梁光耀上海電動工具研究所（集團(tuán)）有限公司上海電動工具工程技術(shù)中心

變頻電源在港口岸電中的應(yīng)用

梁光耀
上海電動工具研究所（集團(tuán)）有限公司
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岸基電源系統(tǒng)是降低港口污染，提升環(huán)境保護(hù)的有效途徑。詳細(xì)闡述了本研究所的變頻電源設(shè)計方案，對其系統(tǒng)冗余設(shè)計、故障模塊熱退出技術(shù)、末端電壓校正技術(shù)、低電壓穿越功能做了細(xì)致的分析。發(fā)現(xiàn)其具有電源的波形質(zhì)量好、動態(tài)響應(yīng)性能佳、可靠性高的特點。并針對本設(shè)計方案的實際應(yīng)用案例做了詳盡分析。

環(huán)保；岸基供電；變頻電源

大噸位船舶在?？扛劭谄陂g，船上的部分用電設(shè)備，如照明、空調(diào)及水泵等輔助設(shè)施，需要保持持續(xù)工作狀態(tài)，該時間段內(nèi)需對船舶提供一定的電力供應(yīng)。船舶大部分是依靠自身的燃油發(fā)動機(jī)帶動發(fā)電機(jī)組來向自身的用電設(shè)備提供電力的，許多大型船只仍然采用重油等作為主要燃料，這樣在停靠期間，由于發(fā)動機(jī)需要持續(xù)運行，必將會對?？康母劭谠斐蓢?yán)重污染。由此，設(shè)置岸基供電系統(tǒng)，向?？看疤峁┮欢ǖ碾娏σ越档瓦@一部分污染，成為眾多港口城市建立“綠色港口”的有效途徑。

我國擁有眾多的涉外港口，大量的外籍船只采用60 Hz供電制式，與我國電網(wǎng)固定的50Hz供電制式不能直接連接，因此，采用變頻電源來解決岸基供電系統(tǒng)與船用電網(wǎng)之間的供電制式匹配問題，成為有效的，也是目前主流的實現(xiàn)途徑。

1 岸基電源系統(tǒng)簡介

1.1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

岸基電源設(shè)備向停靠船舶供電系統(tǒng)主要由岸基公用電網(wǎng)、岸基電源、船岸接駁設(shè)備、船側(cè)受電設(shè)備組成，典型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

來自公用電網(wǎng)的50 Hz供電電源（一般采用10 kV供電），經(jīng)受電開關(guān)柜→電源變換裝置（變頻電源），變換為與船電電網(wǎng)相同的60 Hz完成供電頻率匹配，由隔離變壓器形成電壓等級匹配，輸出開關(guān)柜完成必要的控制保護(hù)，隨后通過標(biāo)準(zhǔn)的岸船接駁設(shè)備（岸電接線箱及電纜管理系統(tǒng)），向?？看疤峁╇娏Α?/p>

1.2 變頻電源實現(xiàn)方案

圖1中關(guān)鍵設(shè)備是岸電變頻電源，該設(shè)備起到了將公用電網(wǎng)的50 Hz頻率轉(zhuǎn)換為適用于船上用電設(shè)備所需的60 Hz頻率，然后通過輸出隔離變壓器實現(xiàn)了電壓等級的匹配。

變頻電源采用成熟的高頻開關(guān)電源技術(shù)，可以實現(xiàn)快速、精確控制，并大幅度提高了輸出電壓的質(zhì)量，目前常用的變頻方案一般有兩種模式：一種為高壓輸入—高壓逆變—高壓輸出的高—高變頻方案，另一種方案采用高壓輸出—低壓逆變—高壓輸出的高—低—高變頻方案。

1.2.1 高—高變頻方案

典型的高—高變頻方案原理如圖2所示。

圖1 典型岸電電源供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 典型高—高變頻方案

高—高變頻方案采用級聯(lián)式逆變結(jié)構(gòu)，每一個逆變單元輸出電壓約600 V，通過級聯(lián)結(jié)構(gòu)的多級串聯(lián)方式，在輸出端構(gòu)成需要的輸出電壓，輸出變壓器通常為原邊與副邊相同的電壓等級，形成變頻電源與船側(cè)電網(wǎng)的電氣隔離，同時將變頻電源的三線制輸出變換為帶有中性點的“三相四線”輸出制式，以滿足岸電電源國際通用標(biāo)準(zhǔn)IEC80005-1的輸出制式規(guī)定。由于采用級聯(lián)式多電平逆變結(jié)構(gòu)，輸出電壓紋波較低，容易獲得諧波含量很低的輸出電壓質(zhì)量，且高—高變頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡單，有利于減小設(shè)備占用空間。

1.2.2 高—低—高變頻方案

高—低—高變頻方案采用低壓逆變技術(shù)路線，受單個功率模塊IGBT的電流限制，單一模塊無法滿足岸電電源容量（一般不小于103 kVA），因此，高—低—高方案需要采用多模塊并聯(lián)技術(shù)，來滿足船側(cè)負(fù)荷要求。

典型的高—低—高變頻方案如圖3所示。

圖3 典型高—低—高變頻方案

系統(tǒng)中的低壓逆變部分采用多個標(biāo)準(zhǔn)的逆變單元并聯(lián)運行，各逆變功率單元采用共直流母線工作方式，因此，通過在直流母線側(cè)增加統(tǒng)一的儲能設(shè)備，可以形成對岸船并網(wǎng)過程中可能產(chǎn)生的逆功率的有效吸收，大大提高了系統(tǒng)工作的可靠性。

2 變頻電源設(shè)計方案

我們經(jīng)過對上述兩種方案的充分研究，選擇了高—低—高技術(shù)路線，在變頻電源設(shè)計中采用了中壓（1 100 V）等級的多電平逆變技術(shù)，并針對岸電電源的特殊性進(jìn)行了多項專向設(shè)計，以完全滿足岸基供電電源的需求。

2.1 系統(tǒng)冗余設(shè)計

系統(tǒng)采用高-低-高的供電方案，每套岸電電源由多臺額定容量為750 kVA的多電平逆變器組成，系統(tǒng)采用n+1配置方案，即在采用n個模塊滿足負(fù)荷容量要求的前提下，配置n+1個逆變模塊，不僅提高了系統(tǒng)抗沖擊負(fù)荷的能力，同時，在一組模塊發(fā)生故障時，通過對故障模塊的切除（采用故障模塊熱退出技術(shù)，見后文介紹），剩余模塊仍然可以滿足供電的要求，大大提高了系統(tǒng)的供電可靠性。

2.2 故障模塊熱退出技術(shù)

熱退出功能是專門為提高岸基供電系統(tǒng)可靠性而專門設(shè)計的。由前述的系統(tǒng)方案可知，岸基供電電源采用高-低-高技術(shù)路線，即高壓進(jìn)線——低壓逆變——升壓輸出工作方式，與高壓逆變技術(shù)路線所采用的串聯(lián)（級聯(lián)）方案不同，本方案的逆變系統(tǒng)采用并聯(lián)運行方式，這樣，在某一個功率單元模塊出現(xiàn)故障時，具備了故障單元退出運行的可能，對系統(tǒng)整體而言，僅僅是配置容量有所降低，仍然可以擔(dān)負(fù)正常的供電工作，只要在方案設(shè)計的時候，注意配置一定余量的功率單元，即可保證部分功率單元在出現(xiàn)故障時退出運行，仍然保持系統(tǒng)整體具有充足的供電能力。在向靠港船舶供電時，當(dāng)某一臺逆變器單元的某個設(shè)備出現(xiàn)故障時，則該單元將以整體的形式自動退出整套系統(tǒng)，岸電電源系統(tǒng)余下的逆變單元將繼續(xù)在其容量允許范圍內(nèi)工作，故障自動退出的電源上的原有載荷，將平滑平均分配到其余逆變器上。由于岸電電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是冗余N+1形式，剩余容量仍可以滿足碼頭的負(fù)荷要求，當(dāng)船舶離港后，技術(shù)人員可通過更換故障模塊的方式迅速完成故障電源整修工作。由上述分析可知，故障模塊熱退出功能實現(xiàn)的技術(shù)要點包括：

（1）模塊化結(jié)構(gòu)

功率單元的模塊化結(jié)構(gòu)，便于實現(xiàn)系統(tǒng)的整體管理，簡化了主控模塊計算方法，任意一組（或多組）單元投入、退出運行，僅僅通過運行基數(shù)的遞增、遞減即可方便的實現(xiàn)系統(tǒng)總體控制；同時，模塊化結(jié)構(gòu)，也大大降低了現(xiàn)場維修工作周期，便于快速完成故障檢修工作。

（2）并聯(lián)運行方案

采用并聯(lián)運行方案，可以達(dá)到退出故障模塊并不影響整體輸出的可能，串聯(lián)（級聯(lián)）運行方式下，這個要求是不太可能實現(xiàn)的。

（3）快速的實時監(jiān)測與判別技術(shù)

功率單元一旦發(fā)生故障，可能在極端時間內(nèi)形成故障擴(kuò)大，進(jìn)而影響到系統(tǒng)的整體工作特性，因此，快速監(jiān)測系統(tǒng)各個單元的工作狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)故障隱患成為熱退出的關(guān)鍵，我們采用的系統(tǒng)快速監(jiān)測功能，可以實現(xiàn)微妙級的系統(tǒng)判定，即便是對于100 Hz的電源系統(tǒng)而言，可以保證在不足1/4周波內(nèi)準(zhǔn)確判斷故障部位。

（4）動態(tài)化的負(fù)荷平均分配控制

實現(xiàn)熱退出的另一個關(guān)鍵技術(shù)是動態(tài)化的負(fù)荷平均分配控制，由于故障退出前后，系統(tǒng)總體的功率單元配置發(fā)生變化，這就要對當(dāng)前投入的運行單元重新進(jìn)行負(fù)荷平均分配計算。本方案基于快速監(jiān)測技術(shù)、電流瞬時值反饋控制及標(biāo)準(zhǔn)化的模塊結(jié)構(gòu)，完美解決了負(fù)荷的動態(tài)分配問題，在80%額定負(fù)荷時的模擬故障狀態(tài)測試條件下，系統(tǒng)輸出平穩(wěn)，故障模塊退出后，剩余單元立即完成負(fù)荷“再分配”，通過示波器可以看出負(fù)荷再分配過程在一個周波內(nèi)（60 Hz系統(tǒng)）重新達(dá)到平衡控制要求。

2.3 末端電壓校正技術(shù)

岸電電源的輸出電壓閉環(huán)采樣位于岸基系統(tǒng)的輸出高壓柜內(nèi)，其與接線箱（接線坑）有一定的距離，有些甚至到達(dá)近千米，這就造成了長距離敷設(shè)產(chǎn)生的電纜壓降問題。為確保接線樁輸出點的電壓穩(wěn)定，我司采用了末端電源補償技術(shù)，可以確保上船電壓的穩(wěn)定度：在岸電接線箱配置電壓采樣，檢測供電末端實際輸出電壓值，并將數(shù)據(jù)通過光纖通信的方式輸送給位于電源箱內(nèi)的主控CPU，調(diào)整電壓給定值，實現(xiàn)供電末端穩(wěn)態(tài)電壓校正。由于末端電壓采樣信號通過遠(yuǎn)端采樣——通訊傳輸環(huán)節(jié)饋送至主控CPU，考慮到實際的通訊速率（100 ms以上）與系統(tǒng)調(diào)整速率（ms級）的差異，末端電壓校正僅僅影響穩(wěn)態(tài)電壓輸出參數(shù)，不會對系統(tǒng)輸出電壓的快速精確控制產(chǎn)生干擾。

2.4 低電壓穿越功能

變頻電源具有低電壓穿越功能，此功能可通過人機(jī)界面設(shè)置“是否啟動”，如果啟動此功能后，當(dāng)輸出電流超過設(shè)定保護(hù)電流時，輸出電壓將迅速降低到一定額度，若在幾秒內(nèi)（電網(wǎng)允許最小電壓時間長度）恢復(fù)，岸電電源的輸出電壓將迅速恢復(fù)到6.6 kV，如過超過最大過流時長，變頻電源則會認(rèn)定在電網(wǎng)側(cè)存在短路點，并且此短路點為可靠鏈接短路點，設(shè)備需停機(jī)，防止設(shè)備燒毀。低電壓穿越功能，所實現(xiàn)的系統(tǒng)功能見圖5所示。

圖4 岸電電源的末端電壓校正原理

圖中γ：電壓跌落幅度，設(shè)定范圍0～50%；t1：下降時間，最快10 ms；t2：穿越時間，設(shè)定范圍0～999 s；t3：上升沿時間，設(shè)定范圍0～1000 ms。

類似系統(tǒng)低電壓穿越功能的實際測試波形見圖6所示。

圖5 低電壓穿越原理

3 本設(shè)計方案的技術(shù)特點

3.1 電源的波形質(zhì)量好

由于我們采用的多電平技術(shù)，可以實現(xiàn)完美的正弦波輸出，本項目的電源輸出波形失真度可以達(dá)到小于1.5%。

3.2 動態(tài)響應(yīng)性能佳

由于我們采用瞬時值閉環(huán)技術(shù)，對輸出電壓的動態(tài)響應(yīng)極快，電壓波動恢復(fù)時間小于0.1s。尤其是突加突卸性能更好，在突加100%負(fù)載的狀態(tài)下，電壓降低幅度可以達(dá)到小于1%；突卸100%負(fù)載時電壓升高幅度可以達(dá)到小于1%。這體現(xiàn)了電源的特性非常硬，內(nèi)阻非常小，動態(tài)響應(yīng)快。

3.3 可靠性非常高

本項目的岸電系統(tǒng)，可靠性最薄弱的環(huán)節(jié)就在于逆變器，而冗余功能和在線熱故障退出功能可以至少提高產(chǎn)品的可靠性一個數(shù)量級，對整個可靠性的提高具有極大的作用。

圖6 低電壓穿越實測波形

圖7 上港集團(tuán)洋山深水港國際集裝箱碼頭3 000 kVA岸電電源拓?fù)浣Y(jié)

4 實際應(yīng)用案例

我司于2016年與上港集團(tuán)合作，在上港集團(tuán)洋山深水港國際集裝箱碼頭設(shè)計建造了一套額定容量3 000 kVA的岸電電源設(shè)施，該套岸電電源裝置采用高—低—高變頻方案，該電源充分應(yīng)用了上述各項技術(shù)，系統(tǒng)主結(jié)線見圖7所示。

該套電源主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

該岸電電源于2017年3月調(diào)試完成并投入試運行，首次連船供電即創(chuàng)造了國內(nèi)同類型岸基電源最長連續(xù)穩(wěn)定供電記錄，目前已經(jīng)平穩(wěn)運行半年，對多艘船舶實現(xiàn)了聯(lián)網(wǎng)供電，累計供電運行時間數(shù)百小時，以穩(wěn)定可靠的供電能力，完善的系統(tǒng)保護(hù)和良好的操作界面，得到用戶方的充分肯定。

表1 電源技術(shù)參數(shù)

5 結(jié)語

變頻電源目前越來越多的應(yīng)用于港口岸基供電領(lǐng)域，成為“綠色港口”建設(shè)的一個重要環(huán)節(jié)。與傳統(tǒng)變頻器不同，岸電電源有著許多專業(yè)性的特殊要求，針對岸電應(yīng)用這一領(lǐng)域，我公司開展了大量的研究工作，開發(fā)了許多針對岸電應(yīng)用的專用技術(shù)，這些技術(shù)在實際產(chǎn)品中得到應(yīng)用，取得了良好的效果，尤其是系統(tǒng)中基于高低高技術(shù)路線的冗余設(shè)計方案和故障模塊在線熱退出技術(shù)，在現(xiàn)場的模擬測試時，獲得用戶的很高評價。

VF Power App lication at PPort Shore Electric Power Supp ly Systteem

Liang Guangyao
Shanghai Electric Tool Research (Group) LimitedCompany

Port Shore Electric Power Supply System is effective way to decrease port pollution and enhance environment protection. The author introduces VF power design solution of research institution and analyzes redundant system design, fault module hot swap technology, term inal voltage correction and low voltage traversal function in details. VF power has good shape, better dynam ic response and high reliability. The author analyzes design plan through detailed case.

Environment Protection, Port Shore Power Supply, VF Power

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.07.013