港口岸基供電配網系統增容改造方案研究

余墨多，黃文燾，邰能靈，陳振宇，李瑤虹，楊 斌

（1.上海交通大學 電子信息與電氣工程學院，上海 200240；2.國網江蘇省電力有限公司，江蘇 210024）

引 言

隨著我國大開發的啟動，港口船舶?？看a頭的數量和密度也大幅增加，航運業務繁忙。以往船舶?？扛劭诒仨毷褂么叭加桶l電機發電，對船舶上的電力負荷進行供電。發電機燃燒重油釋放出不容小視的污染物，同時燃油發電機運行噪音對港口周邊的居民生活造成了困擾[1]，這與將電網建設成綠色電網的出發點相悖。

船舶岸電技術是一項在國內起步不久的技術，在船舶?？繒r，停運船舶發電機，由港口電站接電纜到船舶上進行供電。岸電技術能為船舶提供安全、可靠、清潔且經濟適用的電能，對港口的運作產生長遠且積極的影響，同時有效降低船舶靠港運營成本，提高整體經濟收益[2-3]。文獻[4]以建湖港與大豐港為例，計算了靠港船舶對岸電功率的要求，分析了船舶接用岸電系統的可行性和經濟學性，并提出了岸電技術實現方案。文獻[5]分析了張家港船舶岸電實施過程中存在的問題與困難，提出了實施建議及措施。

然而，船舶岸電系統的建成勢必將造成港區負荷量的上升。若港區電網容量投入不足，在面對岸電系統所帶來的增長負荷時，則會出現電站不能滿足生產需求的情況。港口電網在此種情況下工作，可能造成停電，產生嚴重的經濟損失，同時嚴重影響港口的社會、工作秩序，甚至發展成為更加嚴重的事故[6-7]。為了確保港口安全可靠供電、促進港口發展，以及滿足岸電系統建設所帶來的增長負荷，港口電網應該進行相應的建設與改造，改善港口電網的配電設備、優化電網接線方式，為港口電網提供優質可靠的電力保障。

本文基于船舶岸電系統連接技術、船舶岸電系統繼電保護技術、船舶岸電系統諧波抑制技術等關鍵技術，對港口電網增容擴建、岸電系統設備選型等進行了分析，可為港口岸電改造提供技術支撐。

1 岸電系統增容擴建方案

1.1 港口負荷容量計算

為保證增容擴建后港口電網能夠滿足正常工作需求，應該對岸電系統增加的容量進行計算。按照三類負荷法對岸電系統供給的船舶進行負荷計算，可得：

船舶并非永久?？吭诓次簧鲜褂冒峨?，每次停靠的時間有限。港口可能會有多個岸電供應碼頭?？紤]到以上兩個因素，可得：

式中：N代表岸電供應碼頭數量；Mi代表第i個碼頭年平均停靠船舶次數；Ti1代表第i個碼頭船舶平均停靠時間；Ti2代表第i個碼頭岸電設備接入與脫離時間。

為簡化問題，可將所有岸電系統碼頭供給的船舶等價位一艘一年四季長期停靠在碼頭邊的船。該船舶的有功功率與無功功率如式(5)～(6)所示：

考慮電能傳輸與轉換時的損耗，港口電網所增加的容量如式(7)所示：

該船可等價為一個阻抗：

1.2 最大電流計算

岸電系統建成后，港口電網原有的線路容量可能無法滿足新的工作需求。因此需要對電網的線路進行校核、計算線路可能出現的最大電流。

圖1 港口電網簡化電路

岸電系統建設前港區電網電路如圖1所示，港區電網是受端電網，無內部供電電源，電能全部由外部電網提供。港口由外部電網G以U1的電壓等級供電，經過變壓器T后，以U2的電壓等級向港口的負荷供電。港口原負荷量為P0+jQ0，峰值負荷為P0,Peak+jQ0,Peak，可等價為阻抗如式(9)～(10)所示：

母線上流過的電流為：

式中：ZT是變壓器折算到高壓側的阻抗值。

母線上流過的峰值電流為：

圖2 建設岸電系統后港口電網簡化電路

岸電系統建設后港區電網電路如圖2所示。在港區變電站下，一艘永久?？吭诖a頭，負荷量為S△的船舶等價為了岸電系統。

當岸電系統所有碼頭均停靠有船舶，負荷量達到峰值：

等價為阻抗：

建設岸電系統后，母線上流過的電流為：

母線上流過的峰值電流為：

1.3 電壓調節計算

當岸電系統投入使用時，由于負荷量的增加，港口電網的電壓值可能會下降。因此需要改進港口變電站的調壓措施，以適應港口負荷的增長。一種調節電壓的辦法是改良港口變電站的變壓器分接頭來進行電壓調整。港口變電站的變壓器為降壓變壓器，低壓方只有一個額定抽頭，故需要調節高壓方的抽頭。

圖3 變壓器等值電路

如圖3所示是變壓器等值電路。T是一個理想的、高壓側有多個抽頭的變壓器，而RT+jXT是變壓器折算到高壓側的等值阻抗。根據以上等值電路可得：

需要選擇合適的抽頭電壓Ut1以滿足低壓側的電壓達到U2。為了選擇合適的抽頭，必須考慮港口負荷的變化情況，即考慮港口最大負荷與最小負荷。在增加岸電系統后，港口的最大負荷增加量應該等于岸電系統工作峰值容量，最小負荷則保持不變。在建設岸電系統之前，變壓器的高壓分接頭電壓應為：

式中：Ut1,max代表最大負荷情況下計算出的分接頭電壓；Ut1,min代表最小負荷情況下計算出的分接頭電壓。

在建設安定點系統之后，在最大負荷情況下計算出的分接頭電壓如式(24)所示：

式中：U2,N代表低壓側額定電壓值；U2,max代表低壓側在指定調壓方法下于最大負荷時的電壓值。

新的變壓器高壓分接頭電壓應為：

除了改變變電站內變壓器分接頭以外，還可以采用增加無功補償裝置的辦法進行調壓。增設靜止電容器、靜止無功補償器（SVC）以及同步補償機均可有效改善港口電網的功率因素，維持港口電網的電壓水平。

2 岸電系統改造方案

圖4 岸電系統改造流程

圖4顯示了岸電系統的改造流程。首先，在確定了接用岸電的船舶類型后，需要對岸電系統的上船方式進行選擇；根據對岸電系統未來發展的預測，選擇合理的岸電系統網絡結構以適應岸電系統今后的擴建可能。與此同時，采用三負荷法計算船舶所需的有功容量[10]；根據船舶容量，確定岸電系統的最優上船電壓與岸電系統的變壓方式；對聯接電纜進行選型操作。在確定了岸電網絡結構、上船方式、上船電壓等級后，設計靜止電子式岸電電源；計算岸電系統建設后，港口變電站所需要進行的增容量；確立岸電雙頻系統的保護方案。

完成岸電系統的改造流程后，需要對岸電系統網絡中各類電力設備進行配置。各個岸電系統網絡結構在電力設備配置難度上的優劣比較如表1。

表1 岸電系統網絡結構的優劣

根據網絡結構的選擇結果，為了更好地完成岸電系統的匹配，需要對各個電力設備進行評估。從可靠性、占地面積、設備使用量等因素來看，集中式網絡結構是一種較為合適的岸電系統結構，它在碼頭上的占地面積遠小于分布式網絡結構，因為它的變頻單元已經集中在了岸電系統變電站中。分布式網絡結構由于在碼頭上需要安裝靜止電子式岸電電源，碼頭將很難進行施工作業，同時岸電設備也無法順利地進行移動操作。使用集中式網絡結構，碼頭上的岸電設備只需很小的占地面積。

除了考慮設備的占地面積與網絡結構的匹配，不同的網絡結構中的設備數量、設備類型也有所差距。集中式網絡結構相較于其他的網絡結構，靜止電子式岸電電源的設置方式是最為經濟的，且變壓器的數目也少于分布式網絡結構。但集中式網絡結構需要使用雙母線接線，并配置雙母線轉換開關。為了進一步地分析岸電系統網絡中不同電力設備的配置，需對各主要設施進行逐個分析。

2.1 岸電系統變電站

岸電系統變電站是岸電系統的核心，是系統的中心設施。在岸電系統變電站中，主要包含了斷路器、隔離開關、過電壓吸收器、變壓器等設備，它們聯接在一起，并與外部的大電網相連。岸電系統變電站對于集中式網絡結構尤為重要，在變電站內器，雙母線、雙母線轉換開關、儀用變壓器等設備。一些繼電保護裝置和綜合控制系統都集中于此。

在分布式網絡結構與直流傳輸式網絡結構中，岸電系統變電站中的設備不多，因此建設面積也不大；在集中式網絡結構中，由于靜止電子式岸電電源的存在，岸電系統變電站則占了很大的面積。若岸電系統供應容量較大，則可能使用多個靜止電子式岸電電源并聯工作，多個變頻單元以及相應的變壓器、測量設備、保護裝置的加入，這將使得岸電系統變電站的占地面積急劇增大。另外，岸電系統變電站的合理選址能夠有效減少岸電系統中的電纜總長度，這在多個碼頭都使用岸電時尤為顯著。

2.2 雙母線轉換開關

集中式網絡結構中的雙母線轉換開關是其他網絡結構都不會使用到的設備。雙母線轉換開關用于連接50 Hz與60 Hz的母線，并將不同頻率的電力根據船舶的需求分配至不同的碼頭。雙母線轉換開關由兩部分組成，它們是電能流入端與電能輸出端。電能流入端有著兩個隔離開關，分別與50 Hz與60 Hz母線相連。電能輸出端為一個在碼頭上的岸電箱供電。雙母線轉換開關如圖5所示。

圖5 雙母線轉換開關示例

雙母線轉換開關應有如下功能：

1）擁有兩個隔離開關，能夠將兩條母線與受端電路分別隔離開；

2）具有內部閉鎖功能，兩個隔離開關不能同時閉合，當一個開關閉合后，另一個開關應該可靠閉鎖；

3）具有外部閉鎖功能，兩個隔離開關和與雙母線轉換開關相連的斷路器均應建立一套合理的閉鎖邏輯；

4）便于安裝與拆卸，能夠在岸電系統要擴建時順利安裝在雙母線上；

5）在過載、過電壓或過電流的情況下，都能夠保證在50 Hz與60 Hz兩個頻率下正常工作。

在雙母線轉換開關中，往往配置有兩類工作在不同頻率的電壓互感器與電流互感器，它們被用來測量不同頻率下雙母線轉換開關的工作電壓與工作電流，并把數據傳輸到保護裝置中，以在發生故障時使斷路器啟動。

為了更形象說明雙母線轉換開關的功能特性，以Uni Gear雙母線系統中的ZS1轉換開關為例，通過表2說明雙母線轉換開關的工作特性。

表2 不同額定電壓雙母線轉換開關電氣特性

與雙母線轉換開關匹配工作的是雙母線斷路器。雙母線斷路器與普通的斷路器不同之處在于它需要工作在50 Hz與60 Hz兩種頻率下，因此在對雙母線斷路器進行選擇時，需要在兩種頻率下進行試驗，以判定是否能夠在兩種電力頻率下均保證長期正常工作，并能夠完成斷路、滅弧等功能。

2.3 碼頭岸電箱

碼頭岸電箱包括了變壓器、電纜管理系統等設備。如果為分布式網絡結構，碼頭岸電箱中應該還含有靜止電子式岸電電源；如果為直流傳輸式網絡結構，碼頭岸電箱中應該還有可調頻的逆變設備。碼頭岸電箱還應包含隔離開關、斷路器等設備，以滿足安全供電的條件。碼頭岸電箱在部分上船方式中被設置為可移動式的，擁有機動性的碼頭岸電箱能夠完成更加可靠的電纜連接操作。

碼頭岸電箱中的變壓器是岸電系統與船舶電力系統的最后連接環節，它能夠保證船舶電力系統與岸電系統之間、連接了岸電系統的不同船舶之間的電氣隔離。另外，碼頭岸電箱中的變壓器能夠有效減小故障電流，同時能夠降低船舶上發生電氣故障后發生致命的故障穿越的可能。碼頭岸電箱中的變壓器更重要的功能是提高電壓等級，使得供電電壓與船舶電壓匹配，同時降低傳輸中的線路損耗。

對于碼頭岸電箱中的變壓器而言，流過的電能可能是50 Hz也可能是60 Hz，因此需要對變壓器的工作頻率進行研究。如果采用兩臺變壓器進行工作，一臺的額定頻率是50 Hz，一臺的額定頻率是60 Hz，這樣還需要配置相應的遠程遙控裝置、轉換開關、保護裝置，同時這樣將會占用大量的碼頭空間，是十分不經濟的。因此考慮采用一臺變壓器在兩種頻率下工作。如果采用額定頻率為50 Hz的變壓器，當它工作在60 Hz的電力下時，由于電力頻率的上升，電抗值將會相應的提高，變壓器的整體阻抗值將會變高，這勢必導致較額定頻率下更大的電壓下降。但頻率的上升除了帶來電壓下降外，并不會對變壓器帶來損害。如果采用額定頻率為60 Hz的變壓器，當它工作在50 Hz的電力下時，由于頻率的下降，電抗值相應下降，變壓器的阻抗值將會減小，這將導致流過變壓器的電流上升。變壓器若長期處于這樣的工作情況下，較大的電流將會損耗變壓器。因此，碼頭岸電箱的變壓器應該使用設計為50 Hz的變壓器，而不能采用設計為60 Hz的變壓器。

當額定頻率為50 Hz的變壓器流過60 Hz電能時，各額定項的發生的變化如表3所示。

表3 50 Hz變壓器流過60 Hz電能時各額定項變化

碼頭岸電箱中的變壓器應采用Dyn型變壓器，并且高阻接地。高阻接地能夠避免暫態過電壓，有效減小設備損傷。由于中性點高阻接地，接地電流將被限制在系統電容電流之下，這將使由于間歇性弧光故障產生的過電壓被穩定到相電壓值。ABB的岸電Resibloc干式變壓器因為其體積小、冷卻效果好、大容量、低噪聲等性能被用在了岸電系統中，它的各項數據如表4所示，以下數據可作為岸電系統設計分析使用。

表4 Resibloc干式變壓器

3 結 語

本文主要研究了船舶岸電系統的改造方案。首先，分析了港口電網的供電結構，而后提出了岸電系統增容擴建方案，具體指出了港口電站需要增加的容量、港口變電站母線需要增加的最大電流以及港口變電站電壓的調節方案；最后，提出了岸電系統整體建設方案架構，并對岸電系統建設中變電站的選址、雙母線轉換開關以及碼頭岸電箱的設備進行了介紹。本文研究成果能夠促進我國港口岸電電網的建造與擴容能力，極大地提高我國電力企業與船舶工業的技術協調能力、打破用電壁壘，并在增供擴銷等方面為供電企業帶來巨大的經濟效益。