港口岸電供電技術(shù)研究

鄭曉鳴, 吳天裕

(中海網(wǎng)絡(luò)科技股份有限公司,上海 200135)

港口岸電供電技術(shù)研究

鄭曉鳴, 吳天裕

(中海網(wǎng)絡(luò)科技股份有限公司,上海 200135)

變頻電源是港口岸電供電的標(biāo)準(zhǔn)供電電源，為保證其輸出的波形穩(wěn)定、純凈，同時減少對供電電網(wǎng)的污染,以800 kVA變頻電源為研究對象，實(shí)現(xiàn)50 Hz/60 Hz雙頻供電、同步并網(wǎng)等功能。同時,對各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)際應(yīng)用結(jié)果符合預(yù)期。

變頻電源；雙頻供電；同步并網(wǎng)

0 引 言

岸電供電是指采用港口的電源代替船舶發(fā)電機(jī)組給?？扛劭诘拇肮╇?，其應(yīng)用的意義和必要性在于能有效降低船舶靠港期間對環(huán)境的污染。國際海事組織(International Martime Organization,IMO)、歐盟、加拿大及美國的部分地區(qū)已對船舶靠港期間的污染物排放進(jìn)行限制，并建議逐步實(shí)現(xiàn)船舶靠港后采用岸電供電。當(dāng)前我國正在積極開展岸電供電技術(shù)研究和港口試點(diǎn)工作，啟動了上海港、連云港港和蛇口集裝箱碼頭等港口的船舶靠港使用岸電改造示范工程。2011年,交通運(yùn)輸部在《交通運(yùn)輸行業(yè)節(jié)能減排工作要點(diǎn)》中提出“繼續(xù)推廣應(yīng)用靠港船舶使用岸電技術(shù)”,在《公路水路交通運(yùn)輸節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃》中提出“推廣靠港船舶使用岸電”。由此可知，港口岸電供電技術(shù)將在我國得到廣泛的推廣應(yīng)用。

隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)、微電子控制技術(shù)不斷發(fā)展，采用絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)作為功率器件的大功率(>400 kW)逆變電路得到了廣泛的應(yīng)用(特別是在變頻調(diào)速領(lǐng)域)，為新型岸電供電技術(shù)(即變頻電源替換發(fā)電機(jī)組)的發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[1]。岸電上船方案可分為高壓岸電上船和低壓岸電上船2種，其中:高壓岸電上船適用于用電容量較大的集裝箱船或部分散貨船;而低壓岸電上船適用于用電容量較小的船舶。高壓岸電上船又可分為高高方案和高低高方案,其中:高高方案采用高壓變頻器將碼頭的電源直接轉(zhuǎn)換為船端適用的高壓電源；高低高方案先對碼頭的高壓電源進(jìn)行降壓處理，通過低壓變頻電源變頻后升壓至船端適用的高壓電源。

這里的變頻電源基于AS700系列低壓變頻器框架，配以各種電氣元件，采用獨(dú)特的控制算法，優(yōu)化各項(xiàng)電源性能指標(biāo)，使之滿足實(shí)際工程應(yīng)用需求。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

低壓變頻電源系統(tǒng)可分為功率變換主電路和控制電路2部分。主電路采用交-直-交結(jié)構(gòu)，主要由整流器、直流濾波器、逆變器、交流濾波及變壓器等部件組成(見圖1和圖2)。交流電源通過IGBT整流得到平穩(wěn)直流電壓，為逆變電源供電。逆變器選用IGBT作為開關(guān)元件，采用空間電壓矢量調(diào)制方式(Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM)對逆變器進(jìn)行控制，將平穩(wěn)直流轉(zhuǎn)換為脈寬調(diào)制輸出的交流(該交流的基波頻率為60 Hz)。逆變器輸出的脈寬調(diào)制波經(jīng)輸出LC濾波電路濾波后，得到60 Hz的正弦波交流電。

2 技術(shù)指標(biāo)

該低壓變頻電源系統(tǒng)各項(xiàng)性能指標(biāo)見表1。

表1 低壓變頻電源系統(tǒng)各項(xiàng)性能指標(biāo)

上述性能指標(biāo)均優(yōu)于《GB/T 25316—2010 靜止式岸電裝置》《JTT 814.2—2012 港口船舶岸基供電系統(tǒng)技術(shù)條件 第2部分：低壓上船》和《GB/T 12975—2008船用同步發(fā)電機(jī)通用技術(shù)條件》中的要求。同時,低壓變頻電源還具備完善的保護(hù)功能和實(shí)時監(jiān)控功能。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 SVPWM技術(shù)(逆變)

SVPWM是一種比較新穎的控制方法，由三相功率逆變器的6個功率開關(guān)元件組成的特定開關(guān)模式產(chǎn)生脈寬調(diào)制波，能使輸出電流的波形盡可能地接近于理想的正弦波形。SVPWM的理論基礎(chǔ)是平均值等效原理，即在一個開關(guān)周期內(nèi)通過對基本電壓矢量進(jìn)行組合，使其平均值與給定電壓矢量相等(見圖3)。

設(shè)直流母線側(cè)電壓為UDC;逆變器輸出的三相相電壓為Ua,Ub和Uc，分別加在空間上互差120°的三相平面靜止坐標(biāo)系上。定義3個電壓空間矢量為Ua(t),Ub(t)和Uc(t),其方向始終在各相的軸線上，而大小則隨時間按正弦規(guī)律變化，時間相位互差120°。假設(shè)Um為相電壓有效值，f為電源頻率，則有

(1)

式(1)中:θ=2πft。由此,三相電壓空間矢量相加的合成空間矢量U(t)可表示為

(2)

式(2)中:U(t)為旋轉(zhuǎn)的空間矢量，其幅值為相電壓峰值的1.5倍;Um為相電壓峰值，以角頻率ω=2πf按逆時針方向勻速旋轉(zhuǎn)的空間矢量;U(t)在三相坐標(biāo)軸(a，b，c)上的投影即為對稱的三相正弦量。

由于逆變器三相橋臂共有6個開關(guān)管，因此為研究各相上橋臂和下橋臂不同開關(guān)組合下逆變器輸出的空間電壓矢量，定義開關(guān)函數(shù)Sx(x=a,b,c)為

(3)

(Sa,Sb,Sc)的可能組合共有8個，包括6個非零矢量(U1(001),U2(010),U3(011),U4(100),U5(101),U6(110))和2個零矢量(U0(000),U7(111))。這里以其中一種開關(guān)組合為例進(jìn)行分析，假設(shè)Sx(x=a,b,c)=(100)，此時

(4)

求解式(4)可得UaN=2UDC/3,UbN=-UDC/3,UcN=-UDC/3。同理,可求得其他組合下的空間電壓矢量。

圖4為8個基本電壓空間矢量的大小和位置,其中：非零矢量的幅值相同(模長為2UDC/3)，相鄰的矢量間隔 60°；而2個零矢量的幅值為零，位于中心。在每個扇區(qū)，選擇相鄰的2個電壓矢量和零矢量，按照伏秒平衡的原則合成各扇區(qū)內(nèi)的任意電壓矢量，即

(5)

或等效為

(6)

式(5)和式(6)中:Uref為期望電壓矢量；T為采樣周期；Tx,Ty,T0分別為對應(yīng)的2個非零電壓矢量(Ux,Uy)和零電壓矢量 (U0)在1個采樣周期內(nèi)的作用時間,其中U0包括U0和U7。式(6)表示矢量Uref在T時間內(nèi)產(chǎn)生的積分效果值與Ux,Uy,U0分別在時間Tx,Ty,T0內(nèi)產(chǎn)生的積分效果相加所得總和相同。

三相正弦波電壓在電壓空間向量中合成一個等效的旋轉(zhuǎn)電壓，其旋轉(zhuǎn)速度是輸入電源角頻率，等效旋轉(zhuǎn)電壓的軌跡為圖4中的圓形。因此,要產(chǎn)生三相正弦波電壓，可利用以上電壓向量合成的技術(shù)，在電壓向量上將設(shè)定的電壓向量由U4(100)位置開始，每次增加1個小增量空間，每個小增量設(shè)定的電壓向量可用該區(qū)中相鄰的2個基本非零向量與零電壓向量予以合成。由此得到的設(shè)定電壓向量就等效為一個在電壓空間向量平面上平滑旋轉(zhuǎn)的電壓空間向量，從而實(shí)現(xiàn)電壓空間向量脈寬調(diào)制。

3.2 AFE整流技術(shù)

采用有源整流技術(shù)及矢量控制算法，標(biāo)配LCL濾波器，預(yù)充電回路，通過控制高速IGBT模塊實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓的整定。整流、回饋單元功能(Active Front End,AFE)作為一個BOOST逆變器，其直流母排電壓可高于電網(wǎng)峰值，并可在電網(wǎng)電壓較低或波動較大時保持直流電壓穩(wěn)定(見圖5)。在該項(xiàng)目中,直流電壓通常被整定至720～740 V。采用AFE可有效降低輸入側(cè)的電流諧波含量，提高功率因數(shù)，達(dá)到改善電網(wǎng)質(zhì)量的目的。經(jīng)驗(yàn)證，采用AFE整流技術(shù)的變頻電源的電流諧波<5%，功率因數(shù)≈1，且具有能量回饋的作用。圖5為LCL+AFE整流示意。

3.3 性能優(yōu)化

3.3.1 輸出電能質(zhì)量優(yōu)化

低壓變頻電源逆變側(cè)輸出脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation,PWM)脈沖方波，電壓諧波畸變度較大。為提高輸出電壓的正弦度，考慮在輸出端增加LC濾波器,其波特圖見圖6。

(7)

在靠近基波頻率處，輸出電壓幅值接近輸入電壓幅值；在靠近載波頻率點(diǎn)處，輸出電壓幅值相比輸入電壓幅值大幅度衰減。

一般LC濾波器諧振點(diǎn)取值在10倍基波頻率與0.5倍載波頻率之間，載波頻率的PWM方波可被有效濾除。

3.3.2 動態(tài)響應(yīng)特性優(yōu)化

基于上述LC濾波器配置，當(dāng)突然增加負(fù)荷時，靠近負(fù)載的濾波器的電容會向負(fù)載釋放能量，電容電壓降低；同時,負(fù)荷也會從變頻器直流母線中抽取額外的能量，此時會在輸出濾波器的電感上產(chǎn)生反向感生電壓，表現(xiàn)為濾波器輸出電壓降低。當(dāng)突然減少負(fù)荷時，輸出濾波器電感上的電流不會突變，而是向?yàn)V波器電容充電，導(dǎo)致輸出電壓升高。

基于上述分析，進(jìn)一步增大濾波器輸出電容的容量，優(yōu)化系統(tǒng)的瞬時動態(tài)響應(yīng)特性。此外，在靠近負(fù)載的一側(cè)增加一組電流檢測設(shè)備，當(dāng)負(fù)載突變時,可實(shí)時地將突變量發(fā)送給主控，從而使得主控能更快地響應(yīng)補(bǔ)償輸出電壓的變化。

3.4 變頻電源同步并聯(lián)技術(shù)

變頻電源同步并聯(lián)技術(shù)可用于岸電與船電無縫切換[2]和變頻電源并聯(lián)輸出2種情況。2種情況下的原理基本一致,具體實(shí)現(xiàn)過程如下。

為使并聯(lián)更為順利,變頻電源加入一定的下垂特性,即頻率和電壓值隨負(fù)荷的增加線性減少，負(fù)荷變化率為0～100%，頻率和電壓的變化率為0～3%。船電與岸電之間具有一定的頻差, 兩者輸出電壓的相位以一定的速度相對移動，當(dāng)相位檢測儀檢測到兩者相位差在合理的范圍內(nèi)時，閉合并聯(lián)開關(guān)；并聯(lián)運(yùn)行后，兩系統(tǒng)會根據(jù)各自的下垂特性自動調(diào)整輸出電壓頻率及幅值，最終達(dá)到動態(tài)平衡，使兩者的頻率及相位基本一致。

若需切除船電，則降低船電頻率，使負(fù)載進(jìn)一步轉(zhuǎn)移到岸電，再次達(dá)到動態(tài)平衡。通過多次調(diào)整船電的頻率，最終將負(fù)載全部轉(zhuǎn)移到岸電，完成整個系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)移過程。

反之，在船舶離港需切除岸電時，只需改變船電頻率,將岸電負(fù)荷轉(zhuǎn)移到船電上，待負(fù)荷轉(zhuǎn)移完成后切除岸電即可(見圖7)。無縫切換過程測試結(jié)果見圖8。

注:1通道為船電電壓;2通道為岸電電壓;3通道為岸電電流;4通道為船電電流。A點(diǎn)之前由船電給負(fù)載供電；A點(diǎn)閉合并車開關(guān)；A點(diǎn)～B點(diǎn)船電向岸電自動轉(zhuǎn)移部分負(fù)荷；B點(diǎn)手操器調(diào)整頻率，B點(diǎn)～C點(diǎn)船電向岸電繼續(xù)轉(zhuǎn)移剩余部分負(fù)荷；C點(diǎn)～D點(diǎn)已轉(zhuǎn)移大部分負(fù)載，并車成功，將并車開關(guān)器斷開；E點(diǎn)關(guān)閉船電。

圖8 無縫切換過程測試結(jié)果

4 系統(tǒng)運(yùn)用

岸電供電系統(tǒng)按電壓等級可分為高壓岸電上船和低壓岸電上船[3]2種，這里所述系統(tǒng)既可作為低壓岸電電源使用,又可作為高壓岸電電源使用。系統(tǒng)在作為低壓岸電電源使用時,通過隔離變壓器直接輸出低壓電;在作為高壓岸電電源使用時,只需將隔離變壓器改為升壓變壓器。

受導(dǎo)體和功率元件載流量限制，單臺低壓變頻電源的容量通常不超過2 MW，而隨著船上用電設(shè)備的容量需求與日俱增，2 MW的容量已無法滿足部分大型船舶靠港期間的用電需求。同步并聯(lián)技術(shù)的發(fā)展使得該瓶頸得以突破(見圖9)，各組變頻電源容量相同,都為N，各臺變頻電源轉(zhuǎn)換后的電能傳輸?shù)?0 Hz電網(wǎng)總線上，用戶可根據(jù)終端用電量決定投入變頻電源組的數(shù)量，變頻電源之間保持實(shí)時數(shù)據(jù)交互，線電源之間的負(fù)荷根據(jù)用戶設(shè)定進(jìn)行實(shí)時分配。

與現(xiàn)有的根據(jù)靠港船舶最大容量設(shè)計(jì)岸電變頻電源容量的方式相比，基于同步并聯(lián)技術(shù)的多路供電方式使得港口岸電供電更加靈活。

5 結(jié) 語

隨著全球“低碳環(huán)保，綠色水運(yùn)”理念逐步推進(jìn)，發(fā)展運(yùn)用岸電系統(tǒng)已成為必然趨勢。本文提出的低壓岸電變頻電源供電方法穩(wěn)定可靠，供電形式多樣，可運(yùn)用于各大散貨船、集裝箱船碼頭，具有一定的推廣價值。

[1] 袁慶林,黃細(xì)霞,張海龍.港口船舶岸電供電技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].上海造船,2010(2):35-37.

[2] 袁航,趙湘前.船舶岸電技術(shù)研究及其應(yīng)用[J].水運(yùn)工程,2013(10):163-165.

[3] 吳振飛,葉小松,邢鳴.淺談船舶岸電關(guān)鍵技術(shù)[J].電氣應(yīng)用,2013,32(6):22-26.

Application of On-Shore Power Supply Technology

ZHENGXiaoming,WUTianyu

(China Shipping Network Technology Co., Ltd., Shanghai 200135, China)

The variable-frequency power sources used as the on-shore power supply for ships should ensure the stability and purity of the the output waveform and make no pollution to the power grid. This paper investigates an 800 kVA variable-frequency power source and devises the functions for 50/60Hz dual frequency power supply and synchronous switching, etc. The optimization of the performances is performed, too.

variable-frequency power sources; dual frequency power supply; synchronous switching

2016-08-30

鄭曉鳴(1981—)，上海人，高級工程師，主要從事港口自動化研究。

1674-5949(2017)01-0060-07

U653.95

A