集中式供電的船舶岸基供電系統(tǒng)

張子才

(寶山鋼鐵股份有限公司運輸部,上海 201999)

船舶靠港后,船員的生活、照明及船上的水泵、錨纜機等部分設(shè)備運轉(zhuǎn)仍然需要船上的輔助發(fā)電機提供電源。發(fā)電機使用的燃油制品多為重油、柴油,不僅能耗高,而且會造成較大的環(huán)境污染,包括因重油和柴油在燃燒過程中所產(chǎn)生的大量硫化物和氮氧化物對周邊環(huán)境造成的污染,以及船舶使用發(fā)電機引起的噪聲污染。寶山鋼鐵股份有限公司寶山基地原料碼頭現(xiàn)有9個泊位,目前所有泊位都沒有配置岸電設(shè)施,作業(yè)船舶靠岸以后,均使用船舶自帶柴油發(fā)電機供電。原料碼頭靠泊的國輪和外輪,在船舶的電壓等級、電源頻率、用電容量等方面都有較大差異,無法采用簡單的供電方案予以解決。集中式配置分布式供電的船舶岸基供電系統(tǒng)是解決這些問題的最佳選擇。

1 岸基供電系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)配置和單線圖及各部分說明

大容量高可靠岸電電源技術(shù)需要適應(yīng)為多種船舶供電服務(wù)[1-2],要求電源系統(tǒng)具有良好的通用性和接入能力。寶鋼原料碼頭采用的集中式配置分布式供電的船舶岸基供電系統(tǒng),包括輸入變壓器(降壓)、變頻電源(整流、逆變、濾波)、輸出變壓器(升壓、隔離)輸出6 kV/50 Hz或6.6 kV/60 Hz交流電,由6.6 kV開關(guān)柜以電纜方式引接至碼頭前沿的岸電接電箱。岸電系統(tǒng)單線圖見圖1。

圖1 岸電系統(tǒng)單線圖Fig.1 Single line diagram of the shore power system

本項目碼頭前沿共有3個泊位,每個泊位設(shè)置1個高壓岸電插座箱,每套岸電納入岸電管理系統(tǒng)中,每個泊位采用一路獨立供電的6.6 kV變頻裝置。連接器通過導(dǎo)入接觸插芯的元件實現(xiàn)電氣互鎖,在實際操作插頭插座連接和斷開過程中,接觸器是最晚實現(xiàn)連接也是最早實現(xiàn)斷開的插芯,可實現(xiàn)快速、安全、可靠的連接。箱體防護等級IP65,插座防護等級IP67。作為唯一的岸基與船舶的供電連接點,岸電接電箱應(yīng)選用帶有機械聯(lián)和電氣鎖控制的岸電箱,采用人工操作。岸電應(yīng)有相應(yīng)的保護,在插拔岸電箱時應(yīng)保證在不帶電的情況進行,岸電箱具防凝露功能,在與船電系統(tǒng)聯(lián)接時與船電系統(tǒng)形成一個整體系統(tǒng)進行保護,具有從船—岸電接口箱—變頻電源站一個整體系統(tǒng)的安全聯(lián)鎖功能[3-4]。

1.2 方案優(yōu)勢及配置特點

變頻裝置采用針對岸電電源應(yīng)用需求特點定制開發(fā)的岸電專用變頻電源。變頻電源選用低壓變頻模塊、多組并聯(lián)方式,在某一模塊故障時,其他模塊可獨立運行使用;采用模塊化設(shè)計,具備擴展能力。

10 kV供電輸入變頻變壓系統(tǒng),經(jīng)過變頻變壓系統(tǒng)處理并經(jīng)隔離變壓器后,可輸出45～65 Hz、0～7 000 V三相交流電壓,可預(yù)設(shè)50 Hz/60 Hz兩個固定頻率點,并提供分辨率0.01 Hz的頻率精細微調(diào)功能。

在本系統(tǒng)中,輸入按2 500 kVA配置,輸出兩路獨立可變頻變壓的電源,容量分別為800 kVA和2 000 kVA的船舶供電系統(tǒng)。

變頻變壓設(shè)備具有額定功率20%的逆功率10 s的回收能力,吸收在并網(wǎng)操作過程中(尤其是被動并網(wǎng)的操作過程中)可能產(chǎn)生的準(zhǔn)同期并網(wǎng)狀態(tài)下的逆功率,保證并網(wǎng)過程的順利進行,完成岸—船電網(wǎng)的順利并列。電氣柜體采用熱涂鋅鋼板制作,內(nèi)部布局電氣結(jié)構(gòu)合理、美觀,可有效屏蔽柜內(nèi)的部分EMC傳導(dǎo)和輻射。

2組變頻電源均采用4組整流模塊并聯(lián),形成24脈波整流;其中800 kVA變頻電源逆變采用2組逆變模塊并聯(lián),2 000 kVA變頻電源逆變采用5組逆變模塊并聯(lián)。

本項目采用的整流模塊額定電流600 A,單組整流模塊容量為750 kVA,4組并聯(lián)組成24脈波整流回路,容量滿足120%裕量需求。

逆變模塊采用額定電流400 A,單組逆變模塊容量為480 kVA,800 kVA電源逆變?nèi)萘?60 kVA,2 000 kVA電源逆變?nèi)萘? 400 kVA,容量滿足120%裕量需求。

變頻裝置具有故障穿越能力,可實現(xiàn)故障在線退出并仍能保證系統(tǒng)繼續(xù)正常運行,以增加輸出的連續(xù)性和可靠性。

變頻裝置輸出側(cè)配置專門濾波單元,確保變頻裝置輸出側(cè)輸出電能質(zhì)量優(yōu)于國標(biāo)要求。

1.3 使用操作說明

為保證岸基供電系統(tǒng)運行的安全性、可靠性,提高供配電系統(tǒng)的自動化水平,配置1套本地及遠程監(jiān)控系統(tǒng),如圖2所示。在岸電電源本體PLC控制柜中實現(xiàn)屏幕顯示及實時控制,通信上傳遠程監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)后臺監(jiān)控。

圖2 本地及遠程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of local and remote monitoring systems

本地及遠程監(jiān)控系統(tǒng)的范圍包括岸基供電系統(tǒng)的輸入10 kV配電系統(tǒng)、變頻電源本體、變頻電源輸出系統(tǒng)及配套設(shè)備,遠程監(jiān)控系統(tǒng)的后臺監(jiān)控主機設(shè)在業(yè)主指定監(jiān)控室。

2 控制策略

2.1 恒頻穩(wěn)壓控制策略

由于本系統(tǒng)為電源產(chǎn)品,與變頻器等其他設(shè)備相比,要求系統(tǒng)具有較高的輸出電壓精度和快速的動態(tài)響應(yīng)。傳統(tǒng)的高壓逆變電源大多采用輸出電壓有效值控制或輸出電壓瞬時值控制,輸出電壓有效值控制是將輸出電壓有效值作為被控對象[5-6],由于有效值計算需要在基波周期內(nèi)對輸出電壓波形進行均方根計算,故系統(tǒng)的響應(yīng)速度一般都比較慢,很難滿足高動態(tài)響應(yīng)的要求。輸出電壓瞬時值控制雖然動態(tài)響應(yīng)速度相對較快,但由于被控量為交流量,采用傳統(tǒng)的PI控制將會有靜差存在,輸出電壓無法完全跟蹤給定電壓的變化,輸出電壓精度相對較低。本系統(tǒng)對輸出電壓采用了基于d-q-0同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的PI控制方法(圖3),首先對系統(tǒng)三相輸出線電壓進行d-q-0同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換,將a-b-c靜止坐標(biāo)系下的三相交流量變換成了d-q-0同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流量,在d-q-0同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下對直流量進行PI控制,解決了系統(tǒng)靜差的問題,保證了輸出電壓較高的精度。而d-q-0同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換是對系統(tǒng)三相輸出線電壓瞬時值進行變換,所以在d-q-0同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下進行PI控制屬于對輸出線電壓的瞬時值進行控制,因此系統(tǒng)具有快速的動態(tài)響應(yīng),當(dāng)系統(tǒng)輸出電壓因擾動而發(fā)生突變時,控制系統(tǒng)能使輸出電壓迅速地恢復(fù)到額定值。

圖3 恒頻穩(wěn)壓控制框圖Fig.3 Block diagram of constant frequency voltage stabilization control

2.2 無縫切換控制策略

變頻電源輸出電壓采用閉環(huán)控制,將濾波器輸出電壓跟蹤給定電壓作為控制目標(biāo),從而穩(wěn)定隔離變輸出電壓,船岸連接控制過程如下:①岸上變頻電源接收到船側(cè)合閘允許送電的信號后,岸電電源將電接至船舶;②船舶檢測裝置將判定岸電電源相序、頻率、電壓是否與船舶一致,船側(cè)同期裝置開始調(diào)節(jié)船舶發(fā)電機的發(fā)電電壓的頻率、相位、幅值與岸上電源的頻率、相位、幅值之間的偏差,當(dāng)偏差在允許的范圍時岸電電源并入船舶電網(wǎng),此時岸電與船側(cè)發(fā)電機同時供電;③船側(cè)調(diào)節(jié)發(fā)電機功率逐漸減小,岸電電源功率逐漸增大,當(dāng)船側(cè)功率小于一定值時切斷發(fā)電機開關(guān),完全由岸電電源供電,岸電電源并網(wǎng)完成。

船岸供電運行時,船舶負載變化使輸出隔離變壓器產(chǎn)生壓降,變頻電源可自行調(diào)高輸出電壓,增加變頻電源本體的輸出電壓,從而確保船舶設(shè)備供電電壓穩(wěn)定在所需電壓。

2.3 虛擬發(fā)電機功能

為了使岸電電源準(zhǔn)確模擬發(fā)電機特性,并且適應(yīng)多種并聯(lián)接入能力,提高岸電系統(tǒng)的適用范圍和經(jīng)濟性[7],本文采用基于虛擬同步發(fā)電機的岸電逆變器控制策略,在岸電逆變器的控制環(huán)路中人為地引入發(fā)電機的機械運動方程,通過模型中轉(zhuǎn)動慣量的引入,使得逆變器具有與發(fā)電機相似的電氣和機械特性,并且將實現(xiàn)系統(tǒng)下垂特性的功頻控制器模塊和勵磁控制器模塊引入該控制策略中,使岸電電源的逆變器側(cè)具有與發(fā)電機相似的輸出下垂特性。虛擬發(fā)電機控制框圖如圖4所示。

圖4 虛擬發(fā)電機控制框圖Fig.4 Virtual generator control block diagram

2.3.1 虛擬發(fā)電機

為了實現(xiàn)同步發(fā)電機的基本特性,并簡化模型,采用同步發(fā)電機的二階機電暫態(tài)模型,見式(1)、(2):

E0=U+IRa+jIXs

(1)

(2)

式中:Eo為勵磁電動勢;U為電樞端電壓;I為電樞電流;Ra為電樞電阻;j為向量變換系數(shù);Xs為同步電抗;J為轉(zhuǎn)動慣量;ωm為機械角速度;Tm為機械轉(zhuǎn)矩;Te為電磁轉(zhuǎn)矩。

取極對數(shù)np=1,則電角速度ωe=ωm,式(2)可變換為式(3):

(3)

(4)

式中:ωN為同步電角速度;Pm為機械功率;Pe為電磁功率;θ為電角度。

由式(1)、(3)、(4) 可建立虛擬發(fā)電機模型。

本方案引入了頻率反饋環(huán)節(jié),使得逆變電源能夠跟蹤電網(wǎng)頻率,同時采用并網(wǎng)電壓閉環(huán)控制以保證并網(wǎng)電壓穩(wěn)定,可以無偏差地實現(xiàn)頻率和電壓的穩(wěn)定。

2.3.2 虛擬發(fā)電機功頻控制器設(shè)計

本方案參考同步發(fā)電機調(diào)速器原理,虛擬同步發(fā)電機功頻控制器設(shè)計如圖5所示,圖中f為系統(tǒng)實際頻率,fN為系統(tǒng)額定頻率,PN為虛擬同步發(fā)電機在額定頻率下的初始輸出有功功率,Pm為虛擬同步發(fā)電機實際輸出功率。

圖5 功頻控制器框圖Fig.5 Block diagram of power frequency controller

發(fā)電機的頻率調(diào)差系數(shù)R見式(5):

(5)

上式標(biāo)幺化后可表示為式(6):

(6)

頻率調(diào)差系數(shù)表示發(fā)電系統(tǒng)負載突變時相應(yīng)的頻率變化,決定了機組之間的有功功率分配。

2.3.3 虛擬發(fā)電機勵磁控制器設(shè)計

無功功率不平衡會導(dǎo)致系統(tǒng)電壓的波動,在電網(wǎng)中,為實現(xiàn)系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定,通過改變發(fā)電機勵磁電流的大小來調(diào)節(jié)發(fā)電機無功功率的輸出值,從而維持系統(tǒng)無功功率平衡。但是,無窮大系統(tǒng)在實際中并不存在,電網(wǎng)電壓將隨負荷的波動而變化。

參考發(fā)電機的電壓調(diào)節(jié)特性,虛擬發(fā)電機勵磁控制器如圖6所示。

圖6 勵磁控制器框圖Fig.6 Excitation controller block diagram

圖6中Qref為虛擬發(fā)電機在額定頻率下的初始無功功率,當(dāng)系統(tǒng)實際無功功率Q波動時,會偏離無功功率初始值QN,為實現(xiàn)對并網(wǎng)電壓的閉環(huán)控制,將得到并網(wǎng)電壓的幅值指令Uref與反饋的實際并網(wǎng)電壓幅值Um相比較,經(jīng)過PI控制器得到的Eo作為虛擬發(fā)電機控制算法模型中勵磁電動勢的幅值。

電壓調(diào)差系數(shù)σ見式(7):

(7)

式(7)標(biāo)幺化后可表示為式(8):

(8)

電壓調(diào)差系數(shù)可以表示發(fā)電系統(tǒng)負載突變時相應(yīng)的電壓變化,決定了機組之間的無功功率分配。

3 實際應(yīng)用情況

3.1 船級社測試情況

集中式供電的船舶岸基供電系統(tǒng)在寶鋼原料碼頭安裝調(diào)試完成后,依據(jù)JTS 155—2019《碼頭船舶岸電設(shè)施建設(shè)技術(shù)規(guī)范》、JTS155—1—2019《碼頭岸電設(shè)施檢測技術(shù)規(guī)范 》、IEC 80005—1 Utility connections in port-Part 1:High Voltage Shore Connection (HVSC) Systems-General requirements、GD07—2018《船舶岸電岸上供電設(shè)施檢驗指南》(中國船級社)等標(biāo)準(zhǔn),中國船級社進行高壓開關(guān)設(shè)備工頻耐壓試驗、電纜耐壓試驗報告審核、絕緣電阻檢測、保護功能及其整定值檢測、系統(tǒng)聯(lián)鎖功能試驗、控制設(shè)備功能試驗、相序檢測、電能質(zhì)量檢測、突加、突卸負載試驗(0—50%—100%、100%—0)、帶載試驗、額定負載運行試驗、過載運行試驗(110% 60 s)、電源切換等項目測試,各項指標(biāo)合格,通過了中國船級社認證。

3.2 實際連船情況

在本文設(shè)計的大容量岸電回路架構(gòu)下,通過采用虛擬發(fā)電機控制方法,實現(xiàn)了良好的供電運行。在實際連船運行中,獲得如下實測結(jié)果:

第一次聯(lián)船:**輪561號,用電463.32 kWh,連續(xù)6 kV 50 Hz供電48 h;

第二次聯(lián)船:**輪508號,用電5 266 kWh,連續(xù)6 kV 50 Hz供電48 h;

第三次聯(lián)船:**輪561號,用電1 925 kWh,連續(xù)6 kV 50 Hz供電48 h。

4 結(jié)語

穩(wěn)定高可靠、穩(wěn)健并聯(lián)是大容量岸電供電技術(shù)的關(guān)鍵。船舶在停岸后,需要岸電快速有效地與船側(cè)電源進行并聯(lián),逐步主導(dǎo)功率并替代船側(cè)電源,要求岸電電源有穩(wěn)健的并聯(lián)和功頻/電壓調(diào)控能力。本文通過對大容量岸電電源連船穩(wěn)健并聯(lián)運行控制方法的研究,設(shè)計了基于虛擬發(fā)電機控制的岸電—船電并聯(lián)運行控制策略。通過構(gòu)建虛擬功頻下垂控制和電壓下垂控制,當(dāng)系統(tǒng)運行在連船工況時,可以實現(xiàn)岸電電源與船側(cè)電源負荷與電壓的平衡配置,使得岸電電源具備穩(wěn)健的交流并聯(lián)構(gòu)網(wǎng)能力,同時為本文設(shè)計的無縫切換提供了控制基礎(chǔ),在岸電—船電并聯(lián)運行成功后,通過功頻/電壓調(diào)節(jié),使岸電主導(dǎo)負荷供電并實現(xiàn)對船側(cè)電源替代。本文所研究的岸電控制策略對于不同容量參數(shù)、不同特性的船舶,均可適用,對于其他交流并聯(lián)供電系統(tǒng)應(yīng)用也具有參考借鑒價值。