干液貨發(fā)送裝置無功功率補(bǔ)償

黃家田，林雄偉，張 楠，張 健

（1. 北部戰(zhàn)區(qū)海軍保障部，山東青島 266001；2. 上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

干液貨發(fā)送裝置作為海上航行過程中兩船之間傳輸干貨、液貨的重要裝備，為遠(yuǎn)海航行船舶提供了高效的續(xù)航保障。干貨、液貨發(fā)送裝置的裝機(jī)容量大，尤其在兩舷的站位同時(shí)補(bǔ)給運(yùn)行時(shí)，部分電機(jī)處于空載運(yùn)行狀態(tài)，導(dǎo)致功率因數(shù)降低，以至于影響到船舶電網(wǎng)的品質(zhì)及用電設(shè)備的正常運(yùn)行，降低了變電、輸電設(shè)備的能力[1]。當(dāng)負(fù)載側(cè)功率因數(shù)較低時(shí)，船舶發(fā)電機(jī)受額定電壓和額定電流的限制。因此，船舶電站是船舶的主要?jiǎng)恿υ矗谴半娏ο到y(tǒng)的核心，對干液貨發(fā)送裝置的電網(wǎng)進(jìn)行無功功率補(bǔ)償、改善船舶電網(wǎng)品質(zhì) 尤為重要[2]。

1 干液貨發(fā)送裝置運(yùn)行現(xiàn)狀

液貨發(fā)送包含以下工況：啟動液壓動力單元、架索、燃油輸送和收索。

1）啟動液壓動力單元階段。跨索、內(nèi)鞍座索、中鞍座索、外鞍座索的電機(jī)啟動后，均處于空載工況。

2）架索階段。跨索、內(nèi)鞍座索、中鞍座索、外鞍座索的電機(jī)依次緩慢放出鋼索，放出鋼索的電機(jī)為帶載工況，未放出鋼索的其它電機(jī)仍處于空載工況。

3）燃油輸送階段。跨索、內(nèi)鞍座索、中鞍座索電機(jī)處于空載工況，外鞍座可能隨船距進(jìn)行收放，收放時(shí)的外鞍座電機(jī)處于帶載工況，未收放時(shí)的外鞍座電機(jī)仍處于空載工況。跨索絞車會根據(jù)船舶運(yùn)動情況自動進(jìn)行兩級補(bǔ)償，兩級補(bǔ)償期間高架索絞車電機(jī)為帶載工況。

4）收索階段。跨索、內(nèi)鞍座索、中鞍座索、外鞍座索依次緩慢收回鋼索，回收鋼索的電機(jī)為帶載工況，未放出鋼索的其它電機(jī)仍處于空載工況。

干貨發(fā)送裝置包含以下工況：啟動液壓動力單元、架索、干貨輸送和收索。

1）在啟動液壓動力單元階段。高架索、內(nèi)牽索、外牽索、升降裝置的電機(jī)啟動后，均處于空載工況。

2）在架索階段。高架索絞車、外牽索絞車依次緩慢放出鋼絲繩，其余泵則處于空載狀態(tài)。

3）干貨傳輸階段。各索道處于張緊狀態(tài)。貨物在補(bǔ)給船升降時(shí)，升降裝置電機(jī)帶載輸出；貨物傳送時(shí)，內(nèi)牽索絞車電機(jī)帶載輸出，外牽索處于恒張力狀態(tài)；補(bǔ)償船舶運(yùn)動時(shí)，電機(jī)帶載輸出，高架索絞車會根據(jù)船舶運(yùn)動情況自動進(jìn)行兩級補(bǔ)償，兩級補(bǔ)償期間高架索絞車電機(jī)為帶載工況。

4）回收高架索階段。主要為高架索絞車慢速收回鋼絲繩。在整個(gè)補(bǔ)給過程中，高架索絞車自動進(jìn)行二次補(bǔ)償，4 個(gè)主泵均處于輕載貨空載運(yùn)行，導(dǎo)致功率因數(shù)較低。

通過分析補(bǔ)給工況得出，補(bǔ)給裝置的電機(jī)除架索和收索外，基本處于空載或輕載工況。由于電機(jī)在空載條件下的功率因數(shù)約為0.3～0.4，補(bǔ)給工況的特殊性便決定了補(bǔ)給裝置運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)。

2 提高功率因數(shù)的可行性分析

無功功率補(bǔ)償主要有以下2 種方法：傳統(tǒng)純電容無功補(bǔ)償法和動態(tài)無功補(bǔ)償法。

傳統(tǒng)純電容無功補(bǔ)償法是將電容器直接并聯(lián)到補(bǔ)給配電站的供電銅排上。補(bǔ)給作業(yè)的特殊工況決定了補(bǔ)給裝置的無功功率是動態(tài)隨機(jī)變化的。由于電容器補(bǔ)償?shù)臒o功功率是固定的，不能根據(jù)補(bǔ)給過程中負(fù)載的實(shí)時(shí)變化進(jìn)行無功動態(tài)補(bǔ)償，因而補(bǔ)償響應(yīng)速度慢，精度較低，穩(wěn)定性差，所以該方法是不建議使用的。

若采用電容器進(jìn)行無功補(bǔ)償則可能存在以下風(fēng)險(xiǎn)。

1）電容器是傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償裝置，但不能對無功負(fù)荷進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，與電網(wǎng)的需要不能完全保持一致，由此便會影響電壓質(zhì)量和電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)則會使電網(wǎng)崩潰。

2）電容器只能補(bǔ)償固定的無功功率，電容量會隨時(shí)間逐漸衰減，在電力系統(tǒng)中有諧波時(shí)，電容器會使得諧波放大，導(dǎo)致無功補(bǔ)償裝置有很高的并聯(lián)諧振風(fēng)險(xiǎn)。因此電容器燒毀甚至爆炸事故時(shí)有發(fā)生，電網(wǎng)也會頻繁出現(xiàn)空壓機(jī)、變頻器等設(shè)備模塊莫名擊穿、損壞的問題。

3）加入電容器可以進(jìn)行無功補(bǔ)償，但是只能補(bǔ)償固定的無功功率，由于橫補(bǔ)裝置的無功功率是動態(tài)變化的，電容器不能對無功功率進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，無法與船舶電網(wǎng)的無功功率補(bǔ)償需求完全保持一致，由此則會影響電網(wǎng)電壓質(zhì)量和電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，嚴(yán)重時(shí)還會使電網(wǎng)崩潰。

4）對于電容固定補(bǔ)償?shù)姆绞剑綦娋W(wǎng)無功容量不足，往往會造成負(fù)荷端的供電電壓過低，從而影響設(shè)備的正常使用。反之，若無功容量過剩，則會造成電網(wǎng)的運(yùn)行電壓過高、電壓波動率過大，也會造成不良影響。無功容量的計(jì)算需要綜合考慮全船的電力系統(tǒng)，僅針對補(bǔ)給設(shè)備端的無功計(jì)算結(jié)果并不準(zhǔn)確。

5）電容器的自然老化和運(yùn)行中過電流、過電壓、諧波、鹽霧及環(huán)境溫度過高等常造成電容器內(nèi)部元件的損壞。如不能將故障電容器從電網(wǎng)上切除，故障電容器將會因絕緣而發(fā)生短路。電容器內(nèi)部短路后，由于電弧產(chǎn)生的大量熱能會使絕緣油分解，產(chǎn)生大量氣體，使得殼箱內(nèi)的壓力增大，嚴(yán)重時(shí)還會引起劇烈爆炸，造成設(shè)備損壞及人員傷亡，甚至發(fā)生火災(zāi)、電網(wǎng)停電等惡性事故，大大威脅了船舶電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

6）電網(wǎng)中諧波含量過大易造成電容器的損耗或過早損壞，由于電容器諧波的放大作用會加重諧波干擾，進(jìn)而影響整船供電電源的品質(zhì)。

7）無功補(bǔ)償電容柜體積空間較大，發(fā)熱量大，需要專門的空調(diào)管道對其進(jìn)行冷卻通風(fēng)散熱。

8）艙室內(nèi)含有空氣瓶，因而周圍禁止放置易燃易爆品；無功補(bǔ)償電容柜內(nèi)如果發(fā)生爆炸甚至火災(zāi)，后果會極其危險(xiǎn)，對船舶甚至人身安全造成極大的危害。

9）采用電容補(bǔ)償?shù)姆绞剑瑩?jù)初步估算占地空間 ， 每 個(gè) 液 貨 站 共 需 2 面 約 為2 000 mm×800 mm×600 mm（高×寬×深）的電容補(bǔ)償柜； 每個(gè)干貨站共需 3 面約為2 000 mm×8 0 0 m m×600 mm（高×寬×深）的電容補(bǔ)償柜，且重量較重。

10）電容補(bǔ)償柜內(nèi)的電容補(bǔ)償器發(fā)熱量大，需考慮足夠的通風(fēng)方式，但矛盾的是這會導(dǎo)致柜體泄露的電磁輻射量過大，從而影響船舶其他電子設(shè)備的正常運(yùn)行。

先進(jìn)的動態(tài)無功補(bǔ)償方案，可根據(jù)補(bǔ)給裝置的負(fù)荷變化有效調(diào)節(jié)功率因數(shù)，且效果較好。

如需將功率因數(shù)提高至0.8，則應(yīng)保證電站的輸出功率因數(shù)大于0.8，需在每個(gè)干液貨發(fā)送裝置站分別增加1 套無功補(bǔ)償裝置，共需4 套無功功率補(bǔ)償裝置，安裝在電站配電板和補(bǔ)給裝置之間（泵艙內(nèi)），并連接到補(bǔ)給裝置配電柜。初步計(jì)算分析，每個(gè)液貨、干貨補(bǔ)給站各需動態(tài)無功補(bǔ)償裝 置 柜 體 的 尺 寸 約 為2 000 mm×800 mm×600 mm，同時(shí)需考慮通風(fēng)、散熱、電磁兼容和環(huán)境溫度的問題。

如果考慮加動態(tài)無功補(bǔ)償裝置，因市場上設(shè)備的電磁兼容性、可靠性無法保證，設(shè)備電磁輻射嚴(yán)重，無功補(bǔ)償裝置會對干液貨發(fā)送裝置電控系統(tǒng)造成電磁干擾，從而影響控制柜內(nèi)電子元器件的正常工作，使補(bǔ)給裝置無法正常工作；同時(shí)也可能造成對船舶電網(wǎng)的諧波污染，進(jìn)而影響到船舶其它設(shè)備使用的電源品質(zhì)。具體情況需要立項(xiàng)進(jìn)行科研分析與論證。動態(tài)無功裝置內(nèi)含有IGBT 等電子元器件，運(yùn)行環(huán)境溫度苛刻，工作范圍約為0℃～40℃，在運(yùn)行時(shí)，發(fā)熱量大，需考慮增加排風(fēng)設(shè)施。

無論補(bǔ)償裝置放置采用何種補(bǔ)償方式，其補(bǔ)償效果均有待驗(yàn)證。無功補(bǔ)償裝置柜發(fā)熱量大，電磁輻射較強(qiáng)，設(shè)備在船舶上的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性需進(jìn)一步驗(yàn)證。若采用不合理的無功補(bǔ)償裝置，則會造成整個(gè)船舶的電能質(zhì)量變差從而影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。當(dāng)電力補(bǔ)償電容器自然老化以及運(yùn)行中過電流、過電壓、諧波及環(huán)境溫度過高等原因，常造成電容器內(nèi)部元件的損壞。如不能將故障電容器從電網(wǎng)上切除，將會因絕緣而發(fā)生短路。電容器內(nèi)部短路后，電弧產(chǎn)生的大量熱能會使絕緣油分解，產(chǎn)生大量氣體。

3 解決方案

在干液貨發(fā)送裝置中，采用就近補(bǔ)償靜止無功發(fā)生器的方法，將電容器直接并聯(lián)到補(bǔ)給配電站的供電銅排上，可根據(jù)補(bǔ)給裝置的負(fù)荷變化有效調(diào)節(jié)功率因數(shù)。該補(bǔ)償方案的效果較好，電容器靠近液壓機(jī)組用電設(shè)備，就地平衡無功電流，可有效避免液壓機(jī)組在空載或輕載時(shí)的過補(bǔ)償。

干液貨發(fā)送裝置無功補(bǔ)償裝置通過提高液壓機(jī)組功率因數(shù)，減少無功功率流動來提高輸入端電壓、降低船上電網(wǎng)的損耗。根據(jù)各補(bǔ)給階段的負(fù)荷變化，進(jìn)行頻繁的投入或切除操作，而此投入或切除操作通過自動切換開關(guān)控制，能夠準(zhǔn)確、快速地實(shí)現(xiàn)無功功率補(bǔ)償。選用靜止無功發(fā)生器即靜止同步補(bǔ)償器是較為先進(jìn)的靜止無功補(bǔ)償裝置。裝置中可關(guān)斷晶閘管分別與二極管反向并聯(lián)，適當(dāng)控制晶閘管的通斷可以把電容器上的直流電壓轉(zhuǎn)變成為與電力系統(tǒng)電壓同步的三相交流電壓、裝置的交流側(cè)通過電抗器或變壓器并聯(lián)接入系統(tǒng)。適當(dāng)控制逆變器的輸出電壓可以靈活地改變靜止無功發(fā)生器的運(yùn)行工況，使其處于容性負(fù)荷、感性負(fù)荷或零負(fù)荷狀態(tài)。靜止無功發(fā)生器的響應(yīng)速度快、運(yùn)行范圍寬、諧波電流含量小，在電壓較低時(shí)靜止無功發(fā)生器仍可向系統(tǒng)注入較大的無功電流。其儲能元件如電容器的容量遠(yuǎn)比所提供的無功容量要小，將補(bǔ)給過程中的各補(bǔ)給站位功率因數(shù)提高至0.8。

3.1 補(bǔ)償位置

補(bǔ)給船上設(shè)備較多，若提高功率因數(shù)，無功補(bǔ)償位置可采用2 種方式，即集中式補(bǔ)償和分布式補(bǔ)償。

在大型船舶上，一般在主電站側(cè)進(jìn)行集中補(bǔ)償[3]。因此，補(bǔ)給船上設(shè)備較多，采用集中補(bǔ)償?shù)姆绞阶罴眩丛诎l(fā)電機(jī)側(cè)增加功率補(bǔ)償裝置，補(bǔ)償功率因數(shù)穩(wěn)定，造價(jià)低，占地空間少。采用分布式補(bǔ)償，即在補(bǔ)給設(shè)備側(cè)增加功率補(bǔ)償裝置，成本高，占地空間多。

3.2 實(shí)施方法

補(bǔ)給船舶有4 套干液貨發(fā)送裝置，每套分別增加1 套無功補(bǔ)償裝置，則共需4 套無功功率補(bǔ)償裝置安裝在電站配電板和補(bǔ)給裝置之間（泵艙內(nèi)），且并聯(lián)到補(bǔ)給裝置配電柜。將液貨站功率因數(shù)由0.34 提高至大于0.8，將干貨站功率因數(shù)由0.42 提高至大于0.8。

3.2.1 液貨發(fā)送站

1）目標(biāo)功率因數(shù)

第一臺發(fā)電機(jī)和第二臺發(fā)電機(jī)的供電功率因數(shù)均為0.76，將此數(shù)據(jù)作為目標(biāo)值。

2）液貨補(bǔ)給功率因數(shù)

啟動液壓循環(huán)泵的最低功率因數(shù)為0.33，將此數(shù)據(jù)作為初始值。

3）有功功率需求量

回收跨索動作為最大功率狀態(tài)49.2 kW，將此數(shù)據(jù)作為功率基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。另外，實(shí)際作業(yè)中還有可能出現(xiàn)短時(shí)極端工況，考慮安全翻倍裕量，即98.4 kW。

如果選擇300 A 電子無功補(bǔ)償設(shè)備，則尺寸為1 560 mm×582 mm×438 mm（高×寬×深）。通風(fēng)形式為下進(jìn)風(fēng)上出風(fēng)，需考慮在上端和下端分別預(yù)留200 mm 和220 mm 的散熱空間。

3.2.2 干貨發(fā)送站

1）目標(biāo)功率因數(shù)

第一臺發(fā)電機(jī)供電功率因數(shù)均為0.81，將此數(shù)據(jù)作為目標(biāo)值之一。第二臺發(fā)電機(jī)供電功率因數(shù)均為0.77，將此數(shù)據(jù)作為目標(biāo)值之二。

2）現(xiàn)在功率因數(shù)

其中啟動液壓循環(huán)動的最低功率因數(shù)為0.37，將此數(shù)據(jù)作為現(xiàn)在值。

3）有功功率需求量

回收高架索動作為最大功率狀態(tài)80.7 kW，將此數(shù)據(jù)作為功率基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。實(shí)際作業(yè)中有可能出現(xiàn)短時(shí)極端工況，考慮安全翻倍裕量，即161.4 kW。

由此可知，所需的無功補(bǔ)償功率為235 kVAR ～253 kVAR，換算為無功電流為39 A～365 A，則可以選擇360 A～400 A 的電子無功補(bǔ)償設(shè)備。若選擇360 A 電子無功補(bǔ)償設(shè)備，為300 A＋60 A 的并聯(lián)使用，其中300 A 的設(shè)備尺寸為1 560 mm×582 mm×438 mm。通風(fēng)形式為下進(jìn)風(fēng)上出風(fēng)，需考慮在上端和下端分別預(yù)留200 mm 和220 mm 的散熱空間。合計(jì)設(shè)備所需空間尺寸為1 980 mm×1 003 mm×438 mm。

4 解決方案對比

增加無功補(bǔ)償裝置的利處在于，可使功率因數(shù)由0.65～0.76 升至約0.8，在一定程度上降低了電能損耗，進(jìn)而節(jié)省了電能。然而，該裝置也易對現(xiàn)有船舶電網(wǎng)造成諧波污染、電壓波動等負(fù)面效果，影響其電源品質(zhì)，進(jìn)而干涉其他設(shè)備的正常運(yùn)行，補(bǔ)償效果難盡人意。很難滿足船型試驗(yàn)的要求，如電磁輻射、散熱、高低溫、沖擊、振動等。

基本無功功率的補(bǔ)償裝置宜在發(fā)電機(jī)輸出側(cè)進(jìn)行補(bǔ)償[4]。該裝置功率因數(shù)補(bǔ)償效果好，成本相對較低，占空間小，實(shí)施較容易，原理如圖1所示。

圖1 集中補(bǔ)償原理圖

功率因數(shù)補(bǔ)償效果較差，成本相對高，占空間大，實(shí)施工作復(fù)雜，原理如圖2 所示[5]。

圖2 就地式補(bǔ)償原理圖

5 結(jié)論

無功功率補(bǔ)償裝置安裝在發(fā)電機(jī)出線端，使電網(wǎng)的功率因數(shù)維持在cosΦ＝0.8（滯后），補(bǔ)償效果較好。干液貨發(fā)送裝置無功補(bǔ)償設(shè)備的合理配置，與電網(wǎng)供電電壓質(zhì)量的關(guān)系十分密切。進(jìn)行無功功率補(bǔ)償，不僅需要考慮干液貨發(fā)送裝置設(shè)備，還需考慮其它船舶設(shè)備，這樣對功率因數(shù)的改善效果會更佳。對整個(gè)船舶的電網(wǎng)進(jìn)行改造，可提高船舶運(yùn)行的安全性和可靠性。