◎ 申鵬程，劉 鵬，孫振宇，孫澤豪，梁國慶，董良太

（日照港裕廊股份有限公司，山東 日照 276826）

1 岸電系統(tǒng)運(yùn)用背景

碼頭靠港船舶通常利用輔機(jī)發(fā)電，以滿足船上冷藏、空調(diào)、加熱、通信及照明等電力需求。但是，船舶輔機(jī)為燃油發(fā)電機(jī)，在消耗燃油的過程中，會(huì)排放出氮氧化物、硫氧化物、可吸入顆粒物等空氣污染物，影響港口及所在城市的環(huán)境質(zhì)量。

隨著我國節(jié)能減排步伐的加快，交通運(yùn)輸已成為節(jié)能減排的重要領(lǐng)域，港口作為海陸運(yùn)輸節(jié)點(diǎn)，節(jié)能減排有著廣闊的施展空間。交通運(yùn)輸部發(fā)布的《船舶與港口污染防治專項(xiàng)行動(dòng)實(shí)施方案（2015―2020）》強(qiáng)調(diào)推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，推動(dòng)船舶與港口污染防治工作，實(shí)現(xiàn)水運(yùn)綠色、循環(huán)、低碳、可持續(xù)發(fā)展[1]。新興船運(yùn)電能供應(yīng)技術(shù)是指在船舶?？窟^程中，用來自港口的電力供應(yīng)系統(tǒng)替代船舶發(fā)電機(jī)為船舶持續(xù)供電，以供船舶照明、通信、工程操作等電氣設(shè)備使用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)船舶系泊過程節(jié)能、減排、降噪的目標(biāo)，并最終實(shí)現(xiàn)“綠色生態(tài)港”的建設(shè)[2]。與船舶發(fā)電的高能耗、高污染相比，岸電的使用更節(jié)能、環(huán)保，因此，靠港船舶使用岸電是節(jié)能減排的大勢所趨。

2 變頻岸電系統(tǒng)功能

將岸基電源接入船舶使用，最大的障礙是兩種電網(wǎng)存在頻率差異。我國用電網(wǎng)絡(luò)通常采用的頻率為50 Hz，電壓為380 V、6 kV、10 kV，而大部分船舶供電采用的頻率為60 Hz，電壓為440 V、6.6 kV，如果直接將50 Hz 的電源接入船舶設(shè)備，會(huì)使設(shè)備的整體效率下降30%，并且由于供電頻率及電壓發(fā)生變化，可能造成部分設(shè)備不正常工作，產(chǎn)生安全隱患。變頻岸電可由50 Hz 轉(zhuǎn)變成60 Hz，避免岸基電源接入船舶使用的障礙，且具有更高的性價(jià)比，可以向不同制式的船舶提供岸電；與發(fā)電機(jī)相比，岸電節(jié)能20%以上，且發(fā)電機(jī)具有噪聲大、運(yùn)行成本高、損耗大、有污染、維修困難以及需要專人管理等缺點(diǎn)；岸電具有更強(qiáng)的適用性，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控電源的運(yùn)行情況，被國內(nèi)各大造船修船及港口碼頭企業(yè)廣泛使用。圖1 為變頻岸電系統(tǒng)簡圖。

圖1 變頻岸電系統(tǒng)簡圖

3 項(xiàng)目應(yīng)用案例

根據(jù)綠色港口建設(shè)需要，某碼頭公司在其散糧泊位投資建設(shè)高壓岸電系統(tǒng)，岸電設(shè)施基本信息及供電情況詳見表1，高壓變頻裝置現(xiàn)場照片如圖2 所示。岸電變頻變壓系統(tǒng)核心工程主要包括工程設(shè)計(jì)、岸電設(shè)備購置、岸電設(shè)備系統(tǒng)集成、土建施工、設(shè)備安裝、系統(tǒng)調(diào)試、試運(yùn)行、系統(tǒng)運(yùn)行以及連船等[3]。本岸電系統(tǒng)采用廣州智光電氣ZG-SPS 高壓變頻岸電電源系統(tǒng)。

表1 岸電設(shè)施建設(shè)情況表

圖2 碼頭岸電設(shè)施現(xiàn)場圖

4 ZG-SPS 高壓變頻岸電電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

ZG-SPS 高壓變頻岸電電源系統(tǒng)由配電及隔離保護(hù)部分、變頻電源、插座箱及電纜管理系統(tǒng)等組成，其中變頻電源為其核心部分。高壓變頻電源的核心技術(shù)主要有以下幾方面。

4.1 高效的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

高壓變頻岸電電源系統(tǒng)主要由輸入移相變壓器和變頻功率單元組成。系統(tǒng)采用功率單元串聯(lián)技術(shù)，解決器件耐壓的問題，級(jí)間SPWM 信號(hào)移相疊加，提高了輸出電壓諧波性能，降低了輸出電壓變化率（dv/dt）；通過移相整流技術(shù)降低輸入側(cè)諧波，減小了對(duì)電網(wǎng)的諧波污染；主控制器以雙數(shù)字信號(hào)處理器、超大規(guī)模集成電路可編程器件為核心，配合數(shù)據(jù)采集、單元控制、光纖通信回路以及內(nèi)置的可編程邏輯控制器構(gòu)成系統(tǒng)控制部分。

4.2 優(yōu)質(zhì)的移向變壓器

移相變壓器采用干式結(jié)構(gòu)，強(qiáng)迫風(fēng)冷。變壓器原邊為Y 型接法，直接與高壓相連。副邊繞組數(shù)量為18 個(gè)。由于為功率單元提供電源的變壓器副邊繞組間有一定的相位差，單個(gè)功率單元輸入側(cè)為6 脈波整流，工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生5、7 次諧波，但是當(dāng)多個(gè)功率單元由移相變壓器提供幅值一致、相位角互差10°的工作電壓時(shí)，各單元工作產(chǎn)生的35 次以下諧波相互抵消，自動(dòng)消除。從而消除了大部分由單個(gè)功率單元所引起的諧波電流，所以智光變頻器輸入電流的總諧波含量遠(yuǎn)小于國家標(biāo)準(zhǔn)5%的要求，并且能保持接近1 的輸入功率因數(shù)。

4.3 經(jīng)驗(yàn)證的逆功率處理

《碼頭船舶岸電設(shè)施建設(shè)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，岸電系統(tǒng)的繼電保護(hù)應(yīng)滿足以下要求。電氣元器件的選型要考慮其能承受的短路容量，并兼具可靠性、選擇性、靈動(dòng)性；重要電氣設(shè)備應(yīng)具備電流速斷、過流、低壓及超溫等保護(hù)功能[4]。

岸電系統(tǒng)采用帶電切換方式時(shí)，可能由于船/岸兩側(cè)檢測誤差，兩側(cè)電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)在并網(wǎng)過程中存在差異，在岸電和船上發(fā)電機(jī)并網(wǎng)（岸電解列）過程中會(huì)引發(fā)逆功率現(xiàn)象。為了防止發(fā)生嚴(yán)重逆功率現(xiàn)象，損壞設(shè)備，應(yīng)采取必要的安全措施。

智光電氣岸電電源系統(tǒng)具有完善的逆功率判斷以及控制保護(hù)算法，可通過雙重檢測手段判斷是否產(chǎn)生逆功率，確保逆功率檢測的可靠性；還可通過逆功率快速處理控制算法，迅速調(diào)整輸出參數(shù)，將逆功率推送至船側(cè)電網(wǎng)，保護(hù)變頻電源安全。當(dāng)逆功率現(xiàn)象過于嚴(yán)重，無法通過調(diào)整電壓參數(shù)消除時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)逆功率保護(hù)動(dòng)作程序，斷開功率單元進(jìn)行保護(hù)。

4.4 冗余能力說明

智光電氣配置的高壓變頻岸電電源系統(tǒng)多設(shè)計(jì)了一組功率單元作為冗余。當(dāng)1 臺(tái)單元發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)將故障單元旁路變?yōu)? 級(jí)單元工作，系統(tǒng)總輸出電壓仍然為6.6 kV，系統(tǒng)額定輸出電流不變，容量不變，不降額向船舶供電。

以3 MVA 系統(tǒng)為例，6 級(jí)功率單元串聯(lián)工作時(shí)控制每個(gè)功率單元輸出634 V 電壓，即系統(tǒng)輸出3 810 V相電壓，6.6 kV 線電壓，系統(tǒng)輸出容量為3 MVA。變?yōu)?級(jí)功率單元串聯(lián)工作時(shí)，每個(gè)單元輸出762 V電壓，即系統(tǒng)輸出3 810 V 相電壓，6.6 kV 線電壓，系統(tǒng)輸出容量為3 MVA。

4.5 獨(dú)特的散熱結(jié)構(gòu)

ZG-SPS 變頻電源采用前后兩側(cè)進(jìn)風(fēng)，中間通風(fēng)道短而寬，柜體上部安裝大風(fēng)量進(jìn)口專用風(fēng)機(jī)，散熱效率大大提高，從而提高系統(tǒng)適應(yīng)工作環(huán)境溫度的能力，配合空調(diào)系統(tǒng)，完全可滿足10 000 kVA 以內(nèi)各種岸電電源變頻裝置（800 A)的散熱要求。

5 碼頭岸電插座箱選型

碼頭岸電插電箱作為船舶岸電系統(tǒng)的重要組成部分，其選型及選址決定著岸電系統(tǒng)整體運(yùn)轉(zhuǎn)效率。常見的岸電插電箱安裝有以下兩種方式。①岸電插座箱明裝。這種安裝方式施工簡單，成本低，不受潮汐影響，目前碼頭岸電插座箱多數(shù)采用明裝方式。缺點(diǎn)是箱體突起，可能影響碼頭作業(yè)，有被纜繩刮倒風(fēng)險(xiǎn)。②岸電插座箱箱地坑安裝。這種安裝方式?jīng)]有突出障礙物，不影響碼頭作業(yè)，無纜繩刮倒風(fēng)險(xiǎn)，但其施工復(fù)雜，成本高，受潮汐影響較大，需要預(yù)制件安裝。

通過對(duì)碼頭岸電插座箱面明裝和地坑安裝進(jìn)行比較，最終選擇岸電插座箱明裝施工方案。且根據(jù)碼頭現(xiàn)場實(shí)際，碼頭泊位已使用近20 年，插電箱底座利用原有門機(jī)低壓供電箱體，在其底座上進(jìn)行焊接加固10 mm 厚鋼板，加裝1.5 m 高擋浪板，防止海水侵蝕，圖3 為岸電插座箱安裝實(shí)景圖。

圖3 岸電插座箱安裝實(shí)景圖

6 岸電系統(tǒng)連船介紹

根據(jù)《碼頭船舶岸電設(shè)施檢測技術(shù)規(guī)范》（JTS 155—1—2019）的相關(guān)規(guī)定，該碼頭公司在岸電系統(tǒng)建設(shè)完成后委托中國船級(jí)社對(duì)岸電系統(tǒng)進(jìn)行了初次檢驗(yàn)和年度檢驗(yàn)，檢驗(yàn)內(nèi)容包括一般性檢查、電能質(zhì)量檢測、額定負(fù)載運(yùn)行試驗(yàn)以及過載運(yùn)行試驗(yàn)等，檢驗(yàn)結(jié)果合格。

船岸電網(wǎng)連接是通過電纜及輔助設(shè)備將岸基配電箱與船基配電箱相連[5]。連船正式運(yùn)行前需測試船、岸間的polt 回路是否連接正確，檢驗(yàn)船、岸間的保護(hù)性能，確保船舶岸電系統(tǒng)在用電過程中設(shè)備以及人員安全。測試分別在船側(cè)、岸側(cè)進(jìn)行，采用急停開關(guān)進(jìn)行分閘測試。

船舶岸電電源輸送到船上后，先送到船側(cè)主配電板并網(wǎng)開關(guān)上端。船方操作人員通過船側(cè)開關(guān)柜檢查確認(rèn)岸電電源的相序、電壓、頻率是否滿足船上電源要求。如相序反，可通過變頻電源調(diào)整電壓、頻率偏差。確認(rèn)船上的岸電電源正常后可進(jìn)行下一步操作。碼頭作業(yè)方應(yīng)與船方人員保持良好溝通，在船上岸電高壓進(jìn)線開關(guān)合閘帶降壓變壓器之后且未并網(wǎng)帶負(fù)載前，按泊位切換柜勵(lì)磁涌流旁路開關(guān)合閘按鈕，把輸出限流電阻旁路后方可允許船方帶負(fù)載。

7 結(jié)語

該碼頭公司船舶岸電系統(tǒng)建成后，經(jīng)過一段時(shí)間的使用，整體運(yùn)行效果較好。建議碼頭作業(yè)方加大與船方的溝通，繼續(xù)組織操作人員進(jìn)行專項(xiàng)培訓(xùn)，做好岸電系統(tǒng)的使用及維護(hù)工作。相關(guān)職能部門應(yīng)出臺(tái)相關(guān)政策，進(jìn)一步提高岸電系統(tǒng)的覆蓋面及使用頻率，以更好地支持綠色港口建設(shè)。