張 晶，常 征，亓學(xué)慶，張海波，李 彬，祁 兵

(1.中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司，北京 海淀100192；2.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 昌平 102206；3.北京智芯微電子科技有限公司, 北京 昌平 102200)

0 引言

水路運(yùn)輸比陸地運(yùn)輸模式有著明顯的成本優(yōu)勢(shì)，是世界大宗貨物首選的運(yùn)輸方式；然而隨著靠港船舶的增多，船舶在港期間造成的大氣污染及其引發(fā)的社會(huì)問題不容忽視?？扛鄞霸谕ㄟ^燃油發(fā)電滿足船上用電設(shè)備需求的同時(shí)，排放出CO2等溫室氣體及NOx、SOx、HC等污染物，港口城市的廢氣污染比其他城市平均高出25%。國(guó)際海事組織(international maritime organization, IMO)研究表明:全球航運(yùn)船舶平均每年消耗石油3.25億 t，約占世界石油消耗的7.5%;排放大約相當(dāng)于9.61億 t CO2當(dāng)量的溫室氣體，占全球溫室氣體排放的2.8%，其中NOx排放2 090萬 t，SOx排放1 130萬 t，兩種污染物分別占全球排放量的15%與13%，是造成對(duì)流層臭氧與霧霾的主要因素之一；而利用船舶岸電系統(tǒng)替代傳統(tǒng)輔機(jī)發(fā)電將有效改善港口的空氣質(zhì)量，NOx與SOx可分別減排97%和96%[1]。

船舶岸電技術(shù)是指船舶在靠港期間停止使用船上燃油發(fā)電機(jī)，而改用岸上電源供電的技術(shù)。船舶岸電系統(tǒng)以堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)為基礎(chǔ)，面向能源互聯(lián)網(wǎng)，通過先進(jìn)的控制和測(cè)量技術(shù)與先進(jìn)的信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)船舶用電的可靠、安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定、清潔的總體目標(biāo)。

世界各國(guó)針對(duì)船舶排放出臺(tái)了相關(guān)政策：2006年歐盟2005/33/EC法令規(guī)定從2010年開始船舶在靠港及在內(nèi)河流域建議使用船舶岸電[2]；2014年生效的加州靠港法律規(guī)定靠港船舶需使用其他動(dòng)力來源，例如船舶岸電，來滿足節(jié)能減排要求[3]；2013年國(guó)家電網(wǎng)公司積極倡導(dǎo)“以電代煤、以電代油、電從遠(yuǎn)方來”的能源消費(fèi)新模式，在經(jīng)營(yíng)區(qū)域內(nèi)全面啟動(dòng)電能替代工作，船舶岸電即是以電代油的典型應(yīng)用[4]。

本文主要介紹船舶岸電技術(shù)國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)船舶岸電系統(tǒng)信息交互架構(gòu)展開相關(guān)研究，提出船舶岸電系統(tǒng)信息交互參考框圖及船舶岸電系統(tǒng)邏輯與物理架構(gòu)，形成船舶岸電系統(tǒng)信息交互架構(gòu)；最后，分別從能源互聯(lián)和信息互聯(lián)兩方面介紹船舶岸電的關(guān)鍵技術(shù)。

1 國(guó)內(nèi)外船舶岸電研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

基于靈活逆變器技術(shù)，ABB的變頻器能夠完成從船到岸及從岸到船的無縫連接[5]。IEC、IEEE和ISO聯(lián)合制定了IEC/IEEE/ISO 80005岸電系列標(biāo)準(zhǔn)，該系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了船上和岸上的電力連接系統(tǒng)技術(shù)要求。結(jié)合我國(guó)目前靠港船舶使用岸電的技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用現(xiàn)狀，交通運(yùn)輸部于2011年發(fā)布了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTS 155—2012《碼頭船舶岸電設(shè)施建設(shè)規(guī)范》、JT/T 815—2012《港口船舶岸基供電系統(tǒng)操作技術(shù)規(guī)程》等標(biāo)準(zhǔn)[6]。

早在1989年，瑞典的哥德堡港率先開始使用岸電電源系統(tǒng)給滾裝輪渡使用。當(dāng)時(shí)采用的是400 V的低壓連接系統(tǒng)[7]；2009年6月英國(guó)石油美國(guó)公司和美國(guó)加州長(zhǎng)灘港開放了世界上首座配備岸電系統(tǒng)的油輪碼頭[8]。洛杉磯港在2011年有15個(gè)碼頭應(yīng)用船舶岸電技術(shù)[9]。長(zhǎng)灘港所有集裝箱碼頭在2014年應(yīng)用船舶岸電技術(shù)，50%的靠港集裝箱船舶使用岸電，計(jì)劃2020年80%的靠港集裝箱船舶使用岸電技術(shù)[10]。

近年來，船舶岸電技術(shù)在我國(guó)迅速發(fā)展，并獲得廣泛應(yīng)用。2009 年，我國(guó)開始在多個(gè)港口開展船舶岸電試點(diǎn)工程建設(shè)。前期主要開展低壓船舶岸電項(xiàng)目，2009年青島港首先完成了5 000 t級(jí)內(nèi)貿(mào)支線碼頭低壓岸電改造，只用于內(nèi)貿(mào)支線集裝箱船舶[11]。近幾年岸電項(xiàng)目主要以高壓岸電為主，2016年12月，福建高壓船舶岸電項(xiàng)目正式投運(yùn)，設(shè)計(jì)供電容量3 000 kW，預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)年電能替代量150萬 kW·h，減少排放物近1 kt[12]。2016年5月，寧波舟山港與國(guó)家電網(wǎng)公司合作建設(shè)的寧波舟山港項(xiàng)目正式投運(yùn)，容量分別為2和3 MV·A，高壓上船供電，電壓/頻率為6.6 kV/60 Hz或6 kV/50 Hz。2016年，交通部組織開展了碼頭船舶岸電示范項(xiàng)目的申報(bào)、篩選和審核等工作，正式批準(zhǔn)了7個(gè)高壓碼頭船舶岸電示范項(xiàng)目。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，文獻(xiàn)[13]主要闡述了船舶岸電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)及工作原理，并對(duì)高低壓供電方式進(jìn)行了比較。文獻(xiàn)[14]簡(jiǎn)要分析了船舶供岸電電源的構(gòu)成和3種分布形式，對(duì)船舶岸電自動(dòng)并車裝置的功能需求進(jìn)行了分析，并對(duì)各個(gè)模塊的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討。文獻(xiàn)[15-16]從硬件設(shè)計(jì)的角度，詳細(xì)介紹了低壓岸電電源各部分電路的設(shè)計(jì)工作，包括整流電路、逆變電路、輸出濾波器、驅(qū)動(dòng)電路及采樣電路等，同時(shí)給出了各部分電路器件選型的依據(jù)及參數(shù)計(jì)算的方法。文獻(xiàn)[17-18]對(duì)船舶岸電監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了研究，針對(duì)船舶岸電計(jì)量統(tǒng)計(jì)難、監(jiān)控不統(tǒng)一的問題，提出了船舶岸電監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路及控制方法。文獻(xiàn)[19]設(shè)計(jì)建立了全球能源互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系，根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)，船舶岸電是智能用電領(lǐng)域下電能替代標(biāo)準(zhǔn)系列中的關(guān)鍵技術(shù)，已列入需要優(yōu)先開展標(biāo)準(zhǔn)制定的行動(dòng)計(jì)劃。

2 船舶岸電系統(tǒng)架構(gòu)

為滿足上述面向能源互聯(lián)的船舶岸電業(yè)務(wù)相關(guān)功能和非功能需求，實(shí)現(xiàn)各業(yè)務(wù)域主體(系統(tǒng)、設(shè)備、軟件)之間的能源互聯(lián)，本文對(duì)船舶岸電系統(tǒng)的架構(gòu)展開了相關(guān)研究，提出了船舶岸電系統(tǒng)構(gòu)成、船舶岸電系統(tǒng)物理架構(gòu)及船舶岸電系統(tǒng)邏輯架構(gòu)。

2.1 船舶岸電系統(tǒng)構(gòu)成

船舶岸電系統(tǒng)能源互聯(lián)由陸地供電系統(tǒng)、電纜連接設(shè)備與船舶配電系統(tǒng)3部分組成[20]。陸地供電系統(tǒng)主要包括電源、變壓變頻設(shè)備，電纜連接設(shè)備有岸電接線箱(岸基)、電纜管理系統(tǒng)(船基)，船舶配電系統(tǒng)由轉(zhuǎn)接屏與配電箱(大中型船舶)組成。船舶岸電系統(tǒng)能源互聯(lián)如圖1所示。

圖1 船舶岸電系統(tǒng)的能源互聯(lián)Fig.1 Energy interconnection of shore power system forvessel

變電站出線為工頻10 kV電源，并配有補(bǔ)償裝置，依次經(jīng)移相變壓器和功率單元裝置，然后通過濾波裝置、隔離變壓器，轉(zhuǎn)變?yōu)?.6 kV/60 Hz輸出至碼頭接線箱，或直接經(jīng)低壓岸電插座箱為低壓供電方式船舶供電。通過船舶電纜將船電與碼頭接線箱連接起來送至船載降壓變壓器(船上負(fù)載多為低壓電器，所需電壓由船上變壓設(shè)備完成)。

2.2 船舶岸電系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

船舶岸電系統(tǒng)邏輯架構(gòu)是采用邏輯分層的思想對(duì)船舶岸電系統(tǒng)進(jìn)行的概要描述，是設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)流程的重要參考和依據(jù)[21]。船舶岸電系統(tǒng)邏輯架構(gòu)分為感知層、傳輸層和應(yīng)用層3層，如圖2所示。

圖2 船舶岸電系統(tǒng)邏輯架構(gòu)Fig.2 Logical architecture of shore power system for vessel

1) 感知層對(duì)數(shù)據(jù)源進(jìn)行傳感測(cè)量、采集、接入及處理。數(shù)據(jù)來自受電系統(tǒng)、岸電系統(tǒng)及計(jì)費(fèi)系統(tǒng)等系統(tǒng)的設(shè)備測(cè)控終端和計(jì)量裝置，這些信息采集設(shè)備包括各種類型的開關(guān)量、計(jì)量、測(cè)量控制終端。支撐船舶岸電系統(tǒng)的通信方式可以采用多種形式，大多通過通信單元、集中器等將數(shù)據(jù)匯聚后回傳至港口管理和運(yùn)行域，并在后臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2) 傳輸層是用戶與電網(wǎng)之間溝通的橋梁。船舶岸電系統(tǒng)受電船舶與岸電系統(tǒng)之間的有線通信方式是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式，采用Modbus TCP/IP通信協(xié)議，岸側(cè)和船舶側(cè)均需要通過固定IP地址和端口號(hào)進(jìn)行Modbus TCP/IP通信。為避免任何IP地址沖突，岸邊和船舶之間的通信應(yīng)在專用網(wǎng)絡(luò)上(不允許使用其他IP設(shè)備)。船側(cè)與岸側(cè)通過125個(gè)寄存器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

3) 應(yīng)用層主要提供了基本服務(wù)和功能服務(wù)這2類服務(wù)?；痉?wù)針對(duì)受電船舶的基本需求，包括船舶供電、電纜無縫連接和船舶的自動(dòng)并網(wǎng)等應(yīng)用。功能服務(wù)面向港口管理的參與者，主要包括計(jì)量計(jì)費(fèi)[22]、船舶的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和船舶用電管理等功能實(shí)現(xiàn)。

2.3 船舶岸電系統(tǒng)物理架構(gòu)

船舶岸電系統(tǒng)在物理上可分為主站層、綜合監(jiān)控層和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層3層。船舶岸電系統(tǒng)以可編程控制器為中心，與分布獨(dú)立工作的變頻電源、變壓器等設(shè)備信息交互，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、測(cè)量等功能[23]。船舶岸電系統(tǒng)設(shè)備之間的能源互聯(lián)及物理硬件信息交互的關(guān)系如圖3所示。

圖3 船舶岸電系統(tǒng)物理架構(gòu)Fig.3 Physical structure of shore power supply for vessel system

1) 主站層。主站層主要由各種服務(wù)器、工作站與通信接口組成。主站層通過通信前置系統(tǒng)獲取采集到的船舶岸電實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并通過應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器及監(jiān)控工作站等系統(tǒng)，完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的分析工作。

2) 綜合監(jiān)控層。綜合監(jiān)控主要實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)線開關(guān)、變頻電源、計(jì)量裝置、進(jìn)出線變壓器、出線開關(guān)、碼頭接電箱、同步并網(wǎng)裝置、無功補(bǔ)償裝置、所內(nèi)照明、空調(diào)、通風(fēng)、消防等全部系統(tǒng)的設(shè)備及其他附屬控制設(shè)備等進(jìn)行實(shí)時(shí)控制、參數(shù)修改、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障記錄與診斷等功能。集中器集中的設(shè)備運(yùn)行各項(xiàng)參數(shù)，與可編程邏輯控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并通過人機(jī)交互界面顯示，以便工作人員現(xiàn)場(chǎng)管理?？删幊踢壿嬁刂破魍ㄟ^光纖上傳可供計(jì)算的船舶岸電實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，供主站層統(tǒng)計(jì)分析與數(shù)據(jù)更新。

3) 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備包括船舶岸電系統(tǒng)的陸地供電系統(tǒng)和船上受電系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備裝置，同時(shí)還包括各傳感器、采集器及通信設(shè)備。船舶岸電系統(tǒng)設(shè)備是船用岸電的基礎(chǔ)與核心，采集器實(shí)時(shí)采集電壓、頻率、電流、功率及變壓器溫度等相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波、工程值轉(zhuǎn)換、刻度計(jì)算等加工，以便統(tǒng)計(jì)計(jì)算與實(shí)時(shí)通信。各采集器相互獨(dú)立，任一裝置停用或檢修，整個(gè)系統(tǒng)仍能正?？煽抗ぷ鳌?/p>

3 船舶岸電關(guān)鍵技術(shù)

3.1 能源互聯(lián)技術(shù)

3.1.1 靜止頻率變換穩(wěn)壓技術(shù)

靜止頻率變換穩(wěn)壓技術(shù)利用的是功率變換與控制電路：功率變換部分主要實(shí)現(xiàn)能量的傳遞和轉(zhuǎn)換，通過脈寬調(diào)制(pulse width modulation, PWM)技術(shù)將50 Hz和10 kV電壓等級(jí)的高壓交流電轉(zhuǎn)變?yōu)?0 Hz和另一種電壓等級(jí)的交流電；控制電路部分則主要是根據(jù)被檢測(cè)信號(hào)的狀態(tài)做出判斷處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)岸電電源系統(tǒng)的控制和保護(hù)。靜止頻率變換器主要可分為低壓靜止頻率變換器和高壓靜止頻率變換器2種。

低壓靜止頻率變換器額定電壓為低壓380 V/690 V，變頻器工作時(shí)需將10 kV輸入電壓降壓至380 V/690 V，再實(shí)現(xiàn)頻率電壓變換功能。文獻(xiàn)[15]對(duì)低壓靜止頻率變換器工作原理與電氣性能指標(biāo)進(jìn)行了分析，并設(shè)計(jì)了岸電電源硬件電路。

低壓船舶岸電靜止頻率變換器的基本工作原理如下：首先需將10 kV輸入電壓降壓至380 V/660 V，380 V/660 V、50 Hz的三相交流電經(jīng)過整流電路轉(zhuǎn)換為直流；然后通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為60 Hz的交流電，隨后經(jīng)過正弦波濾波器使逆變器輸出的波形變得平滑，最后通過輸出變壓器將電壓變換到450 V。

圖4 中性點(diǎn)箝位三電平頻率變換器電路Fig.4 Three-level neutral-point-clamped VFD

低壓靜止頻率變換器中逆變器的主要作用是將整流得到的直流電變換為頻率為60 Hz 的交流電。目前逆變器種類繁多，應(yīng)用較為繁瑣，且可靠性較低。中性點(diǎn)箝位型三電平逆變器能有效提高逆變器的耐壓等級(jí)，降低輸出電壓諧波及開關(guān)損耗；因此文獻(xiàn)[15]選用中性點(diǎn)箝位型三電平逆變器實(shí)現(xiàn)低壓靜止變換器的逆變功能，其拓?fù)淙鐖D4所示。三電平結(jié)構(gòu)每個(gè)半導(dǎo)體器件所承受的反向電壓為母線電壓的1/2。

三電平逆變器的每一相橋臂含有4個(gè)開關(guān)器件，每一相都有3種穩(wěn)態(tài)的開關(guān)模式。Sa=1時(shí)，Sa1、Sa2導(dǎo)通，無論電流正負(fù)，逆變器輸出對(duì)直流側(cè)中點(diǎn)的電壓均為Udc/2；Sa=0時(shí)，Sa2、Sa3導(dǎo)通，此時(shí)，無論電流正負(fù)，逆變器輸出對(duì)直流側(cè)中點(diǎn)的電壓均為0；Sa=-1時(shí)，Sa3、Sa4導(dǎo)通，無論電流正負(fù)，逆變器輸出對(duì)直流側(cè)中點(diǎn)的電壓均為-Udc/2。

高壓大功率靜止頻率變換器主要由整流器和逆變器2部分組成，可直接把電網(wǎng)的10 kV/6 kV、50 Hz的電力變換為60 Hz，文獻(xiàn)[16]分別對(duì)高壓大功率逆變器常用的3種拓?fù)溥M(jìn)行了分析，絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor, IGBT)串聯(lián)二電平結(jié)構(gòu)，中性點(diǎn)箝位三電平結(jié)構(gòu)和單元串聯(lián)多重化結(jié)構(gòu)；并對(duì)低壓變頻變壓技術(shù)與高壓變頻變壓技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比分析。

IGBT串聯(lián)二電平結(jié)構(gòu)是傳統(tǒng)岸電電源主要采用的頻率變換方式，主要應(yīng)用于低壓頻率變換電路中。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，使用的功率器件數(shù)量少；缺點(diǎn)也很明顯，當(dāng)應(yīng)用于高壓系統(tǒng)中，功率器件需要通過串并聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)分壓，但器件串聯(lián)帶來的均壓?jiǎn)栴}使這種實(shí)現(xiàn)方式十分復(fù)雜。二電平結(jié)構(gòu)開關(guān)過程中產(chǎn)生的du/dt大，系統(tǒng)干擾大，電磁兼容性問題較難解決。

中性點(diǎn)箝位三電平結(jié)構(gòu)可避免由于器件串聯(lián)引起的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)均壓?jiǎn)栴}，也可減少逆變輸出的諧波,降低du/dt變化的影響。這種結(jié)構(gòu)下功率器件可采用IGBT或采用集成門極換流晶閘管(integrated gate commutated thyristor, IGCT)。缺點(diǎn)是受半導(dǎo)體器件的耐壓水平限制，三電平結(jié)構(gòu)逆變器的最高輸出電壓等級(jí)只能達(dá)到4.16 kV，無法滿足6.6 kV高壓上船方式的實(shí)現(xiàn)。如果輸出電壓需要超過6 kV，僅僅采用12個(gè)功率器件難以滿足，必須通過器件串聯(lián)的方式，同時(shí)無法避免均壓?jiǎn)栴}。

單元串聯(lián)多重化結(jié)構(gòu)高壓靜止頻率變換器如圖5所示。多重化技術(shù)是指每一相高壓輸出均是通過幾個(gè)低壓PWM功率單元串聯(lián)在一起構(gòu)成。

圖5 單元串聯(lián)多重化結(jié)構(gòu)電路Fig.5 Unit series multi-level VFD

圖中每一個(gè)低壓PWM功率單元都是由低壓電壓性逆變器構(gòu)成，這些低壓逆變器均是三相輸入，單項(xiàng)輸出，且由低壓IGBT構(gòu)成。將相鄰功率單元的輸出端串接起來，形成Y聯(lián)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)變壓變頻的高壓直接輸出，供給三相負(fù)載。輸入功率單元由15個(gè)獨(dú)立的功率單元組成，各單元之間具有互換性，便于維修更換，可在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行維護(hù)，每一個(gè)功率單元都由主控制系統(tǒng)統(tǒng)一控制，保證輸出完整的正弦波。由于采用功率單元串聯(lián)，功率單元承受全部輸出電流，但每一個(gè)功率單元只需承受1/5輸出電壓和1/15總輸出功率。

通過對(duì)比以上3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在船舶岸電電源頻率變換技術(shù)中的應(yīng)用及文獻(xiàn)中3種實(shí)現(xiàn)方式的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比分析，3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的頻率變換器都可滿足船舶岸電電源的不同功率要求，串聯(lián)二電平、中性點(diǎn)箝位三電平結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于低壓靜止頻率變換電路，單元串聯(lián)多重化結(jié)構(gòu)可滿足高壓靜止頻率變換技術(shù)的性能需求。

3.1.2 岸船自動(dòng)并車技術(shù)

船舶岸電系統(tǒng)具備船電、岸電快速切換連接技術(shù)，通過船上同期裝置，與岸電電源實(shí)現(xiàn)熱并網(wǎng)，保證供電安全可靠。船舶岸電系統(tǒng)接到岸電并網(wǎng)指令后，自動(dòng)并車裝置進(jìn)行相序檢測(cè)跟蹤，在相序一致的情況下，采集岸電電源及傳播輔機(jī)電源的電壓、頻率和相角差的信息，并計(jì)算判斷是否滿足以下并車條件：輔機(jī)與岸電的頻率、相序及電壓幅值保持一致，并且在并車的瞬間保證船舶輔機(jī)與岸電電源的輸出電壓相角同步。之后完成并車并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)無縫負(fù)荷轉(zhuǎn)移。

文獻(xiàn)[14]根據(jù)船舶岸電系統(tǒng)不同的供電連接方式，將岸電電源與船舶發(fā)電機(jī)的切換方式主要分為斷電方式和無縫切換方式2種。

1) 斷電方式：當(dāng)船舶靠港停泊時(shí)，需要首先使船舶上所有的用電設(shè)備關(guān)閉，并使船舶發(fā)電機(jī)停止工作，然后連接船舶岸電系統(tǒng)，最后重新啟動(dòng)船舶的用電設(shè)備，實(shí)現(xiàn)船舶發(fā)電機(jī)與岸電電源之間的切換；當(dāng)船舶離港時(shí)，按照相反的順序操作。

2) 同步并車方式：也被稱為無縫切換方式，切換過程中不需要關(guān)閉船上所有設(shè)備。同步并車方式不會(huì)影響船舶上用電設(shè)備的正常運(yùn)行，對(duì)船舶上的重要用電設(shè)備具有重大意義。無縫切換也是船舶岸電連接技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)于岸電電源的推廣意義重大。

船舶岸電自動(dòng)并車技術(shù)需要保證船舶發(fā)電機(jī)與岸電電源的電壓幅值和頻率保持一致，并在并車的瞬間保證船舶發(fā)電機(jī)與岸電電源的輸出電壓相角同步。如果兩路電源不同步就進(jìn)行切換會(huì)造成嚴(yán)重的后果。如果在切換時(shí)刻一個(gè)電源電壓波形在波峰，另外一個(gè)位于波谷，切換過程中將會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流。雖然切換裝置可能能承受該沖擊電流，但嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致用電設(shè)備和高壓靜止頻率變換器的自動(dòng)保護(hù)裝置動(dòng)作。

3.2 信息互聯(lián)技術(shù)

3.2.1 船舶岸電系統(tǒng)智能監(jiān)控技術(shù)

智能化監(jiān)控與普通電力監(jiān)控有本質(zhì)的區(qū)別，不僅能實(shí)現(xiàn)普通電力監(jiān)控對(duì)電壓、電流、功率及頻率等的監(jiān)測(cè)；還能監(jiān)測(cè)電源自身的各種狀態(tài)及控制參數(shù)。智能監(jiān)控具有以下主要特點(diǎn)：

1) 信息端口開放化。岸電電源的外圍接口為開放式系統(tǒng)提供對(duì)外數(shù)據(jù)接口，實(shí)時(shí)將電源的運(yùn)行工況上傳和下傳上位機(jī)，并實(shí)施電網(wǎng)運(yùn)行和船方用戶的遠(yuǎn)程監(jiān)控、報(bào)警及規(guī)范安全操作許可警示[24]。

2) 運(yùn)行智能化控制。船岸采用光纖傳輸以太網(wǎng)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)船岸同時(shí)監(jiān)測(cè)、電量參數(shù)反饋、數(shù)據(jù)互傳共享、報(bào)警信息傳遞等功能；實(shí)現(xiàn)船岸電量參數(shù)(電壓、電流、頻率、負(fù)載)的閉環(huán)控制和保護(hù)控制，讓船岸系統(tǒng)更加可靠、穩(wěn)定。

3) 友好的人機(jī)對(duì)話界面。實(shí)時(shí)地監(jiān)控報(bào)警，實(shí)時(shí)顯示岸電、船舶受電電網(wǎng)的運(yùn)行工況和電量參數(shù)，顯示各種報(bào)警及故障并存儲(chǔ)記錄[25]。

4) 具有保護(hù)功能。對(duì)過流、短路、過壓、欠壓、逆功率、負(fù)載不平衡、絕緣低、接地等故障進(jìn)行保護(hù)，各類保護(hù)點(diǎn)設(shè)置多達(dá)上百種，確保設(shè)備和人身安全。

3.2.2 通信傳輸技術(shù)

根據(jù)IEC/IEEE 80005-2標(biāo)準(zhǔn)，船舶岸電系統(tǒng)受電船舶與岸電系統(tǒng)之間的有線通信方式是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式，采用Modbus TCP/IP通信協(xié)議，岸側(cè)和船舶側(cè)均需要通過固定IP地址和端口號(hào)進(jìn)行ModbusTCP/IP通信。為避免任何IP地址沖突，岸邊和船舶之間的通信應(yīng)在專用網(wǎng)絡(luò)上(不允許使用其他IP設(shè)備)。船側(cè)與岸側(cè)通過125個(gè)寄存器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。無線通信方式包括Zigbee等無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，船舶岸電系統(tǒng)與受電系統(tǒng)各設(shè)備的監(jiān)測(cè)終端可通過雙絞線、Zigbee等通信方式傳送到現(xiàn)場(chǎng)總線，再通過通信單元的數(shù)據(jù)預(yù)處理和規(guī)約轉(zhuǎn)換傳送到光纖環(huán)網(wǎng)[26]。通信傳輸技術(shù)提供良好的通信支撐，滿足船舶岸電智能化服務(wù)需求。

4 工程應(yīng)用

遼寧某港區(qū)船舶岸電系統(tǒng)為集裝箱碼頭泊位提供電力供應(yīng)服務(wù)，承建岸電電源數(shù)量1套，以運(yùn)載能力為11 200 t的集裝箱船為例，單臺(tái)輔機(jī)容量為2 780 kW，選定岸電電源容量為3 MW，進(jìn)線電源為10 kV/50 Hz，泊位前沿設(shè)置高壓接線箱1臺(tái)。集裝箱碼頭岸電示范工程。具體包括船舶岸電雙頻供電、船岸電切換裝置和高壓濾波補(bǔ)償裝置，并通過綜合電力監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)所有設(shè)備進(jìn)行電力監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)6.6 kV/60 Hz電源輸出。船舶岸電系統(tǒng)高壓連船如圖6所示。

圖6 船舶岸電系統(tǒng)高壓供電現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.6 High voltage power supply of vessel-shore power system

該船舶岸電系統(tǒng)由1路10 kV電纜饋出至集裝箱碼頭變頻裝置。高壓變頻裝置將10 kV/50 Hz工頻電源經(jīng)移相變壓器，然后整流再逆變轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率60 Hz，最后經(jīng)隔離變壓器輸出6.6 kV/60 Hz模式,并接至2個(gè)碼頭接電箱。主要設(shè)備包括高壓開關(guān)柜、變頻裝置、高壓接電箱。變頻器采用ABB的PCS100 SFC靜態(tài)變頻器，額定輸出電壓為480 V，可人工設(shè)定電壓頻率，額定容量為1.5 MW;將2臺(tái)變頻器并聯(lián)以容量滿足需求，變頻裝置主要由變壓器柜、功率單元柜、濾波柜和智能控制柜幾部分組成。整體結(jié)構(gòu)由降壓變壓器、功率單元、控制部分組成，主電路采用若干個(gè)低壓功率單元串聯(lián)疊加方式實(shí)現(xiàn)高壓輸出，電網(wǎng)側(cè)接入電壓為10 kV。

在此次實(shí)驗(yàn)中，集裝箱船?？?2 h，總用電量為12 745 kW·h，按照規(guī)劃，到2020年，集裝箱單泊位吞吐量將達(dá)到9 520 000 t，年停泊158艘次，大連港購(gòu)售電差價(jià)約0.473 56元/(kW·h)，依以上數(shù)據(jù)計(jì)算，大連某港區(qū)船舶岸電系統(tǒng)理想效益可達(dá)95.36萬元/a，為高壓岸電系統(tǒng)正式投入運(yùn)營(yíng)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

本文針對(duì)面向能源互聯(lián)網(wǎng)的船舶岸電相關(guān)業(yè)務(wù)應(yīng)用的實(shí)際需要，系統(tǒng)性開展了船舶岸電領(lǐng)域的能源互聯(lián)和信息互聯(lián)技術(shù)研究，簡(jiǎn)要介紹了相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)；并以大連某港區(qū)電能替代示范項(xiàng)目為范例，介紹了船舶岸電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用情況。

通過對(duì)船舶岸電系統(tǒng)物理架構(gòu)和船舶岸電系統(tǒng)邏輯架構(gòu)的研究，理清了船舶岸電業(yè)務(wù)域、參與者及相互關(guān)系，確定了船舶岸電邊界和范圍，為后續(xù)的信息交互架構(gòu)和信息模型研究提供了基礎(chǔ)支撐。下一步的工作重點(diǎn)是研發(fā)新型船岸連接設(shè)備，構(gòu)建符合IEC/IEEE/ISO 80005-2標(biāo)準(zhǔn)的船舶岸電信息模型。

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