林洋 徐永鋒

摘 要：對上海港黃浦江部分碼頭及船舶岸電設(shè)備安裝及使用進行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)多數(shù)碼頭的岸電設(shè)備基本處于閑置狀態(tài)，其中岸電的經(jīng)濟性較差是船方不愿選擇使用岸電的主要原因之一；然后，介紹了船舶岸電系統(tǒng)及無功補償?shù)脑?，并針對岸電?jīng)濟性較差的問題，提出了一種通過提高功率因數(shù)來提高岸電使用經(jīng)濟性的無功補償方式，并論證了其可行性和必要性。

關(guān)鍵詞：船舶岸電；無功補償；功率因數(shù)；經(jīng)濟性

0 背 景

船舶靠港使用岸電是減少靠泊期間大氣污染物和二氧化碳排放的最有效措施之一，是促進水運行業(yè)減污降碳、綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要抓手。自從2017年5月23日開始，我國陸續(xù)出臺了如《港口和船舶岸電管理辦法》《船舶及其有關(guān)作業(yè)活動污染海洋環(huán)境防治管理規(guī)定》等8部相關(guān)法律法規(guī)，規(guī)定碼頭、船舶應(yīng)安裝岸電設(shè)施，在2023年3月1日出臺的《上海市船舶污染防治條例》也規(guī)定了船舶不按規(guī)定使用岸電的處罰措施。

為了了解碼頭岸電使用情況，以上海港黃浦江下游碼頭為代表，對靠泊船舶及碼頭進行了走訪調(diào)研，其中，碼頭方面已按照交通運輸部發(fā)布的《港口岸電布局方案》的規(guī)定安裝了岸電設(shè)備，并按規(guī)定要求實現(xiàn)了碼頭50%集裝箱泊位具備向船舶供應(yīng)岸電能力的目標。

同時，靠泊具有岸電供應(yīng)的泊位的船舶在2023年初也基本都安裝了船載岸電設(shè)備。

但在實際調(diào)研過程中發(fā)現(xiàn)，岸電裝置都處于閑置狀態(tài)，大部分船舶只有在安裝船載岸電設(shè)備調(diào)試時使用過一次岸電。詢問船方不使用岸電的原因，主要包括岸電的經(jīng)濟性較差、船載岸電設(shè)備與岸基設(shè)備不匹配、連接岸電時對船載設(shè)備造成沖擊、岸電設(shè)備容量不足等，其中岸電的經(jīng)濟性差是船方不使用岸電的主要原因之一。

進一步了解發(fā)現(xiàn)，船舶在靠泊使用岸電過程中的功率因數(shù)為0.7～0.85之間，較小的功率因數(shù)是導(dǎo)致岸電使用經(jīng)濟性較差的主要原因之一。同時，較小的功率因數(shù)也使通過提高功率因數(shù)來提高岸電經(jīng)濟性存在很大的必要性和可行性。

1 船舶岸電系統(tǒng)介紹

船舶岸電系統(tǒng)系指港口向靠泊其碼頭的船舶供電的設(shè)備，按供電電壓不同可分為交流低壓岸電系統(tǒng)和交流高壓岸電系統(tǒng)[1]。

交流低壓岸電系統(tǒng)：系指港口向船舶配電系統(tǒng)供電的電源（即岸電）額定電壓（相間電壓）為 1 kV 及以下的船舶岸電系統(tǒng)。

交流高壓岸電系統(tǒng)：系指港口向船舶配電系統(tǒng)供電的電源（即岸電）額定電壓（相間電壓）為 1 kV 以上且 15 kV 及以下的船舶岸電系統(tǒng)。

本轄區(qū)內(nèi)安裝的為交流低壓岸電系統(tǒng)，其系統(tǒng)參數(shù)如圖1所示。

船舶岸電系統(tǒng)包括船載裝置和岸基裝置。

船載裝置：系指安裝在船舶上，用于連接岸電的設(shè)備。對于交流高壓岸電系統(tǒng)，一般包括插頭/插座、岸電連接配電柜（板）、變壓器、岸電接入控制屏、岸電電纜和電纜管理系統(tǒng)[2]；

岸基裝置：系指安裝在港口，用于向船舶提供岸電的設(shè)備。典型的船舶岸電系統(tǒng)如圖2所示。

2 無功補償原理分析

2.1 功率因數(shù)及其影響

功率因數(shù)（PF）是有功功率（Real power）與視在功率（Apparent power）的比值，即PF=P/S=cosφ，如圖3所示。功率因數(shù)是衡量供配電系統(tǒng)是否經(jīng)濟并可靠運行的一個重要指標。

配電系統(tǒng)輸出的功率包括兩部分[2]：有功功率P和無功功率Q。配電系統(tǒng)輸出的一部分電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能、化學(xué)能或熱能，這部分做功的功率稱為有功功率P；而另一部分電能并不直接參與做功，而是僅用于感性或容性負載設(shè)備建立交變電磁場，這部分功率稱為無功功率Q。無功功率又分為感性無功功率和容性無功功率，當電網(wǎng)中感性負載為主時，電網(wǎng)的電流滯后于電壓，電網(wǎng)表現(xiàn)為感性無功功率；當電網(wǎng)中容性負載為主時，電網(wǎng)的電流超前于電壓，電網(wǎng)表現(xiàn)為容性無功功率；當電網(wǎng)中感性負載與容性負載相互抵消時，電網(wǎng)的電壓與電流的相位相同，此時PF=cosφ=1，P=Scosφ=S，此時相當于純電阻性負載，輸出功率全部參與做功。

圖3 功率三角形矢量圖

與家用電網(wǎng)不同，船上的許多用電設(shè)備（如風機、空壓機、變壓器等）都是感性負載，此時電流相對于電壓滯后一個角度φ。如圖3所示，當有功功率一定的情況下，功率因數(shù)越小，無功功率就越大，供電系統(tǒng)的視在功率也就越大。由于船舶感性負載的存在，岸電系統(tǒng)的供電功率因數(shù)，一般功率因數(shù)為0.7～0.85之間，較小的功率因數(shù)會使電網(wǎng)產(chǎn)生大量的無功功率，從而導(dǎo)致電網(wǎng)損耗增加，加重電網(wǎng)負荷。具體主要體現(xiàn)在以下三方面：

（1）電壓降，電流的無功部分會引起不必要的電壓降，從而影響負載的正常運行。

（2）過電流，視在功率隨著功率因數(shù)的增大而減小。如圖4所示，同樣產(chǎn)生100 kW的有功功率，當功率因數(shù)PF=0.7時，需要視在功率S=142 kVA，而當功率因數(shù)PF=0.95時，只需要視在功率S=105 kVA。即電網(wǎng)的電流在PF=0.7時要比在PF=0.95時，增加35%的電流來輸出同樣的有功功率。

圖4 S示意圖

（3）經(jīng)濟性下降，船方使用岸電的費用是按照岸基設(shè)備的輸出功率，即如圖4所示的視在功率S（kVA）計算的，所以在0.7的功率因數(shù)下，意味著船方要多付35%的電費。

綜上所述，較小的功率因數(shù)會增加電網(wǎng)負荷，從而使電網(wǎng)損耗上升，系統(tǒng)線電壓降低。為滿足用電需求，較小的功率因數(shù)就要求更大的供電線路和變壓器容量，這樣對供配電系統(tǒng)是不利的。因此，國家管理部門規(guī)定，用電用戶應(yīng)裝設(shè)無功補償設(shè)備，提高功率因數(shù)至行業(yè)標準并防止逆功率。在行業(yè)標準中，要求高壓系統(tǒng)的功率因數(shù)PF≥ 0.90，低壓系統(tǒng)的功率因數(shù)PF≥ 0.85，功率因數(shù)是衡量供配電系統(tǒng)可靠性和經(jīng)濟性的一個重要指標[4]。

2.2 無功補償

無功補償（PFC），就是在電網(wǎng)中連接一定數(shù)量的電容器來抵消感性負載產(chǎn)生的無功功率，從而提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，降低供電變壓器及輸送線路的損耗，提高供電效率，改善供電環(huán)境的技術(shù)，降低用電成本。所以無功功率補償裝置在電力供電系統(tǒng)中的作用至關(guān)重要。合理的選擇補償裝置，可以做到最大限度的減少電網(wǎng)的損耗，優(yōu)化電網(wǎng)供電環(huán)境。

3 無功補償?shù)目尚行院捅匾苑治?/p>

本章主要在節(jié)約運營成本、增加系統(tǒng)容量和減少損耗3個方面論證無功補償在岸電系統(tǒng)應(yīng)用的可行性和必要性。

3.1 節(jié)約運營成本

岸電電費是以視在功率S（kVA）的形式計算的，當船舶所需的有功功率P（kW）一定時，功率因數(shù)PF越大，所需的視在功率S（kVA）就越小，電費就越少。通過如下案例論證無功補償在運營成本節(jié)約方面的可行性。

圖5 Qc示意圖

假定船舶需要三相電的要求為480 V、容量460 kVA，其中電費38￥/ kVA，功率因數(shù)PF=0.87，如果將功率因數(shù)PF從0.87提升到0.97，需要增加的多大的電容，節(jié)約多少運營成本，需要多長時間能收回無功補償設(shè)備的投資。

船舶有功功率P（kW）的需求：

P=S×PF=460 kVA×0.87 =400 kW

當PF=0.97

S=P/PF=400/0.97=412 kVA

將系統(tǒng)的功率因數(shù)從0.87提高到0.97，需要的安裝電容器的額定值QC：

QC=P（tanφ-tanφ1） =400（tancos-10.87-tancos-10.97）=126.8 kVAR

由于實際電容器組以20 kVAR為單位，所以應(yīng)選用480 V、140 kVAR的電容器組，其成本為12 800￥[5]。

修正前的費用：460 kVA×38￥=17 480￥/month

修正后的費用：412 kVA×38￥=15 656￥/month

收回成本時間：12 800￥/（17 480-15 656）￥/month=7.07month

該電容器的投資成本在不到8個月的時間內(nèi)就能收回。

3.2 增加系統(tǒng)容量

在調(diào)研過程中，岸電容量不足也是限制岸電使用的主要原因之一。無功補償可以在不額外增加視在功率S（kVA）的情況下，提高系統(tǒng)有功功率P（kW）的輸出，從而增加系統(tǒng)容量。

圖6 PF示意圖

假定岸電系統(tǒng)容量為480 kVA，功率因數(shù)PF=0.75，有功功率P=360 KW，如果將輸出功率增加25%，即輸出功率增加至P=450 kW。

在PF不變的情況下，需要岸電系統(tǒng)的容量增加至：

S=P/PF=450 kW/0.75=600 kVA

在不增加系統(tǒng)容量的情況下，也可以通過無功補償把功率因數(shù)PF從0.75提高至0.95來實現(xiàn)有功功率P增加25%的目標，具體如圖7所示。其所需安裝電容器的額定值為：

QC=450（tancos-10.75） - tancos-10.95）=450（tan41.4 - tan18.2）=248.8 kVA

由于實際電容器組以20 kVAR為單位，所以應(yīng)選用260 kVA的電容器，費用為22 400￥[5]。

3.3 減少損失

通常，線路損耗約占總負載功率的3%～7%，如果負載功耗較高，那么減少線路損耗就是系統(tǒng)在設(shè)計時必須要考慮的問題。無功補償正是減少線路損耗的主要方式之一，所以無功補償不僅可以通過減少線路損耗來節(jié)省運營成本，還可以通過減少線路電流來提高系統(tǒng)運行安全性和延長系統(tǒng)使用壽命。由于線路電流的減小，單位損耗（I2R）減小為：

PUloss reduction=（PFold/PFnew）2

假定1 000 kW的負載每周運行60 h，供電電壓為415 V，供電線路損耗為7%。負載PF=0.75，電費為0.80￥/kWh。將PF提高到0.95的成本效益是多少。

單位損耗（I2R） 為：

PUloss reduction=（0.75/0.95）2=62.3%

無功補償之后的單位損耗為PUloss reduction×7%=4.36%

PF=0.75時損耗為：0.07×1 000 kW×60h=4 200 kWh

損耗費用為4 200 kWh×0.80￥/kWh=3 360￥/week

PF=0.95時損耗為0.0436 ×1 000 kW×60h = 2 618 kWh

損耗費用為：2 618 kWh×0.80￥/kWh = 2 094.4￥/week

每周節(jié)約的費用：3 360￥/week-2 094.4￥/week=1 265.6￥/week

將功率因數(shù)PF=0.75提高至PF=0.95，所需的電容額定值QC為：

QC=1 000kW（tancos-10.75） - tancos-10.95）=553 kVAR

由于實際電容器組以20kVAR為單位，所以應(yīng)選用560 kVA的電容器，費用為88 480￥[5]。

收回收益的時間為88 480￥/1 265.6￥/week=16.1months

綜上所述，由于船舶使用岸電過程中功率因素較小，通常在0.7～0.85之間，所以通過無功補償校正功率因數(shù)在上述節(jié)約運營成本、增加系統(tǒng)容量和減少損耗三個方面有明顯改善，前期投入的電容器安裝成本也會在較短的時間內(nèi)收回，這也證明了無功補償在岸電系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性。另外，無功補償也能解決岸電系統(tǒng)容量不足的問題，提高系統(tǒng)安全性和使用壽命，這也是岸電系統(tǒng)建造前所必須要考慮的問題。

4 無功補償?shù)姆绞?/p>

1）無功補償方式[6]分為：

（1）集中補償：在港口配電系統(tǒng)與港口配電柜之并聯(lián)電容器組，能對港口所有岸基設(shè)備進行無功補償。

（2）分組補償：在港口配電柜與泊位配電柜之間并聯(lián)電容器組，能對泊位所有岸基設(shè)備進行無功補償；

（3）就地補償：在泊位配電柜與每條船的主配電板之間并聯(lián)電容器，只對本船舶進行無功補償。

在岸電系統(tǒng)中通常采用前兩種方式：集中補償和分組補償，具體如圖8所示。

圖9 電容器組 圖10 無功發(fā)生器

2）無功補償控制方式：

（1）固定方式補償，通過連接固定值的電容器組（見圖9）實現(xiàn)無功補償。

（2）自動方式補償，安裝不同固定值的電容器組，可以根據(jù)實際負載的無功功率調(diào)整電容器額定值實現(xiàn)無功補償。

（3）動態(tài)方式補償，具有動態(tài)補償功能，可用于補償高度波動的負載。

集中動態(tài)補償能按照負載的無功功率實時動態(tài)的進行補償，對岸電電網(wǎng)和船舶負載具有動態(tài)適應(yīng)性，是現(xiàn)階段最優(yōu)的解決方案。

現(xiàn)階段主要的用于無功補償?shù)脑O(shè)備為：

（4）電容器組[7]，通過對電路中電容組進行投切的方式實現(xiàn)無功補償，可實現(xiàn)靜態(tài)和動態(tài)補償。

（5）無功發(fā)生器[8]（見圖10），利用PWM整流控制技術(shù)，通過對電網(wǎng)的電壓和電流實時采樣和高性能DSP計算出電網(wǎng)的無功功率，實現(xiàn)無功功率的補償。

5 結(jié)束語

我國之所以積極倡導(dǎo)船舶使用岸電，其主要目的就是促進水運行業(yè)減污降碳、綠色轉(zhuǎn)型。但是，由于現(xiàn)階段岸電因功率因數(shù)較低、損耗較大等原因，使岸電使用的經(jīng)濟性較差，使用成本甚至高于使用船用發(fā)電機的成本，這種情況下，使用岸電并沒有真正的起到減污降碳的作用。所以，我們應(yīng)該借鑒國內(nèi)外各行業(yè)先進的節(jié)能降碳排技術(shù)，如無功補償、利用儲能電池進行避峰調(diào)谷用電管理等，提高使用岸電的經(jīng)濟性，使其真正的起到減污降碳的作用。

參考文獻

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[8] 揚州市攬坤電氣有限公司.一種具備逆功率補償功能的無功補償柜CN202111618327.1[P].INVENTION_PUBLICATION.2021.

作者簡介：

林洋，碩士研究生，船旗國監(jiān)督檢查員，（E-mail）17086261166@163.com，17086261166

徐永鋒，本科，港口國監(jiān)督檢查員