廣東陽(yáng)江港港務(wù)股份有限公司 陳智杰

1 靠港船舶使用岸電供電方案的優(yōu)勢(shì)

基于我國(guó)港口建設(shè)數(shù)量不斷增多，強(qiáng)化綠色化、低碳化港口建設(shè)具有重要的戰(zhàn)略意義。由于船舶靠港會(huì)帶來(lái)污染問(wèn)題，為降低污染程度、加快生態(tài)建設(shè)，需使用清潔能源代替柴油，提升節(jié)能、低碳效果。同時(shí)為加快推進(jìn)綠色化港口建設(shè)進(jìn)程，需優(yōu)化改進(jìn)船舶靠港供電方式，實(shí)踐研究中發(fā)現(xiàn)岸電技術(shù)可解決上述問(wèn)題。岸電電源供電方式具有綠色、環(huán)保、節(jié)能、低碳優(yōu)勢(shì)，可避免船舶靠港產(chǎn)生大氣污染，在岸電技術(shù)支持下能提升岸電電源供電的穩(wěn)定性。具體優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在：低排放、噪音小、低碳、增強(qiáng)船員體驗(yàn)感，與可持續(xù)發(fā)展理念相吻合，符合環(huán)保要求，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著。

交通部《深入推進(jìn)綠色港口建設(shè)行動(dòng)方案（2018—2022年）》中提出：到2020年長(zhǎng)三角、珠三角等水域靠港船舶帶來(lái)的污染物要減少到一定范圍內(nèi)，規(guī)定了主要的靠港船舶要使用岸電，進(jìn)而降低經(jīng)濟(jì)成本，提升節(jié)能減排效果；同時(shí)，在岸電技術(shù)支撐下可優(yōu)化改造港口相關(guān)設(shè)備建設(shè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)靠港船舶供電方式的改造，進(jìn)而滿足靠港泊船污染物排放要求，更好彰顯低碳、綠色、環(huán)保理念[1]。提升靠港船舶岸電電源供電穩(wěn)定性，需加強(qiáng)無(wú)縫并網(wǎng)控制技術(shù)的應(yīng)用。

2 船舶岸電無(wú)縫并網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

船舶岸電無(wú)縫并網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)采用不斷電的方式進(jìn)行供電，保證船舶照明系統(tǒng)、相關(guān)設(shè)備正常運(yùn)行，可解決船舶岸電并網(wǎng)后發(fā)電機(jī)平穩(wěn)退出問(wèn)題，在短時(shí)間內(nèi)可限制船舶岸電在并網(wǎng)過(guò)程中產(chǎn)生沖擊電流，為此可將岸電技術(shù)應(yīng)用在改善低壓船舶岸電并網(wǎng)控制中，可保證無(wú)縫并網(wǎng)的可靠性。

就靠港船舶岸電無(wú)縫并網(wǎng)過(guò)程看，當(dāng)船舶靠港后，需仔細(xì)檢查船舶與岸電電源電纜接地，避免產(chǎn)生靜電電勢(shì)差；同時(shí)要反復(fù)確認(rèn)岸電和船舶電網(wǎng)連接頭連接情況，確保船舶電網(wǎng)供電穩(wěn)定性。當(dāng)岸電與船舶用電電壓同步后需斷開(kāi)船舶負(fù)載供電，將船舶柴油發(fā)電機(jī)關(guān)閉。岸電電源在供電過(guò)程中借助船舶岸電系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，加強(qiáng)接地故障、線路短路等故障的識(shí)別和判斷[2]。當(dāng)船舶離港時(shí)，可通過(guò)打開(kāi)船舶輔機(jī)引擎調(diào)節(jié)柴油發(fā)電機(jī)，進(jìn)而保證岸電電源與并網(wǎng)同步。

岸電并網(wǎng)過(guò)程中以岸電電源為基礎(chǔ)，并在并網(wǎng)過(guò)程中實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)柴油發(fā)電機(jī)參數(shù)；確保滿足并網(wǎng)條件后將船舶電網(wǎng)與岸電電源進(jìn)行并網(wǎng)。為保證岸電電源供電穩(wěn)定性，需將電源連接到船舶上，由并網(wǎng)裝置發(fā)送調(diào)節(jié)信號(hào)，岸電電源接收信號(hào)后實(shí)時(shí)進(jìn)行供電，保證同步調(diào)節(jié)效果，有效規(guī)避對(duì)船舶負(fù)載的影響。就并網(wǎng)控制原理看，在智能裝置控制下，調(diào)整岸電電源電壓、頻率與船舶電源同步。結(jié)合無(wú)縫并網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，需做好并網(wǎng)合閘前的準(zhǔn)備工作，加強(qiáng)對(duì)合閘條件的判斷，利用并網(wǎng)裝置實(shí)時(shí)獲取岸電電源幅值差、相位差等信號(hào)；確認(rèn)發(fā)電機(jī)相關(guān)參數(shù)滿足并網(wǎng)要求時(shí)可進(jìn)行合閘操作；并對(duì)岸電電源進(jìn)行調(diào)整。

3 探究岸電對(duì)接靠港船舶無(wú)縫供電控制方法的改進(jìn)措施

為實(shí)現(xiàn)靠港船舶無(wú)縫連接供電，需科學(xué)應(yīng)用無(wú)縫并網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)；實(shí)踐調(diào)查研究中發(fā)現(xiàn)，岸電逆變雙輸出無(wú)縫供電與船舶發(fā)電機(jī)對(duì)接過(guò)程中，受船舶發(fā)電機(jī)自身不確定因素的因素會(huì)引發(fā)特殊的變化；其不穩(wěn)定因素來(lái)源與船舶柴油機(jī)調(diào)速器自身屬性有關(guān)；同時(shí)由于船用發(fā)電機(jī)調(diào)壓器類型存在一定的差異性，會(huì)采用調(diào)差精度較高的調(diào)壓器；就船舶負(fù)載情況看會(huì)加劇實(shí)際并網(wǎng)難度，甚至引發(fā)逆變器過(guò)流保護(hù)跳閘現(xiàn)象，因此相關(guān)研究人員認(rèn)為，有必要就岸電對(duì)接靠港船舶無(wú)縫供電控制方法進(jìn)行改進(jìn)，確保解決船舶電源與岸電電源并網(wǎng)問(wèn)題。

3.1 岸控逆變器雙輸出港船無(wú)縫供電

岸控逆變器雙輸出港船無(wú)縫供電的實(shí)現(xiàn)，是基于下垂特性基礎(chǔ)上將虛擬調(diào)速器和虛擬的勵(lì)磁器引入其中，促使逆變器雙輸出供電頻率與電源慣性保持一致性，利用逆變器雙輸出供電虛擬同步發(fā)電機(jī)輔助改進(jìn)。船用柴油發(fā)電機(jī)與岸控逆變雙輸出虛擬同步發(fā)電機(jī)各自的特性存在一定差異性；要想實(shí)現(xiàn)船舶負(fù)載轉(zhuǎn)移目標(biāo)，當(dāng)船舶靠港后需控制柴油發(fā)電機(jī)速度，確保控制在合理的功率范圍內(nèi)，關(guān)閉船用發(fā)電機(jī)后可完成負(fù)載轉(zhuǎn)移。

岸控逆變器雙輸出港船無(wú)縫連接供電系統(tǒng)，主要通過(guò)對(duì)逆變器供電方式和過(guò)渡變壓器供電方的改變，實(shí)現(xiàn)對(duì)岸控逆變器雙輸出港船無(wú)縫連接供電系統(tǒng)的控制[3]。針對(duì)于50Hz船舶無(wú)縫對(duì)接岸電無(wú)需進(jìn)行限流控制；可采取更換60Hz逆變裝置供電的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)50Hz逆變供電方式的轉(zhuǎn)變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)直接供電目標(biāo)，避免在并網(wǎng)供電過(guò)程中引發(fā)沖擊電流現(xiàn)象。通過(guò)改變電網(wǎng)控制頻率可均勻分配船舶的負(fù)載，支持逆變器自動(dòng)分配荷載，為功率控制提供便利，確保船用發(fā)電機(jī)與逆變器荷載分配效果。

3.2 虛擬同步發(fā)電機(jī)控制方法

傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)主要以電源形式將岸電輸送到電網(wǎng)內(nèi)，并在岸控逆變器輔助下促使船用發(fā)電機(jī)與岸電電源并網(wǎng)，最終可保證船舶荷載有效轉(zhuǎn)移，整個(gè)負(fù)載自動(dòng)分配、轉(zhuǎn)移過(guò)程中，不需要改變船舶電站控制方式，優(yōu)化了岸電電源與船舶電源無(wú)縫對(duì)接，進(jìn)而提升岸電電源供電穩(wěn)定性。

在本環(huán)節(jié)研究中，建立逆變雙輸出虛擬同步發(fā)電機(jī)模型，根據(jù)垂性原理將虛擬調(diào)速器和虛擬勵(lì)磁器引入其中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)模型評(píng)估分析。結(jié)合虛擬調(diào)速器和虛擬勵(lì)磁器應(yīng)用原理看，虛擬同步發(fā)電機(jī)控制方法具有實(shí)際應(yīng)用和實(shí)踐的可行性，賦予了逆變器垂特性，確保逆變器與船用發(fā)電機(jī)屬性相似。在此基礎(chǔ)上提出了同步發(fā)電機(jī)機(jī)電暫態(tài)模型的新型微網(wǎng)逆變電源，并將發(fā)電機(jī)慣量和輸出阻抗等相關(guān)特性引入到逆變器中進(jìn)行控制，發(fā)揮了虛擬同步發(fā)電機(jī)控制作用，保證并網(wǎng)效果。

通過(guò)并網(wǎng)模型的建立，搭建了小信號(hào)模型化并網(wǎng)模式和自治模式，優(yōu)化了并網(wǎng)工作模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)有功功率和無(wú)功功率的傳輸；通過(guò)引入VSG進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬電機(jī)轉(zhuǎn)軸的控制，支持對(duì)同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸減速方式和加速方式的調(diào)控，進(jìn)而保證控制器電勢(shì)頻率的控制，確保電勢(shì)頻率具有一定的慣性特點(diǎn)；同時(shí)可利用虛擬勵(lì)磁器控制電氣慣量，避免出現(xiàn)電勢(shì)幅值變化的情況，從根本上保證虛擬同步發(fā)電機(jī)控制方法的應(yīng)用效果，實(shí)現(xiàn)船舶無(wú)縫供電控制目標(biāo)。

3.3 并網(wǎng)仿真實(shí)驗(yàn)分析

3.3.1 相序檢測(cè)和調(diào)整方法

船舶電動(dòng)機(jī)逆轉(zhuǎn)會(huì)出現(xiàn)相序接錯(cuò)的現(xiàn)象，基于此有必要加強(qiáng)對(duì)相序接錯(cuò)問(wèn)題的控制，提升逆變自動(dòng)調(diào)整水平，進(jìn)而更好保證相序與外部接線連接效果，降低相序接線錯(cuò)誤率，進(jìn)而降低施工接線工作量。

3.3.2 并網(wǎng)條件檢測(cè)方法

頻差檢測(cè)單元。頻差檢測(cè)單元檢測(cè)原理：變換電壓正弦波方式，確保轉(zhuǎn)變?yōu)榫匦畏讲?，根?jù)檢測(cè)結(jié)果判斷方波周期頻率，確保推導(dǎo)出船用發(fā)電機(jī)和未并網(wǎng)岸電的電源頻率值，并在此基礎(chǔ)上求差，根據(jù)頻差絕對(duì)值進(jìn)行判斷，保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

相角差檢測(cè)單元。在計(jì)算相角差過(guò)程中，可根據(jù)待并網(wǎng)岸電電源電壓波形，經(jīng)過(guò)0點(diǎn)的時(shí)間差進(jìn)行推算，即計(jì)算時(shí)間差的方式最終可得出相角差檢測(cè)值。研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)控制時(shí)間節(jié)點(diǎn)，可科學(xué)設(shè)置岸電無(wú)縫并網(wǎng)時(shí)間，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)并網(wǎng)時(shí)間的把控，保證船舶電源與岸電電源并網(wǎng)的可行性，提升無(wú)縫并網(wǎng)供方式實(shí)際應(yīng)用效果。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，需要具體結(jié)合并網(wǎng)條件檢測(cè)方法進(jìn)行考量，確保岸電電源主開(kāi)關(guān)合閘后，與船舶電網(wǎng)進(jìn)行并網(wǎng)供電，進(jìn)而保證靠港船舶供電效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)，減少靠港船舶帶來(lái)的污染，推動(dòng)綠色港口建設(shè)。

3.3.3 相位角預(yù)同步方法

為實(shí)現(xiàn)岸電對(duì)接靠港船舶無(wú)縫供電控制效果，有研究人員提出了岸電逆變器相位角預(yù)同步控制策略，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，認(rèn)為岸電逆變器相位角預(yù)同步控制具有可行性。在此策略控制下，促使岸電逆變器輸出電壓與船舶電網(wǎng)電壓保持同步，為岸電并網(wǎng)提供了可行性依據(jù)，保證最終的并網(wǎng)效果。在相位角預(yù)同步過(guò)程中，運(yùn)用到三相軟件鎖相環(huán)技術(shù)（SPLL）。

在此項(xiàng)技術(shù)支撐下可更精準(zhǔn)地獲取到船舶電網(wǎng)電壓的相位，為保證船舶電網(wǎng)電壓相位信息有效應(yīng)用，在獲取電壓相位過(guò)程中需根據(jù)三相軟件鎖相環(huán)技術(shù)應(yīng)用原理進(jìn)行。三相SPLL可自動(dòng)跟蹤輸入信號(hào)頻率，實(shí)現(xiàn)對(duì)相位閉環(huán)系統(tǒng)的控制，最終可得到鎖相環(huán)輸出相位角與輸入信號(hào)同步的結(jié)果，進(jìn)而對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行精準(zhǔn)鎖相。基于此，在岸電電源并網(wǎng)操作過(guò)程中，需要以船舶電網(wǎng)為基準(zhǔn)，確保岸電電源與船舶電源并網(wǎng)。通過(guò)驗(yàn)證分析證實(shí)相位角預(yù)同步方法可行。

綜上，岸電在船舶港口中的應(yīng)用趨勢(shì)顯著，岸電本身的應(yīng)用前景十分廣闊，基于環(huán)保、低碳、綠色化港口建設(shè)角度，相關(guān)港口必須積極踐行交通部《深入推進(jìn)綠色港口建設(shè)行動(dòng)方案（2018—2022年）》等相關(guān)政策，加大岸電技術(shù)在岸電并網(wǎng)中的應(yīng)用，不斷加強(qiáng)對(duì)岸電對(duì)接靠港船舶無(wú)縫供電控制方法進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，切實(shí)優(yōu)化船舶電源與岸電電源并網(wǎng)方式，擴(kuò)大岸電覆蓋和應(yīng)用范圍。