盐城大丰港船舶岸电系统实施方案及相关问题分析

周红勇，周 耀（.国网盐城供电公司，江苏 盐城 4005；.江苏安方电力科技有限公司，江苏 泰州 5300）

盐城大丰港船舶岸电系统实施方案及相关问题分析

周红勇1，周 耀2
（1.国网盐城供电公司，江苏 盐城 224005；2.江苏安方电力科技有限公司，江苏 泰州 225300）

现在越来越多的港口可以实现船舶停靠期间关闭自身的柴油发动机，而由提供可靠清洁的高压岸电系统进行连接。介绍了船舶岸电系统供电技术在国内的应用情况，江苏大丰港船舶岸电系统的电气结构及总体设计方案关键技术，并对船岸同期并网以及安全联锁等控制方式进行了分析。

河港；高压船舶岸电系统；同期并网；安全联锁

近年来，港口建设的步伐越来越快，船舶停靠码头的数量和密度大幅增加，燃油消耗造成大量废气和颗粒物排放，船舶岸电系统（Alternative marine power（AMP）system）作为一种可以有效减少港口污染物排放的技术，不仅是各港口可持续发展的重要举措，也是构建绿色低碳港区、协调港口与城市发展的战略部署，具有重大的社会效益和经济效益。

船舶岸电系统供电技术是指船舶靠港期间，停止使用船舶发电机，改用港口电网电源供电，港口提供岸电电源的电压、频率、功率等能够满足船舶停泊后所必需的全部电力设施用电需求。

1 国内应用情况

我国随着经济的发展，海上运输业越来越繁忙，船舶能耗对我国的污染也越来越引起人们的重视，岸电上船技术逐步得到推广应用。我国的一些港口也开始在岸电电源方面进行有意义的探索，并取得一定的经验和经济效益。

2009年，青岛港招商局首先完成了5 000 t级支线集装箱船舶接岸电的改造任务，以低压岸电上船进行了试用。2010年上海港务集团与中国海运集团在上海港外高桥港区对低压船舶岸基供电设施进行了试验。深圳蛇口集装箱码头有限公司也在交通运输部的支持下开始实施船舶岸电上船项目。

2010年10月24日，江苏连云港采用高压岸电上船方式的岸电供电方式，在“中韩之星”客货两用船上（滚装码头）实施并成功应用。由于采用高压岸电上船方式，获得节能减排岸电专项奖励，并被确定为部级港口绿色技术。紧接着连云港港又与河北远洋公司的18万t级的“富强中国”号船舶合作开发和研制第二套船舶岸基供电系统。2011年9月24日在连云港港接驳岸电成功，这套系统仍然是采用高压岸电上船方式。

上海港在集装箱码头采用低压上船方式研制出一套移动式的岸基供电方式后，目前也在研制高压上船的供电方式。广州港集团公司在岸基供电方面也在积极筹备，计划在新沙三期开展船舶岸基供电技术的应用。

相比较国外的其它港口岸电上船发展应用情况，我国的岸电上船工作起步相对较晚。但是伴随着我国经济迅速发展，交通运输部政策的大力扶持，岸电上船在我国港口的应用空间比较大，必将全面展开。

2 总体方案

盐城大丰港区一期粮食码头后方主变电所已考虑增设岸电系统设施的容量余量，主变电所输出10 kV/50 Hz高压电源进入岸电系统，该岸电系统主要由10 kV电源单元、高压变频电源单元（含滤波单元）及6.6 kV出线单元组成，其中10 kV电源单元具有计量与保护功能。10 kV/50 Hz电源经过高压变频电源及滤波装置，输出为6.6 kV/60 Hz电源，送至高压岸电箱。同时，出线单元下端增加一台6.6 kV/0.44 kV、60 Hz、630 kVA的降压变压器，0.44 kV/60 Hz电源输出至码头前沿低压岸电箱系统流程如图1。其系统构成部分与原理如下。

（1）10 kV电源开关柜：10 kV/50 Hz电源先进入配电房内的高压开关柜，由高压开关柜控制高压通断。同时10 kV高压开关柜配有计量装置，实现系统用电的实时计量。

（2）移相变压器：移相变压器是绝缘等级为H级的干式变压器，在变压器中，具有相同标号的副边绕组相位一致，标号不同的副边绕组之间则具有一定的相位差，这样就可以消除电网中因功率单元内电力电子器件工作而产生的谐波电流，使输入电压、电流的总谐波含量（THD）远小于国家标准的要求，并且能保持接近1的输入功率因数，极大提高了网侧电源的供电质量。实测的高压变频电源装置输入电压波形和电流波形如图2、图3所示。

图1 电源输出至码头前沿低压岸电箱系统流程

图2 高压变频电源装置输入电压波形

图3 高压变频电源装置输入电流波形

（3）功率单元柜：电网电压经过二次侧隔离变压器移相降压后向功率单元供电，功率单元为三相输入、单相输出的交—直—交PWM电源型逆变器结构。将相邻功率单元的输出端串接起来，形成Y型结构，实现变压变频的高压直接输出，供给三相负载。各功率单元分别由输入变压器的一组二次绕组供电，功率单元之间及变压器二次绕组间相互绝缘。此技术优点是每个变频功率单元比较稳定可靠，功率单元的串联个数决定变频电源的输出电压。输入功率单元由18个独立的功率单元组成，各单元之间具有互换性，便于维修更换，可以在短时间内进行维护，每一个功率单元都由主控制系统统一控制，保证输出完整的正弦波。图4为功率单元原理图。

图4 功率单元原理图

（4）智能控制柜：内置主控系统，用来控制每个功率单元的输出，以保证电源的质量。控制系统人机界面友好，电网运行管理员可简单、方便地操作。主回路开关量信号引至柜内专门的端子上，便于上传中心集控动态模拟屏显示。控制器由32位高速数字信号处理器（DSP）、专用大规模集成电路、触摸屏和可编程逻辑控制（PLC）共同组成。DSP实现无速度传感器矢量控制相关的算法，专用大规模集成电路实现多电平PWM控制，触摸屏实现高压变频器和用户的交换。控制器和功率单元之间采用高速光纤通信，控制部分和高压部分电气上完全隔离，系统具有极高的安全性和抗干扰能力。

（5）滤波柜：变频器额定输出电压6 600 V，额定输出电流140 A，输出频率50/60 Hz；每相6个单元串联，每个功率单元开关频率为50 Hz。滤波柜设计考虑：①输出接有变压器，可以采用LC拓扑的滤波器，省掉一个电抗器；②因频率含量固定且谐波频率与基波频率相差很大，可以省略阻尼电阻，以简化结构设计和热设计；③电容中心点接地，可以抑制共模分量。

（6）岸电箱：岸电箱是岸电系统末端配电装置，担当供电与船岸信号连接的任务。箱内装有快接电缆插座，与船舶电缆连接简单、快捷、可靠，仅需一人即可完成船岸连接的操作。该岸电专用插座、插头通过信号接触插芯来实现电气互锁，在连接和断开的实际操作过程中，信号接触插芯是最晚连接也是最早断开的。在信号接触插芯电路未接通的情况下，变频电源的输出开关柜不能合闸或在合闸位置自动断开，这样就确保了电气连接的安全。由于岸电箱安装在码头前沿，其外形设计紧凑，防护等级较高。

（7）电缆卷筒：电缆卷筒装置用于连接船舶和岸电箱。其中，电缆为特殊定制的含信号传输的卷车专用柔性电缆，电缆岸电连接侧装有与岸电箱插座相匹配的快速插头。考虑到码头潮位落差变化和海风大浪引起的船舶摇摆，电缆卷筒装置还具备检测电缆张力并根据张力自动排缆功能，确保岸电系统供电期间，船舶波动起伏情况下仍可以安全供电。

3 关键技术

3.1 变频高压供电技术

采用段元串联多电平技术，属于直接高压电压源型变频调速装置，直接高压输入，不需输出变压器。大丰港岸电电源由18个功率单元组成，每6个功率单元串联构成一相，三相构成Y型，直接输出6.6 kV电源。原理结构图5。

图5 段元串联多电平技术原理图

3.2 双频供电技术

利用50 Hz港口交流电网对靠港船舶进行岸电供电，实现大功率50 Hz/60 Hz岸电变频供电，额定输出频率可以变频调节，实现50 Hz或60 Hz切换。

3.3 稳频稳压技术

通过对变频器应用宏的编程，使普通变频器具有变频电源的使用功能，如：电压调节功能，电源的输出电压不会因为负载的增大而下降。而且在一定范围内，输出电压和频率都可以独立调整。

3.4 抗电网波动技术

变频电源按照我国的电网情况进行特殊设计，大幅度提高了其抗电网波动的能力，做到电压波动在±10%以内时，变频器可以维持满额输出。电网电压降落在-35%以内时，变频器都短时降额运行，若电网电压低于65%额定电压时欠压保护。20 s内电网恢复正常，则重新按照设定的参数，自行启动，复到原来的工作状态。

3.5 岸电快速、安全连接技术

采用快速接头实现大功率电力的快速连接；设计恒张力专用电缆卷筒实现电缆的快速安全连接，并实现供电期间，船舶波动起伏情况下的安全供电。

3.6 功率单元自动旁路技术

为提高运行可靠性和安全性，变频电源具有内部功率模块旁路功能，当任意某个功率单元故障时或控制元件损坏的情况下，能保证变频电源不停机且连续稳定运行，详细的功能如下：运行过程中如功率模块发生故障，变频电源采用中心点自动偏移技术，为保证三相输出电压平衡，自动调整中性点位置，如图6所示。当将一个故障模块单元旁路后系统降额至额定的93%继续运行。2个单元旁路80%降额运行。从而，有效提高模块故障情况下的系统载荷，最大限度的降低因功率单元故障给生产带来的不利影响。

图6 功率单元自动旁路技术模块

3.7 船岸自动并车技术

变频电源具备精准的锁相技术，变频电源可以精确识别船舶电源幅值、频率、相位等参数，并且准确发出并网指令，自动切断船电，实现岸电船电无扰动并车。

4 变频电源自动并车条件及分析

为了保证船舶接用岸电过程中不停电，大丰港船舶岸电系统配备了自动并车功能。

4.1 船舶岸电并网条件

岸电并网是船舶发电机与岸电电源之间的同期并联，其并联的首要条件之一就是相序一致。

同期并列前的断路器两侧的电压分别为：

发电机侧电压

岸电电源侧电压

式中：UGm为发电机侧电压最大值；USm为岸电电源侧电压最大值；ωG为发电机电压角速度；ωS为岸电电源电压角速度；ΦG为发电机电压初相角；ΦS为岸电电源电压初相角。

发电机与岸电电源的电压相量差Ud为

Φ是发电机侧电压与岸电电源侧电压的当前相角差值。在船电与岸电的合闸时刻，要尽量保持它们之间没有瞬时电压差，即Ud=0，此时没有冲击电流产生，是最理想的并车合闸时刻。从公式（3）可知，瞬时电压差主要取决于合闸时船电与岸电之间的瞬时电压差、频率差以及相角差，从而可以得到理想情况下准同期并联操作实现船电与岸电电源准同步方式必须满足以下4个条件：①待并网船舶发电机的电力相序必须与岸电电源的相序保持一致；②待并网船舶发电机电压与岸电电源的电压幅值相等；③待并网船舶发电机频率与岸电电源的频率相等；④待并网船舶发电机相角与岸电电源的相角一致。

在实际的同步并车操作过程中，船舶发电机的相序可以保证与岸电电源完全一致，其余的2个条件电压差、频率差和相角差应小于某一个设定值，从而使合闸冲击电流处于系统可以承受的范围。

4.2 并网条件分析

同步并网避免了在合闸的过程中产生巨大的冲击电流，对电网、发电机以及船上的用电设备具有重要意义，能够保持系统的稳定运行。下面对准同步并网方式岸电电源并网条件进行分析。

（1）相序是指交流电的瞬时值从负值向正值变化经过零值的依次顺序，其也表现为发电机和电网三相电压达到最大值的顺序。发电机和电网的相序不同时进行并网是非常严重的情况，会使发电机受到严重的损伤。在进行岸电与船电的并网之前必须首先检查其相序是否一致。如果出现相序接错或者缺相供电，船上的所有电动机可能会出现逆转或者缺相运行，导致船舶上电力拖动装置的电气或者机械受损。

（2）假设船电和岸电的频率、相位均相等的情况下，船电和岸电的电压幅值不相等。如图7为船舶使用岸电时的电路等效图，此时船舶使用发电机所产生的电力，断路器QF1导通，QF2断开。在断路器QF2两端的电压幅值不相等时，UG与US不相等，此时如果进行强行并车，断路器Q合闸的瞬间必然后产生一个电压差Ud。公式（3）可以简化为

假设发电机的绕组暂态电抗Xd，线路的电抗为Xl，岸电电源系统的等值阻抗为XS，且假设US＞UG，则其产生的冲击电流的有效值Iip为

仅当电压不相等，即UG与US不相等使船电与岸电同步并车，在岸电电源与船舶发电机之间冲击电流Iip。由于环流的回路主要是感抗，所以Iip滞后Ud约90°，是一个无功电流，且其方向与船舶发电机本身的电流方向相反。无功冲击电流会产生一个电动力，当冲击电流过大时，就可能使船舶发电机的绕组端部变形损坏。

（3）假设船电和岸电的电压幅值、频率相等，相位不等，UG=US，fG=fS。在合闸的瞬间，船电和岸电之间存在一个相角差Φ，此时电压相量如图8。

当相角差不为0时，公式（3）进行简化后可以得到

此时，由于fG=fS，所以ωG-ωS=0，相角差ΔΦ= ΦG-ΦS，则式（6）可以简化为

图7 船电与岸电连接时电路等效图及电压差分析

图8 相角不相等时的电压相量图

则此时的冲击电流为

由图7可知，假设船舶电压的相角超前岸电电源Φ，在并车合闸时会产生一个电压差Ud，同样的会产生一个冲击电流Iip，冲击电流Iip的滞后Ud约90°，其可以分解为一个无功电流Iipq和一个有功电流Iip。从图7中可知，其有功电流占绝大部分。Iipq与发电机电流方向一致，有功电流Iip使船舶发电机产生有功功率，从而使发电机的转速降低，最终使船电和岸电相位同步进入并联运行。当Φ=0°时，冲击电流为0，当功Φ=180°时，冲击电流最大，此时是不能进行同步并网的。过大的相角差可能会产生较大幅度的相对摆动，甚至使船舶发电机发生失步，发电机组的转子发生扭转。准同步并车一般要限制在±10°左右。

（4）假设船舶和岸电的电压相等，初始相角一样，频率不相等。即

UG=US，ΦG=ΦS其频率差为 fd=fS-fG，即角速度差ωd=ωS-ωG。则经过t时刻后船电与岸电之间的电压相角差为：φ=ωdt，这种状态与相角差不为0时同步的状况相似。图9为频率不相等时的电压相量图。

图9 频率不相等时的电压相量图

在此时，公式（3）根据条件可化简为

通过上述分析，理论上岸电电源与船舶电源同步应该使双方的相序、电压、相位、频率严格相等。但是在实际的并车操作过程中，相序必须保持一致：岸电与船电电压差一般要求不大于±5%～± 10%；频率差一般要求不大于±0.2～±0.5 Hz；相角差一般小于±10°。

5 经济效益分析

船舶使用岸电，将成为绿色生态型港口发展的趋势。对到港船舶实施岸电技术防治污染的可行性，已经被国内外的专家学者所论证，甚至已经被一些国家和地区先行使用。推广岸电技术，对节能减排、绿色经济和环境治理，有着重大经济效益和社会效益。

本项目的经济效益主要体现在船方用岸电后节约的发电费用。船舶的自备发电机发电效率较低，并且随着近年来国际原油价格不断攀升，船舶自带发电机发电成本日益高昂。以港口电网供电代替传统的自备燃油机发电机供电，一是节约船舶靠港供电的成本，二是可以直接节省船舶自身发电设施的维护费用。随着国家多项鼓励节能政策的实施，岸电应用的经济效益将会越来越明显。

根据大丰港提供的一期码头船舶资料，船舶靠港停泊的年用电量合计为183.801 6万kWh。相较原燃油辅机发电的运行方式节约运行成本约231.59万元。

6 社会效益分析

（1）建设绿色循环低碳港口的重要举措

港口岸电的建设将进一步提高大丰航线的开发、合作及交流优势，极大地支持大丰市低碳城市经济的发展，更好的为江苏发展需要服务。

（2）提高城市环境质量，节能减排环保效益突出

例如：4250TEU集装箱船停港期间平均功率消耗为1 000 kW。泊位利用率按照交通部的《港口工程技术规范》确定取值范围，取折衷值0.58，全年停靠船舶212天，折成小时为5 088 h，船舶用电量508.8万kWh。

（3）抵御国际油价的波动

相比船舶的自备发电机，专业电厂机组的发电效率较高，排放处理更加专业高效。从船舶业主的角度来看，国际原油价格的不断攀升也造成了靠港船舶使用燃油发电成本不断升高，使用岸电技术，也会降低船舶靠港的运营成本。

（4）改善港口工人的工作环境

靠港期间船舶柴油发电机产生的巨大噪声因港口岸电技术消失不见，相关系统可大大减轻船员工作量，船舶无震动无噪音，船员生活质量得到提高的同时，设备使用寿命也得到有效延长。此外，港口工人的工作环境也得到很大的改善，在一定程度上体现了“以人为本”的理念。

7 结束语

船舶岸电系统的研制与应用是一项复杂的系统工程，集变频、配电、保护、监控、船舶改造于一体，其节能减排效益已倍受国际国内环境组织和政府部门的关注，船舶靠泊码头时使用岸电必将是未来发展的趋势。大丰港船舶岸电系统的成功投运将为船舶岸电系统的推广应用提供一个有效的案例参考。

［l］ 夏国明.供配电技术［M］.第二版.北京：中国电力出版社，2007.

［2］ 庞科旺.船舶电力系统设计［M］.北京：机械工业出版社，2010.

［3］ 张一禾.我国现阶段船舶利用岸电问题探讨［J］.中国水运，2010（9）：22-23.

［4］ 包起帆，江霞.上海港岸基船用供电系统研究与实践［J］.水运工程，2010（5）：11-16.

（本栏责任编辑 孙 晶）

Yancheng dafeng port marine shore power system implementation plan and related problem analysis

ZHOU Hong⁃yong1，ZHOU Yao2
（1.State Grid Yancheng Power Supply Company，Yancheng 224005，China；2.Jiangsu Anfang Electric Power Technology Co.，Ltd.，Taizhou 225300，China）

Now more and more ports can realize ship docked closed during their diesel engines，and provide reliable clean high voltage shore power system connection.The article mainly introduces the power supply system of shore power system technology in domestic application situation，yancheng dafeng port marine shore power system electrical structure，and overall design scheme of key technology.The article analyzes the grid connected ship and safety interlock control mode.

river port；High pressure vessel shore power system；At the same time grid；Safety interlock

2016-03-01

F407.61；TK018

B

10.3969/j.issn.1009-1831.2016.04.008