田 鑫 趙國(guó)亮 趙 波 荊 平

（國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院，北京 102211）

中國(guó)是世界上最大的海運(yùn)國(guó)，船舶到港停泊后需要關(guān)閉主機(jī)并起動(dòng)副機(jī)發(fā)電，為船舶提供日常的電力。副機(jī)燃料大多為質(zhì)量較差的重油，燃燒后會(huì)排放大量污染物，此外副機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)也會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲和振動(dòng)，給船員、旅客、碼頭工人和鄰近社區(qū)居民的工作和生活帶來(lái)了極大的困擾[1]。

船用岸電技術(shù)，是指船舶在停泊碼頭期間停止使用船上發(fā)電機(jī)，而改用岸上電源供電，獲得其泵組、通風(fēng)、照明、通訊和其他設(shè)施所需電力，既可以減少大氣污染物排放，達(dá)到改善港口空氣質(zhì)量的目的，又可以使用價(jià)格低廉的電力降低船舶運(yùn)營(yíng)成本[2]。

采用岸電，實(shí)現(xiàn)“以電代油”，最明顯的效益在于減少港口空氣、噪聲、水域污染，改善當(dāng)?shù)鼐用?、工商業(yè)的環(huán)境。

本文對(duì)港口碼頭船用岸電的主電氣接線(xiàn)方式進(jìn)行研究，充分考慮港口碼頭電氣布局及碼頭船舶用電需求，提出了三種不同的供電主電氣接線(xiàn)方式，并對(duì)各種方式的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明，可用于指導(dǎo)國(guó)內(nèi)岸電技術(shù)應(yīng)用。

1 船用岸電系統(tǒng)組成

船舶岸用電系統(tǒng)包括三個(gè)重要組成部分：岸上供電系統(tǒng)，船岸交互部分和船舶受電系統(tǒng)。系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 船用岸電系統(tǒng)示意圖

1）岸上供電系統(tǒng)：岸上供電系統(tǒng)使電力從高壓變電站供應(yīng)到靠近船舶的連接點(diǎn)即碼頭接電箱，需完成電壓等級(jí)變換、變頻、與船舶受電系統(tǒng)不停電切換等功能。

2）船岸交互部分：連接岸上連接點(diǎn)及船上受電裝置間的電纜和設(shè)備；電纜連接設(shè)備必須滿(mǎn)足快速連接和儲(chǔ)存的要求，不使用的時(shí)候儲(chǔ)存在船上、岸上或者駁船上。

3）船舶受電系統(tǒng)：在船上原有配電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上固定安裝岸電受電系統(tǒng)，包括電纜絞車(chē)、船上變壓器和相關(guān)電氣管理系統(tǒng)等。船舶電站發(fā)電機(jī)電壓等級(jí)可分為高壓和低壓兩種。高壓船舶電站電壓等級(jí)為11kV，6.6kV（60Hz），低壓船舶電站電壓等級(jí)為400V（50Hz）或440V（60Hz）。

目前，船用岸電技術(shù)在美國(guó)和歐洲應(yīng)用較為廣泛，且目前已形成IEC/ISO/IEEE 80005-1 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)岸電工程實(shí)施[3]。然而，該標(biāo)準(zhǔn)主要針對(duì)船舶側(cè)需滿(mǎn)足的條件進(jìn)行要求，對(duì)岸側(cè)技術(shù)包括主電氣接線(xiàn)方式選取、接地技術(shù)等缺乏專(zhuān)業(yè)性的指導(dǎo)[4]。國(guó)內(nèi)船用岸電技術(shù)目前尚處于起步階段，截止2014年6月，國(guó)內(nèi)有岸電設(shè)施的港口包括上海港、連云港港、深圳蛇口港和寧波港。文獻(xiàn)5 中深圳蛇口集裝箱碼頭船用供電系統(tǒng)采用高壓和低壓混合上船的方式，并對(duì)方案進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，但并未給出普遍性的適用方案。文獻(xiàn)6 中僅從滿(mǎn)足港口單個(gè)船舶供電角度給出了多種情況下岸電主電氣接線(xiàn)圖，但供電方式單一，均采用單母線(xiàn)供電方式，且并未考慮港口供電可靠性和靈活性的需求。目前國(guó)內(nèi)港口的岸電工程均以示范工程的方式建立，并未形成統(tǒng)一的工程標(biāo)準(zhǔn)。難以對(duì)岸電技術(shù)在國(guó)內(nèi)的規(guī)?；茝V應(yīng)用形成支撐作用。

由于高壓上船方式具有供電容量較大的優(yōu)點(diǎn)，且采用一根電纜上船，易于操作，是船舶岸電技術(shù)推廣應(yīng)用的發(fā)展方向。本文將針對(duì)高壓船用岸電供電系統(tǒng)主電氣接線(xiàn)方式進(jìn)行研究。

2 船用岸電供電系統(tǒng)主接線(xiàn)方式研究

高壓船用岸電主電氣接線(xiàn)主要有三種結(jié)構(gòu)形式，分別為一對(duì)一供電模式，帶直流母線(xiàn)的一對(duì)一供電模式和一對(duì)多供電模式。下面將分別對(duì)三種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行介紹。

2.1 一對(duì)一供電模式

一對(duì)一供電模式主電氣接線(xiàn)圖如圖2所示。一對(duì)一供電模式主變電站把電力變換為6kV 或者其他的高壓等級(jí)的電壓，通過(guò)電纜傳輸?shù)礁鱾€(gè)碼頭，每個(gè)碼頭上均設(shè)置一個(gè)分變電站。碼頭的分變電站中有變壓設(shè)備和變頻設(shè)備。碼頭上的分變電站根據(jù)?？看暗男枰峁?0Hz/60Hz 的電力，并把電壓降至船舶所需要等級(jí)。

圖2 一對(duì)一供電模式主電氣接線(xiàn)圖

這種供電模式的優(yōu)點(diǎn)如下。

1）每個(gè)碼頭供電相對(duì)獨(dú)立，任何一個(gè)碼頭分變電站出現(xiàn)問(wèn)題均不會(huì)影響其他碼頭岸電電源的正常使用。

2）供電采用一對(duì)一模式，岸電并網(wǎng)等操作可在岸上執(zhí)行，可將船舶改造部分最小化。

其缺點(diǎn)如下。

1）碼頭占地空間較大。每一個(gè)碼頭分變電站都需設(shè)置變壓和變頻設(shè)備，在空間不足的碼頭難以采用這種方式。

2）變頻器需同時(shí)滿(mǎn)足50Hz 和60Hz 兩種供電頻率，工作模式較多，控制復(fù)雜。

3）供電可靠性依賴(lài)于變頻器，如變頻器發(fā)生故障則無(wú)備用電源保障供電。

2.2 帶直流母線(xiàn)的一對(duì)一供電模式

帶直流母線(xiàn)的一對(duì)一供電模式主電氣接線(xiàn)圖如圖3所示。該模式優(yōu)化了一對(duì)一供電模式中碼頭變頻器占地面積較大的問(wèn)題。港口變電站的兩段母線(xiàn)各連接一臺(tái)整流器，整流器之后可根據(jù)碼頭數(shù)量連接多臺(tái)逆變器，由逆變器提供60Hz 供電。逆變器既可放置在碼頭，也可放置在變電站。同時(shí)，該模式中增加了獨(dú)立的50Hz 供電母線(xiàn)，可將50Hz 船舶通過(guò)變電站直接供電，逆變器只為60Hz 船舶供電，簡(jiǎn)化了逆變器的工作模式。

圖3 帶直流母線(xiàn)的一對(duì)一供電模式主電氣接線(xiàn)圖

這種供電模式的優(yōu)點(diǎn)如下。

1）每個(gè)碼頭供電相對(duì)獨(dú)立，任何一個(gè)碼頭分變電站出現(xiàn)問(wèn)題均不會(huì)影響其他碼頭岸電電源的正常使用。

2）逆變器可根據(jù)需求安裝于變電站或者碼頭，布局較為靈活。

3）供電采用一對(duì)一模式，岸電并網(wǎng)等操作可在岸上執(zhí)行，可將船舶改造部分最小化。

4）增加了50Hz 供電母線(xiàn)，減少了逆變器工作模式，簡(jiǎn)化了其控制。

其缺點(diǎn)如下。

1）供電可靠性依賴(lài)于整流器，如整流器發(fā)生故障則無(wú)備用電源保障供電。

2）當(dāng)50Hz 供電采用變壓器直接供電時(shí)，僅能采用船舶并網(wǎng)方式，否則無(wú)法實(shí)現(xiàn)一對(duì)一供電。

2.3 一對(duì)多供電模式

一對(duì)多供電模式主電氣接線(xiàn)圖如圖4所示。港口變電站的兩段母線(xiàn)各連接一臺(tái)變壓器和一臺(tái)變頻器，變壓器提供50Hz 供電，變頻器提供60Hz 供電。日常運(yùn)行模式下，每段母線(xiàn)僅變壓器或變頻器接入，且兩段母線(xiàn)分別提供50Hz 和60Hz 供電。該供電母線(xiàn)直接連接至碼頭，每個(gè)碼頭根據(jù)?？看暗男枰x擇相應(yīng)頻率的電力。每段母線(xiàn)均設(shè)置備用變壓器和變頻器，當(dāng)正常模式下的供電變壓器或變頻器發(fā)生故障時(shí)，可接入備用設(shè)備保障持續(xù)供電。碼頭側(cè)50Hz 和60Hz 供電母線(xiàn)也分別采用雙母線(xiàn)分段配置方式，當(dāng)一段母線(xiàn)發(fā)生故障時(shí)可閉合母聯(lián)開(kāi)關(guān)由另一段母線(xiàn)保證供電。

這種方式把頻率的變換集中在主變電站，通過(guò)設(shè)置冗余，提高供電可靠性。同時(shí)，這種方式僅需將供電母線(xiàn)鋪設(shè)至碼頭，岸電設(shè)施對(duì)碼頭的空間需求較低，成本更加低廉。

圖4 一對(duì)多供電模式主電氣接線(xiàn)圖

這種供電模式的優(yōu)點(diǎn)如下。

1）供電范圍可通過(guò)變電站輻射至港區(qū)所有需要岸電的碼頭，碼頭不需安裝變頻設(shè)備，降低了成本，鋪設(shè)便利。

2）通過(guò)兩段母線(xiàn)上的變壓器和變頻器設(shè)備提供50Hz 和60Hz 供電電源，互為備用，供電可靠性高。

其缺點(diǎn)如下。

1）每段母線(xiàn)通過(guò)一臺(tái)變頻器供電，所需容量較高。

2）船舶接入岸電時(shí)僅能由船舶側(cè)控制實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)，需對(duì)船舶部分進(jìn)行改造。

3 結(jié)論

將以上三種主電氣接線(xiàn)方式進(jìn)行對(duì)比，得到三種模式的簡(jiǎn)要對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 船用岸電主電氣接線(xiàn)方式對(duì)比

由以上對(duì)比可以看出，一對(duì)多模式具有碼頭占地面積小，布線(xiàn)簡(jiǎn)單，工程造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)，并且易于在不同的碼頭進(jìn)行推廣，符合船用岸電技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，應(yīng)用潛力較大。

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[3] 盧明超,劉汝梅,石強(qiáng),等. 國(guó)內(nèi)外港口船舶岸電技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀[J]. 港工技術(shù),2012,49(3): 41-44.

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