港口船舶高壓岸電電源的研究與應(yīng)用＊

劉玉振 劉倩

（1.許繼電源有限公司，河南許昌 461000；2.國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司，重慶 400000）

0.引言

港口船舶高壓岸電電源，是船舶靠港期間，船舶柴油發(fā)電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，將船舶用電接入陸地側(cè)岸電電站，從而獲得船舶電力設(shè)備所需的電力[1-2]，減少大氣污染物排放，改善港口空氣質(zhì)量、降低噪聲與港口區(qū)域的振動(dòng)，降低船舶靠港口或者碼頭成本，提高經(jīng)濟(jì)效益[3]，保障港口或者碼頭行業(yè)健康可持續(xù)性發(fā)展。

隨著岸電系統(tǒng)寫(xiě)入“十二五”規(guī)劃，相應(yīng)的政策逐步穩(wěn)定的推出。伴隨著岸電的需求和政策的支持，船舶高壓岸電電源得到了大力推廣和應(yīng)用。本文介紹了由監(jiān)控系統(tǒng)、高壓岸電電源和高壓岸電接電箱組成的船舶岸電電源系統(tǒng)，提出了基于多繞組高脈波移相變壓器和鏈?zhǔn)紿橋逆變器的高壓岸電電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提出了基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的分層控制網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。最后，研制了3MW高壓岸電電源裝置，應(yīng)用實(shí)踐表明了所設(shè)計(jì)裝置的有效性和可行性。

1.岸電電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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，其由監(jiān)控系統(tǒng)、高壓岸電電源和高壓岸電接電箱組成，完成變壓、變頻、不停電切換及集中配置相關(guān)監(jiān)測(cè)措施，示意圖如圖1所示。

圖1 船舶高壓岸電電源構(gòu)成示意圖

1.1 監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)主要包含服務(wù)器、監(jiān)控計(jì)算機(jī)、模擬屏、以太網(wǎng)及現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)等。在岸電監(jiān)控室設(shè)置服務(wù)器，用于記錄岸電系統(tǒng)的各種歷史數(shù)據(jù)并經(jīng)過(guò)以太網(wǎng)方式將控制信息、設(shè)備狀態(tài)等信號(hào)傳送至變電站內(nèi)的監(jiān)控計(jì)算機(jī)，運(yùn)行人員在變電站內(nèi)即可完成對(duì)整個(gè)岸電系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)視、信息查詢(xún)、設(shè)備操作，使運(yùn)行人員遠(yuǎn)離噪音、振動(dòng)等惡劣環(huán)境。在岸電監(jiān)控室設(shè)置兩臺(tái)監(jiān)控計(jì)算機(jī)，用于人員對(duì)岸電系統(tǒng)的監(jiān)視和操作。其中一臺(tái)設(shè)置為工程師站，一臺(tái)設(shè)置為操作員站。監(jiān)控計(jì)算機(jī)內(nèi)置監(jiān)控組態(tài)軟件，編制各種組態(tài)畫(huà)面，對(duì)岸電系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制。

1.2 高壓岸電電源

高壓岸電電源主要包括進(jìn)線(xiàn)柜、軟啟動(dòng)柜、輸入變壓器、變頻電源、濾波柜、輸出變壓器、出線(xiàn)柜。船舶高壓岸電電源進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān)柜電源取自港區(qū)10kV/50Hz高壓電源，經(jīng)變壓變頻電源變換為符合船舶電制要求的6.6kV/60Hz（IEC 80005-1）。船舶高壓岸電電源信息通過(guò)以太網(wǎng)上傳到網(wǎng)關(guān)，通過(guò)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)港口岸電監(jiān)控系統(tǒng)與船舶高壓岸電電源之間信息的交互。岸電監(jiān)控系統(tǒng)與船舶通過(guò)光纖以太網(wǎng)通信，并實(shí)現(xiàn)岸電電源與船舶之間的信息交互。

1.3 高壓接電箱

高壓岸電接電箱含有高壓主回路、光纖通訊、I/O信號(hào)等多種電纜接口，滿(mǎn)足人工操作，快速插拔的要求，且設(shè)置機(jī)械連鎖保護(hù)，確保人員操作時(shí)不帶電。其直接將港口或者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，因此船舶上無(wú)需再配置降壓變壓器。

2.高壓岸電電源

2.1 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

采用高—高方式的港口船舶高壓岸電電源是岸基供電系統(tǒng)的一部分，將10kV/50Hz的電源經(jīng)多繞組高脈波移相變壓器和變頻電源變換為6.6kV/60Hz的電源，通過(guò)輸出隔離變壓器配置的高壓饋電單元向船舶供電并計(jì)費(fèi)。圖2示出高壓岸電電源主電路拓?fù)湓韴D。

圖2 高壓岸電電源主電路拓?fù)湓韴D

高壓岸電電源的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要由進(jìn)線(xiàn)單元、移相隔離變壓器、高—高方式鏈?zhǔn)紿橋變頻單元、輸出隔離變壓器和出線(xiàn)單元組成。其中：移相隔離變壓器[4]能夠?qū)崿F(xiàn)一、二側(cè)線(xiàn)電壓的相移和變頻單元與電網(wǎng)間電氣隔離，移相角采用30脈波。為了滿(mǎn)足不同船只的用電需求，變頻電源將起到至關(guān)重要的作用，二極管整流先將輸入50Hz交流電整流成脈動(dòng)的直流，經(jīng)電容濾波后作為逆變器的輸入[1]。變頻逆變器采用高—高方式鏈?zhǔn)紿橋[5]拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，根據(jù)脈波數(shù)進(jìn)行5個(gè)單元相鄰功率單元的輸出端串聯(lián)，構(gòu)成11電平的級(jí)聯(lián)逆變器，三相輸出形成星型結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)60Hz交流電；功率單元是輸入為三相輸入不可控整流、輸出為單相PWM電壓源型H橋主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)變壓變頻高壓直接輸出；功率單元需要承受全部輸出電流，但是每個(gè)功率單元只需承擔(dān)1/5輸出電壓，承受的功率為輸出電壓除以3[6]。

高壓岸電電源采用鏈?zhǔn)酵負(fù)浞桨福哂幸韵录夹g(shù)優(yōu)勢(shì)：（1）器件開(kāi)關(guān)頻率大幅降低，輸出波形質(zhì)量高，且電壓諧波含量很少，提高了電源整體傳輸效率；輸入采用多繞組移相變壓器，電流諧波畸變率低，輸入功率因數(shù)高；（2）容量范圍寬、適合中高壓大容量接入、上船電纜數(shù)量少、操作方便；（3）采用模塊化結(jié)構(gòu)，體積小、易擴(kuò)容、易制造、易維護(hù)。

2.2 拓?fù)淇刂撇呗?/h3>

高壓岸電電源控制策略采用分層的控制架構(gòu)，主要包括系統(tǒng)級(jí)控制、裝置級(jí)控制和調(diào)制3部分。其中：系統(tǒng)級(jí)控制根據(jù)設(shè)定的電源制式、控制模式等，生成輸出電壓幅值和頻率指令，主要實(shí)現(xiàn)虛擬同步發(fā)電機(jī)控制、同期控制和負(fù)載轉(zhuǎn)移等功能；裝置級(jí)控制根據(jù)電壓幅值和頻率指令，對(duì)輸出電壓進(jìn)行閉環(huán)控制。虛擬同步發(fā)電機(jī)具有慣性和阻尼特性，在頻率突變時(shí)，通過(guò)快速的功率控制向系統(tǒng)瞬時(shí)注入或吸收突變的有功方式實(shí)現(xiàn)模擬同步發(fā)電機(jī)的機(jī)電搖擺過(guò)程、減緩頻率變化速度。阻尼特性在系統(tǒng)功率振蕩期間，加速系統(tǒng)振蕩衰減，主要由功頻控制器、機(jī)械部分、勵(lì)磁控制器3部分組成[7]。

功頻控制器設(shè)計(jì)，可以定義有功—頻率調(diào)差系數(shù)為Kp，由有功功率—頻率靜態(tài)特性可知：

機(jī)械部分設(shè)計(jì)，由牛頓第二定律可知，虛擬同步發(fā)電機(jī)的機(jī)械方程可表示為：

勵(lì)磁控制器，定義調(diào)差系數(shù)為KQ，由無(wú)功功率—電壓下垂靜態(tài)特性可知：

因此，借助虛擬同步發(fā)電機(jī)使岸電電源在功能上模擬發(fā)電的外特性，從而改善岸電的穩(wěn)定性，使其無(wú)擾動(dòng)地并入船舶電網(wǎng)，且能夠接受船舶能量管理系統(tǒng)的調(diào)度。虛擬同步發(fā)電機(jī)控制增加了系統(tǒng)的慣性特性和阻尼特性，避免負(fù)載波動(dòng)或負(fù)載不平衡時(shí)頻率大幅振動(dòng)，該控制實(shí)現(xiàn)了岸電電源與船舶電網(wǎng)的并聯(lián)運(yùn)行和無(wú)功負(fù)荷分配。

3.實(shí)驗(yàn)

高壓岸電電源的系統(tǒng)平其適用于船舶高壓岸電系統(tǒng)，推廣應(yīng)用場(chǎng)合包括集裝箱碼頭、散貨船碼頭、郵輪碼頭、滾裝船碼頭等港口。在實(shí)際工程應(yīng)用中離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)，并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)均平滑無(wú)沖擊；負(fù)載按照設(shè)定的斜率平滑從船側(cè)轉(zhuǎn)移至岸側(cè)；負(fù)載轉(zhuǎn)移時(shí)間可控。表明了所構(gòu)建的高壓岸電電源系統(tǒng)可以安全可靠的運(yùn)行，且能夠滿(mǎn)足船舶對(duì)岸基電源的需求。

4.結(jié)論

通過(guò)以上對(duì)岸電電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分析以及高壓岸電電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略的理論研究，基于移相變壓器和鏈?zhǔn)紿橋逆變器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及虛擬同步發(fā)電機(jī)的分層控制策略，能夠?qū)崿F(xiàn)高壓岸電電源的安全可靠的運(yùn)行，實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明所設(shè)計(jì)裝置的有效性和可行性，為高壓岸電電源的推廣應(yīng)用提供了一定的借鑒意義。