張子才

(寶山鋼鐵股份有限公司運(yùn)輸部,上海 201999)

船舶靠港后,船員的生活、照明及船上的水泵、錨纜機(jī)等部分設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)仍然需要船上的輔助發(fā)電機(jī)提供電源。發(fā)電機(jī)使用的燃油制品多為重油、柴油,不僅能耗高,而且會(huì)造成較大的環(huán)境污染,包括因重油和柴油在燃燒過程中所產(chǎn)生的大量硫化物和氮氧化物對(duì)周邊環(huán)境造成的污染,以及船舶使用發(fā)電機(jī)引起的噪聲污染。寶山鋼鐵股份有限公司寶山基地原料碼頭現(xiàn)有9個(gè)泊位,目前所有泊位都沒有配置岸電設(shè)施,作業(yè)船舶靠岸以后,均使用船舶自帶柴油發(fā)電機(jī)供電。原料碼頭靠泊的國(guó)輪和外輪,在船舶的電壓等級(jí)、電源頻率、用電容量等方面都有較大差異,無法采用簡(jiǎn)單的供電方案予以解決。集中式配置分布式供電的船舶岸基供電系統(tǒng)是解決這些問題的最佳選擇。

1 岸基供電系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)配置和單線圖及各部分說明

大容量高可靠岸電電源技術(shù)需要適應(yīng)為多種船舶供電服務(wù)[1-2],要求電源系統(tǒng)具有良好的通用性和接入能力。寶鋼原料碼頭采用的集中式配置分布式供電的船舶岸基供電系統(tǒng),包括輸入變壓器(降壓)、變頻電源(整流、逆變、濾波)、輸出變壓器(升壓、隔離)輸出6 kV/50 Hz或6.6 kV/60 Hz交流電,由6.6 kV開關(guān)柜以電纜方式引接至碼頭前沿的岸電接電箱。岸電系統(tǒng)單線圖見圖1。

圖1 岸電系統(tǒng)單線圖Fig.1 Single line diagram of the shore power system

本項(xiàng)目碼頭前沿共有3個(gè)泊位,每個(gè)泊位設(shè)置1個(gè)高壓岸電插座箱,每套岸電納入岸電管理系統(tǒng)中,每個(gè)泊位采用一路獨(dú)立供電的6.6 kV變頻裝置。連接器通過導(dǎo)入接觸插芯的元件實(shí)現(xiàn)電氣互鎖,在實(shí)際操作插頭插座連接和斷開過程中,接觸器是最晚實(shí)現(xiàn)連接也是最早實(shí)現(xiàn)斷開的插芯,可實(shí)現(xiàn)快速、安全、可靠的連接。箱體防護(hù)等級(jí)IP65,插座防護(hù)等級(jí)IP67。作為唯一的岸基與船舶的供電連接點(diǎn),岸電接電箱應(yīng)選用帶有機(jī)械聯(lián)和電氣鎖控制的岸電箱,采用人工操作。岸電應(yīng)有相應(yīng)的保護(hù),在插拔岸電箱時(shí)應(yīng)保證在不帶電的情況進(jìn)行,岸電箱具防凝露功能,在與船電系統(tǒng)聯(lián)接時(shí)與船電系統(tǒng)形成一個(gè)整體系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù),具有從船—岸電接口箱—變頻電源站一個(gè)整體系統(tǒng)的安全聯(lián)鎖功能[3-4]。

1.2 方案優(yōu)勢(shì)及配置特點(diǎn)

變頻裝置采用針對(duì)岸電電源應(yīng)用需求特點(diǎn)定制開發(fā)的岸電專用變頻電源。變頻電源選用低壓變頻模塊、多組并聯(lián)方式,在某一模塊故障時(shí),其他模塊可獨(dú)立運(yùn)行使用;采用模塊化設(shè)計(jì),具備擴(kuò)展能力。

10 kV供電輸入變頻變壓系統(tǒng),經(jīng)過變頻變壓系統(tǒng)處理并經(jīng)隔離變壓器后,可輸出45～65 Hz、0～7 000 V三相交流電壓,可預(yù)設(shè)50 Hz/60 Hz兩個(gè)固定頻率點(diǎn),并提供分辨率0.01 Hz的頻率精細(xì)微調(diào)功能。

在本系統(tǒng)中,輸入按2 500 kVA配置,輸出兩路獨(dú)立可變頻變壓的電源,容量分別為800 kVA和2 000 kVA的船舶供電系統(tǒng)。

變頻變壓設(shè)備具有額定功率20%的逆功率10 s的回收能力,吸收在并網(wǎng)操作過程中(尤其是被動(dòng)并網(wǎng)的操作過程中)可能產(chǎn)生的準(zhǔn)同期并網(wǎng)狀態(tài)下的逆功率,保證并網(wǎng)過程的順利進(jìn)行,完成岸—船電網(wǎng)的順利并列。電氣柜體采用熱涂鋅鋼板制作,內(nèi)部布局電氣結(jié)構(gòu)合理、美觀,可有效屏蔽柜內(nèi)的部分EMC傳導(dǎo)和輻射。

2組變頻電源均采用4組整流模塊并聯(lián),形成24脈波整流;其中800 kVA變頻電源逆變采用2組逆變模塊并聯(lián),2 000 kVA變頻電源逆變采用5組逆變模塊并聯(lián)。

本項(xiàng)目采用的整流模塊額定電流600 A,單組整流模塊容量為750 kVA,4組并聯(lián)組成24脈波整流回路,容量滿足120%裕量需求。

逆變模塊采用額定電流400 A,單組逆變模塊容量為480 kVA,800 kVA電源逆變?nèi)萘?60 kVA,2 000 kVA電源逆變?nèi)萘? 400 kVA,容量滿足120%裕量需求。

變頻裝置具有故障穿越能力,可實(shí)現(xiàn)故障在線退出并仍能保證系統(tǒng)繼續(xù)正常運(yùn)行,以增加輸出的連續(xù)性和可靠性。

變頻裝置輸出側(cè)配置專門濾波單元,確保變頻裝置輸出側(cè)輸出電能質(zhì)量?jī)?yōu)于國(guó)標(biāo)要求。

1.3 使用操作說明

為保證岸基供電系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、可靠性,提高供配電系統(tǒng)的自動(dòng)化水平,配置1套本地及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),如圖2所示。在岸電電源本體PLC控制柜中實(shí)現(xiàn)屏幕顯示及實(shí)時(shí)控制,通信上傳遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)后臺(tái)監(jiān)控。

圖2 本地及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of local and remote monitoring systems

本地及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的范圍包括岸基供電系統(tǒng)的輸入10 kV配電系統(tǒng)、變頻電源本體、變頻電源輸出系統(tǒng)及配套設(shè)備,遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的后臺(tái)監(jiān)控主機(jī)設(shè)在業(yè)主指定監(jiān)控室。

2 控制策略

2.1 恒頻穩(wěn)壓控制策略

由于本系統(tǒng)為電源產(chǎn)品,與變頻器等其他設(shè)備相比,要求系統(tǒng)具有較高的輸出電壓精度和快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。傳統(tǒng)的高壓逆變電源大多采用輸出電壓有效值控制或輸出電壓瞬時(shí)值控制,輸出電壓有效值控制是將輸出電壓有效值作為被控對(duì)象[5-6],由于有效值計(jì)算需要在基波周期內(nèi)對(duì)輸出電壓波形進(jìn)行均方根計(jì)算,故系統(tǒng)的響應(yīng)速度一般都比較慢,很難滿足高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的要求。輸出電壓瞬時(shí)值控制雖然動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度相對(duì)較快,但由于被控量為交流量,采用傳統(tǒng)的PI控制將會(huì)有靜差存在,輸出電壓無法完全跟蹤給定電壓的變化,輸出電壓精度相對(duì)較低。本系統(tǒng)對(duì)輸出電壓采用了基于d-q-0同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的PI控制方法(圖3),首先對(duì)系統(tǒng)三相輸出線電壓進(jìn)行d-q-0同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換,將a-b-c靜止坐標(biāo)系下的三相交流量變換成了d-q-0同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流量,在d-q-0同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下對(duì)直流量進(jìn)行PI控制,解決了系統(tǒng)靜差的問題,保證了輸出電壓較高的精度。而d-q-0同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換是對(duì)系統(tǒng)三相輸出線電壓瞬時(shí)值進(jìn)行變換,所以在d-q-0同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下進(jìn)行PI控制屬于對(duì)輸出線電壓的瞬時(shí)值進(jìn)行控制,因此系統(tǒng)具有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng),當(dāng)系統(tǒng)輸出電壓因擾動(dòng)而發(fā)生突變時(shí),控制系統(tǒng)能使輸出電壓迅速地恢復(fù)到額定值。

圖3 恒頻穩(wěn)壓控制框圖Fig.3 Block diagram of constant frequency voltage stabilization control

2.2 無縫切換控制策略

變頻電源輸出電壓采用閉環(huán)控制,將濾波器輸出電壓跟蹤給定電壓作為控制目標(biāo),從而穩(wěn)定隔離變輸出電壓,船岸連接控制過程如下:①岸上變頻電源接收到船側(cè)合閘允許送電的信號(hào)后,岸電電源將電接至船舶;②船舶檢測(cè)裝置將判定岸電電源相序、頻率、電壓是否與船舶一致,船側(cè)同期裝置開始調(diào)節(jié)船舶發(fā)電機(jī)的發(fā)電電壓的頻率、相位、幅值與岸上電源的頻率、相位、幅值之間的偏差,當(dāng)偏差在允許的范圍時(shí)岸電電源并入船舶電網(wǎng),此時(shí)岸電與船側(cè)發(fā)電機(jī)同時(shí)供電;③船側(cè)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)功率逐漸減小,岸電電源功率逐漸增大,當(dāng)船側(cè)功率小于一定值時(shí)切斷發(fā)電機(jī)開關(guān),完全由岸電電源供電,岸電電源并網(wǎng)完成。

船岸供電運(yùn)行時(shí),船舶負(fù)載變化使輸出隔離變壓器產(chǎn)生壓降,變頻電源可自行調(diào)高輸出電壓,增加變頻電源本體的輸出電壓,從而確保船舶設(shè)備供電電壓穩(wěn)定在所需電壓。

2.3 虛擬發(fā)電機(jī)功能

為了使岸電電源準(zhǔn)確模擬發(fā)電機(jī)特性,并且適應(yīng)多種并聯(lián)接入能力,提高岸電系統(tǒng)的適用范圍和經(jīng)濟(jì)性[7],本文采用基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的岸電逆變器控制策略,在岸電逆變器的控制環(huán)路中人為地引入發(fā)電機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程,通過模型中轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的引入,使得逆變器具有與發(fā)電機(jī)相似的電氣和機(jī)械特性,并且將實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)下垂特性的功頻控制器模塊和勵(lì)磁控制器模塊引入該控制策略中,使岸電電源的逆變器側(cè)具有與發(fā)電機(jī)相似的輸出下垂特性。虛擬發(fā)電機(jī)控制框圖如圖4所示。

圖4 虛擬發(fā)電機(jī)控制框圖Fig.4 Virtual generator control block diagram

2.3.1 虛擬發(fā)電機(jī)

為了實(shí)現(xiàn)同步發(fā)電機(jī)的基本特性,并簡(jiǎn)化模型,采用同步發(fā)電機(jī)的二階機(jī)電暫態(tài)模型,見式(1)、(2):

E0=U+IRa+jIXs

(1)

(2)

式中:Eo為勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì);U為電樞端電壓;I為電樞電流;Ra為電樞電阻;j為向量變換系數(shù);Xs為同步電抗;J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;ωm為機(jī)械角速度;Tm為機(jī)械轉(zhuǎn)矩;Te為電磁轉(zhuǎn)矩。

取極對(duì)數(shù)np=1,則電角速度ωe=ωm,式(2)可變換為式(3):

(3)

(4)

式中:ωN為同步電角速度;Pm為機(jī)械功率;Pe為電磁功率;θ為電角度。

由式(1)、(3)、(4) 可建立虛擬發(fā)電機(jī)模型。

本方案引入了頻率反饋環(huán)節(jié),使得逆變電源能夠跟蹤電網(wǎng)頻率,同時(shí)采用并網(wǎng)電壓閉環(huán)控制以保證并網(wǎng)電壓穩(wěn)定,可以無偏差地實(shí)現(xiàn)頻率和電壓的穩(wěn)定。

2.3.2 虛擬發(fā)電機(jī)功頻控制器設(shè)計(jì)

本方案參考同步發(fā)電機(jī)調(diào)速器原理,虛擬同步發(fā)電機(jī)功頻控制器設(shè)計(jì)如圖5所示,圖中f為系統(tǒng)實(shí)際頻率,fN為系統(tǒng)額定頻率,PN為虛擬同步發(fā)電機(jī)在額定頻率下的初始輸出有功功率,Pm為虛擬同步發(fā)電機(jī)實(shí)際輸出功率。

圖5 功頻控制器框圖Fig.5 Block diagram of power frequency controller

發(fā)電機(jī)的頻率調(diào)差系數(shù)R見式(5):

(5)

上式標(biāo)幺化后可表示為式(6):

(6)

頻率調(diào)差系數(shù)表示發(fā)電系統(tǒng)負(fù)載突變時(shí)相應(yīng)的頻率變化,決定了機(jī)組之間的有功功率分配。

2.3.3 虛擬發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制器設(shè)計(jì)

無功功率不平衡會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)電壓的波動(dòng),在電網(wǎng)中,為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定,通過改變發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的大小來調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)無功功率的輸出值,從而維持系統(tǒng)無功功率平衡。但是,無窮大系統(tǒng)在實(shí)際中并不存在,電網(wǎng)電壓將隨負(fù)荷的波動(dòng)而變化。

參考發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)節(jié)特性,虛擬發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制器如圖6所示。

圖6 勵(lì)磁控制器框圖Fig.6 Excitation controller block diagram

圖6中Qref為虛擬發(fā)電機(jī)在額定頻率下的初始無功功率,當(dāng)系統(tǒng)實(shí)際無功功率Q波動(dòng)時(shí),會(huì)偏離無功功率初始值QN,為實(shí)現(xiàn)對(duì)并網(wǎng)電壓的閉環(huán)控制,將得到并網(wǎng)電壓的幅值指令Uref與反饋的實(shí)際并網(wǎng)電壓幅值Um相比較,經(jīng)過PI控制器得到的Eo作為虛擬發(fā)電機(jī)控制算法模型中勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)的幅值。

電壓調(diào)差系數(shù)σ見式(7):

(7)

式(7)標(biāo)幺化后可表示為式(8):

(8)

電壓調(diào)差系數(shù)可以表示發(fā)電系統(tǒng)負(fù)載突變時(shí)相應(yīng)的電壓變化,決定了機(jī)組之間的無功功率分配。

3 實(shí)際應(yīng)用情況

3.1 船級(jí)社測(cè)試情況

集中式供電的船舶岸基供電系統(tǒng)在寶鋼原料碼頭安裝調(diào)試完成后,依據(jù)JTS 155—2019《碼頭船舶岸電設(shè)施建設(shè)技術(shù)規(guī)范》、JTS155—1—2019《碼頭岸電設(shè)施檢測(cè)技術(shù)規(guī)范 》、IEC 80005—1 Utility connections in port-Part 1:High Voltage Shore Connection (HVSC) Systems-General requirements、GD07—2018《船舶岸電岸上供電設(shè)施檢驗(yàn)指南》(中國(guó)船級(jí)社)等標(biāo)準(zhǔn),中國(guó)船級(jí)社進(jìn)行高壓開關(guān)設(shè)備工頻耐壓試驗(yàn)、電纜耐壓試驗(yàn)報(bào)告審核、絕緣電阻檢測(cè)、保護(hù)功能及其整定值檢測(cè)、系統(tǒng)聯(lián)鎖功能試驗(yàn)、控制設(shè)備功能試驗(yàn)、相序檢測(cè)、電能質(zhì)量檢測(cè)、突加、突卸負(fù)載試驗(yàn)(0—50%—100%、100%—0)、帶載試驗(yàn)、額定負(fù)載運(yùn)行試驗(yàn)、過載運(yùn)行試驗(yàn)(110% 60 s)、電源切換等項(xiàng)目測(cè)試,各項(xiàng)指標(biāo)合格,通過了中國(guó)船級(jí)社認(rèn)證。

3.2 實(shí)際連船情況

在本文設(shè)計(jì)的大容量岸電回路架構(gòu)下,通過采用虛擬發(fā)電機(jī)控制方法,實(shí)現(xiàn)了良好的供電運(yùn)行。在實(shí)際連船運(yùn)行中,獲得如下實(shí)測(cè)結(jié)果:

第一次聯(lián)船:**輪561號(hào),用電463.32 kWh,連續(xù)6 kV 50 Hz供電48 h;

第二次聯(lián)船:**輪508號(hào),用電5 266 kWh,連續(xù)6 kV 50 Hz供電48 h;

第三次聯(lián)船:**輪561號(hào),用電1 925 kWh,連續(xù)6 kV 50 Hz供電48 h。

4 結(jié)語(yǔ)

穩(wěn)定高可靠、穩(wěn)健并聯(lián)是大容量岸電供電技術(shù)的關(guān)鍵。船舶在停岸后,需要岸電快速有效地與船側(cè)電源進(jìn)行并聯(lián),逐步主導(dǎo)功率并替代船側(cè)電源,要求岸電電源有穩(wěn)健的并聯(lián)和功頻/電壓調(diào)控能力。本文通過對(duì)大容量岸電電源連船穩(wěn)健并聯(lián)運(yùn)行控制方法的研究,設(shè)計(jì)了基于虛擬發(fā)電機(jī)控制的岸電—船電并聯(lián)運(yùn)行控制策略。通過構(gòu)建虛擬功頻下垂控制和電壓下垂控制,當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在連船工況時(shí),可以實(shí)現(xiàn)岸電電源與船側(cè)電源負(fù)荷與電壓的平衡配置,使得岸電電源具備穩(wěn)健的交流并聯(lián)構(gòu)網(wǎng)能力,同時(shí)為本文設(shè)計(jì)的無縫切換提供了控制基礎(chǔ),在岸電—船電并聯(lián)運(yùn)行成功后,通過功頻/電壓調(diào)節(jié),使岸電主導(dǎo)負(fù)荷供電并實(shí)現(xiàn)對(duì)船側(cè)電源替代。本文所研究的岸電控制策略對(duì)于不同容量參數(shù)、不同特性的船舶,均可適用,對(duì)于其他交流并聯(lián)供電系統(tǒng)應(yīng)用也具有參考借鑒價(jià)值。