岸基变频电源系统的主要技术分析

崔 晓，柳贵东，熊 宇，曾贵娥

（广东白云学院，广东 广州 510450）

0 引 言

船舶驶入港口码头泊位后，需要利用岸上电网及时为船舶供电。岸电接入之后，与船舶电网实现并行并网运行，可以直接将船舶用电负载转移到岸电电源，能有效减少船用柴油发电机使用频率，既能降低环境污染，又能节省发电成本。由此来看，船舶岸电变频电源系统控制非常关键。目前，世界上绝大多数港口都以低压供电为主，而低压供电系统需要9根以上低压电缆相连接，整个系统接线复杂、电线距离过长，严重增加无功功率损耗。使用高压供电的方式只需要使用少量高压电缆，接线非常简单快速，线路损耗较小。但高压供电应用存在安装船用简易变电站、自动控制并网、大功率变频变压等问题，使得岸基变频电源供电不稳。对此，积极针对岸基变频电源系统控制进行深入分析，运用VF分离控制、三相独立控制、双向同步并网控制等关键技术，明确船舶岸电系统的设计方案，确保港口岸基变频电源系统运行更加稳定。

1 船舶岸电系统设计

船舶岸电系统主要包括岸基供电设备、接口装置、受电设备，为了确保采用高压变频的设计方案，在岸电设备选择上应以固定式结构为主，电源容量保持在2 000 kV，电源采用10 kV/50 Hz输入，为停靠船舶提供稳定电源。整个岸基变频电源系统能实现高压线高压供电、低压线低压供电，避免高压低压相互干扰，满足不同船舶供电系统的实际要求[1]，在不增加电力设备的基础上提高岸电电源的综合应用范围，具有较大的灵活性。岸基高压变频电源系统设计应保证所有电源和频率设计严格按照《船舶电力系统等级》进行，确保整个系统投入和退出稳定可靠；供电系统运行期间，要确保岸电系统的质量与国家规定保持一致，岸电变频电源装置实现同步切换，增强自我保护能力和稳定的信号传输能力，还要有一定的设计冗余度。岸电控制系统需要对整个岸电系统的运行状况进行及时的监控和远程操作，确保未来智慧港口顺利建设。

VFPS系列海岸电力系统采用“单元系列多级”“高—高”直接输入输出模式的拓扑结构（见图1），并通过相移多级技术减少输入端谐波，减少对电网的谐波污染。相位输出电压通过SPWM波形调制和叠加由多个电源装置形成，减少输出电压谐波成分和输出电压DV/DT变化率。VFPS系列海岸电力系统采用电力设备的串行连接形式，电压叠加原理与“电池堆栈叠加”技术相似。需要6.6 kV输出时，6个电源设备串联连接到每个相位，每个电源设备输出的有效交流值为634 V，相位电压为3 810 V，线路电压为6 600 V。每个设备最多可输出690 V，系统最多可输出7 170 V。VFPS系列陆地电源系统由18个电源设备组成，每个电源设备串联连接，形成相位。相位转换变压器的输入端为36脉冲整流器，输出线电压完全调制到25级，输出端为3相，形成Y型连接，直接为船舶系统供电。VFPS系列陆地电源控制器采用DSP+ARM+FPGA模型，采用多数字微处理器的配置。每个芯片都采用最先进的配置。DSP频率为150 m，特殊电机控制芯片为150 m。FPGA强大的数据处理能力和丰富的接口功能，保证了主控机与各单元之间的通信，并保证了故障反馈高可靠性和计算快速，与将单片机作为核心设备组成的主控制系统相比具有明显的优势。控制系统是逆变器的核心控制装置，不仅能调整所有动力装置的工作，而且能实现负荷和陆上电力系统本身的各种保护功能，还能通过用户控制系统实现开关和模拟数量。控制系统和电源之间使用高速光纤通信，确保控制系统和高压电源之间完全电气绝缘，系统具有极高的安全性和抗干扰能力。主控制系统主要由主控制板、外部接口和部分检测电路组成。其中，主控制板由主控制电路、监控电路、液晶人机接口通信接口、电压和电流检测电路以及光纤通信电路组成。

图1 高—高变频系统拓扑图

2 VF分离控制技术

变频电源负载需要满足不同电动机的类型，利用VF分离控制技术可以输出不同的电压和频率，增强船舶用电的适用性。还能根据实际工况按照比例调节，串联多个电平叠加变频电源，利用高—高的变频设计方案，对无数个低压功率单元进行串联，增强电压的功率叠加输出能力。整个电网电压由许多逆向变压器加压后输出给功率单元[2]。功率单元包括三相输入单相输出的逆变器，可以实现交直交、PWM转换、串联功率。在输入和输出端直接形成外形结构，确保电压频率能实现快速调节，而变压器二次绕组则采用绝缘形式，增强变频系统设计的稳定性与可靠性。不同功率单元的整体结构和形式基本一致，能实现互换共用。三相低压电源的输入端全部接入全波整流桥，能直接将低压交流转变为直流。采用电解电容充放电功能与IGBT共同组合成H型逆变桥电路，实现快速逆变。根据高速率光纤基本功能单元，还能对控制信号进行及时接收，对IGBT A、B、C、D不同模块进行快速导通与关断，整个功率单元具有多样化的电压输出环境，能根据实际电压频率进行准确调节。每一个功率单元中的电压等级，都直接决定变频电源的输出电压，但与传统意义上直接串联的高压输出形式不同，不存在器件均压问题，可以有效避免器件被击穿，增强整个变频系统的安全性与稳定性。变频电源独立的功能单元共同串联输出的电压由每一个功率单元的电压等级和串联数量共同决定，船舶电气负载均为电动机类型时，可以根据实际工况对电压和频率进行相应的调节，保证单独控制电压和频率[3]。

3 船岸同步双向并网技术

进行岸基变频电源系统设计时，岸基电源与船舶电力系统并网是非常关键的内容。陆电网与船电网并车需要在电网接入岸电网以后，对传统电网的电力电压相位频率进行适当调整，与岸电网相关参数保持一致。系统联网后，柴油机必须停止运转。船舶准备离岸要及时开启船用发电机，对电压频率和相位进行调整，保证与岸电电源参数一致，岸基电源停止供电，岸基电源电压和频率必须按照船舶电力系统的等级进行设置[4]。实际操作时，需要对探测输出开关柜与网柜采集的岸电电压信号保持同步，对岸电电压相位和频率进行分析。变频器输出电流不断提高，机电流在逐渐下降，最后整个船上系统信号切换完成，自动切除辅机，确保船岸快速并车，整个运行过程并不会产生干扰信号[5]。

4 三相独立控制稳压技术

变频电源自身特性与变频器电机负载特性具有显著差异，三相负载的分配也存在其独特的特点。进行三相独立控制系统设计时，要保证三相均为独立控制，要减少三相阻抗相互干扰的问题，将采样输出电压作为负反馈闭环控制，保证电压供给质量。三相独立控制最终目标是保证每一相输出电压的幅值和相位保持稳定，运用双闭环的控制方式，以顺时针作为实际控制对象，将输出滤波杂质去除，有效减少不必要干扰。在电容电流内部形成反馈量，提高整个逆变器闭环控制效果。控制器结构设计非常简单，不容易失真，动态响应速度非常快。在双闭环控制结构中，由于控制对象可以直接将瞬时输出电压作为外环反馈，保证并网逆变器直流侧电压稳定。内环反馈器主要运用滤波电容电流，能实现瞬时控制，还可以对输出电压电容电流微分环节快速校正，整个电源三相独立控制系统负载能力更强、动态响应速度非常快、静态误差比较小[6]。

应用双向同步并网技术时，岸基电源与船舶电网的运行控制与岸电离网和岸电并网分为两个部分，在岸电并网和离网过程中，可以对船舶电网进行及时调度。船舶进港后，船用能量管理系统自动调节岸电逆变器的输出电压频率和幅值，与船用电力系统保持一致，经同步处理后，负荷转移率在85%以上，船用辅机停网运行后由岸电供电，当船用逆变器离开时，首先启动船用逆变器，当岸电电压频率与相位岸电一致时，岸电解列网由船用发动机供电。

5 结 论

变频电源系统对港口运输系统运行影响极大，能为船舶生产、生活提供必备能源，还可以有效减少环境污染，节约供电成本。目前，岸电以低压供电系统为主，供电速率慢，而且存在许多问题，必须积极针对大功率负载条件下非变频岸基电源系统进行高压控制。运用VF分离控制技术、船岸同步双向并网技术及三相独立技术，确保岸基变频电源系统实现自动化控制，为建设智慧型港口自动化港口提供重要技术支持。