PUloss reduction=（0.75/0.95）2=62.3%

無(wú)功補(bǔ)償之后的單位損耗為PUloss reduction×7%=4.36%

PF=0.75時(shí)損耗為：0.07×1 000 kW×60h=4 200 kWh

損耗費(fèi)用為4 200 kWh×0.80￥/kWh=3 360￥/week

PF=0.95時(shí)損耗為0.0436 ×1 000 kW×60h = 2 618 kWh

損耗費(fèi)用為：2 618 kWh×0.80￥/kWh = 2 094.4￥/week

每周節(jié)約的費(fèi)用：3 360￥/week-2 094.4￥/week=1 265.6￥/week

將功率因數(shù)PF=0.75提高至PF=0.95，所需的電容額定值QC為：

QC=1 000kW（tancos-10.75） - tancos-10.95）=553 kVAR

由于實(shí)際電容器組以20kVAR為單位，所以應(yīng)選用560 kVA的電容器，費(fèi)用為88 480￥[5]。

收回收益的時(shí)間為88 480￥/1 265.6￥/week=16.1months

綜上所述，由于船舶使用岸電過(guò)程中功率因素較小，通常在0.7～0.85之間，所以通過(guò)無(wú)功補(bǔ)償校正功率因數(shù)在上述節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本、增加系統(tǒng)容量和減少損耗三個(gè)方面有明顯改善，前期投入的電容器安裝成本也會(huì)在較短的時(shí)間內(nèi)收回，這也證明了無(wú)功補(bǔ)償在岸電系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性。另外，無(wú)功補(bǔ)償也能解決岸電系統(tǒng)容量不足的問(wèn)題，提高系統(tǒng)安全性和使用壽命，這也是岸電系統(tǒng)建造前所必須要考慮的問(wèn)題。

4 無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆绞?/p>

1）無(wú)功補(bǔ)償方式[6]分為：

（1）集中補(bǔ)償：在港口配電系統(tǒng)與港口配電柜之并聯(lián)電容器組，能對(duì)港口所有岸基設(shè)備進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。

（2）分組補(bǔ)償：在港口配電柜與泊位配電柜之間并聯(lián)電容器組，能對(duì)泊位所有岸基設(shè)備進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償；

（3）就地補(bǔ)償：在泊位配電柜與每條船的主配電板之間并聯(lián)電容器，只對(duì)本船舶進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。

在岸電系統(tǒng)中通常采用前兩種方式：集中補(bǔ)償和分組補(bǔ)償，具體如圖8所示。

圖9 電容器組 圖10 無(wú)功發(fā)生器

2）無(wú)功補(bǔ)償控制方式：

（1）固定方式補(bǔ)償，通過(guò)連接固定值的電容器組（見(jiàn)圖9）實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償。

（2）自動(dòng)方式補(bǔ)償，安裝不同固定值的電容器組，可以根據(jù)實(shí)際負(fù)載的無(wú)功功率調(diào)整電容器額定值實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償。

（3）動(dòng)態(tài)方式補(bǔ)償，具有動(dòng)態(tài)補(bǔ)償功能，可用于補(bǔ)償高度波動(dòng)的負(fù)載。

集中動(dòng)態(tài)補(bǔ)償能按照負(fù)載的無(wú)功功率實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)岸電電網(wǎng)和船舶負(fù)載具有動(dòng)態(tài)適應(yīng)性，是現(xiàn)階段最優(yōu)的解決方案。

現(xiàn)階段主要的用于無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑O(shè)備為：

（4）電容器組[7]，通過(guò)對(duì)電路中電容組進(jìn)行投切的方式實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償，可實(shí)現(xiàn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。

（5）無(wú)功發(fā)生器[8]（見(jiàn)圖10），利用PWM整流控制技術(shù)，通過(guò)對(duì)電網(wǎng)的電壓和電流實(shí)時(shí)采樣和高性能DSP計(jì)算出電網(wǎng)的無(wú)功功率，實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率的補(bǔ)償。

5 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)之所以積極倡導(dǎo)船舶使用岸電，其主要目的就是促進(jìn)水運(yùn)行業(yè)減污降碳、綠色轉(zhuǎn)型。但是，由于現(xiàn)階段岸電因功率因數(shù)較低、損耗較大等原因，使岸電使用的經(jīng)濟(jì)性較差，使用成本甚至高于使用船用發(fā)電機(jī)的成本，這種情況下，使用岸電并沒(méi)有真正的起到減污降碳的作用。所以，我們應(yīng)該借鑒國(guó)內(nèi)外各行業(yè)先進(jìn)的節(jié)能降碳排技術(shù)，如無(wú)功補(bǔ)償、利用儲(chǔ)能電池進(jìn)行避峰調(diào)谷用電管理等，提高使用岸電的經(jīng)濟(jì)性，使其真正的起到減污降碳的作用。

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作者簡(jiǎn)介：

林洋，碩士研究生，船旗國(guó)監(jiān)督檢查員，（E-mail）17086261166@163.com，17086261166

徐永鋒，本科，港口國(guó)監(jiān)督檢查員