港口船舶高壓岸電電源的研究與應用＊

劉玉振 劉倩

（1.許繼電源有限公司，河南許昌 461000；2.國網重慶市電力公司，重慶 400000）

0.引言

港口船舶高壓岸電電源，是船舶靠港期間，船舶柴油發電機停止運轉，將船舶用電接入陸地側岸電電站，從而獲得船舶電力設備所需的電力[1-2]，減少大氣污染物排放，改善港口空氣質量、降低噪聲與港口區域的振動，降低船舶靠港口或者碼頭成本，提高經濟效益[3]，保障港口或者碼頭行業健康可持續性發展。

隨著岸電系統寫入“十二五”規劃，相應的政策逐步穩定的推出。伴隨著岸電的需求和政策的支持，船舶高壓岸電電源得到了大力推廣和應用。本文介紹了由監控系統、高壓岸電電源和高壓岸電接電箱組成的船舶岸電電源系統，提出了基于多繞組高脈波移相變壓器和鏈式H橋逆變器的高壓岸電電源拓撲結構，提出了基于虛擬同步發電機的分層控制網絡架構。最后，研制了3MW高壓岸電電源裝置，應用實踐表明了所設計裝置的有效性和可行性。

1.岸電電源系統結構

船舶岸電電源系統是船用岸電技術岸側供電部分的核心，其由監控系統、高壓岸電電源和高壓岸電接電箱組成，完成變壓、變頻、不停電切換及集中配置相關監測措施，示意圖如圖1所示。

圖1 船舶高壓岸電電源構成示意圖

1.1 監控系統

監控系統主要包含服務器、監控計算機、模擬屏、以太網及現場總線網絡等。在岸電監控室設置服務器，用于記錄岸電系統的各種歷史數據并經過以太網方式將控制信息、設備狀態等信號傳送至變電站內的監控計算機，運行人員在變電站內即可完成對整個岸電系統的狀態監視、信息查詢、設備操作，使運行人員遠離噪音、振動等惡劣環境。在岸電監控室設置兩臺監控計算機，用于人員對岸電系統的監視和操作。其中一臺設置為工程師站，一臺設置為操作員站。監控計算機內置監控組態軟件，編制各種組態畫面，對岸電系統實時監視和控制。

1.2 高壓岸電電源

高壓岸電電源主要包括進線柜、軟啟動柜、輸入變壓器、變頻電源、濾波柜、輸出變壓器、出線柜。船舶高壓岸電電源進線開關柜電源取自港區10kV/50Hz高壓電源，經變壓變頻電源變換為符合船舶電制要求的6.6kV/60Hz（IEC 80005-1）。船舶高壓岸電電源信息通過以太網上傳到網關，通過網關實現港口岸電監控系統與船舶高壓岸電電源之間信息的交互。岸電監控系統與船舶通過光纖以太網通信，并實現岸電電源與船舶之間的信息交互。

1.3 高壓接電箱

高壓岸電接電箱含有高壓主回路、光纖通訊、I/O信號等多種電纜接口，滿足人工操作，快速插拔的要求，且設置機械連鎖保護，確保人員操作時不帶電。其直接將港口或者碼頭岸電箱的輸出電力經電纜與船舶配電板相連以供給高壓船舶負載，因此船舶上無需再配置降壓變壓器。

2.高壓岸電電源

2.1 主電路拓撲結構

采用高—高方式的港口船舶高壓岸電電源是岸基供電系統的一部分，將10kV/50Hz的電源經多繞組高脈波移相變壓器和變頻電源變換為6.6kV/60Hz的電源，通過輸出隔離變壓器配置的高壓饋電單元向船舶供電并計費。圖2示出高壓岸電電源主電路拓撲原理圖。

圖2 高壓岸電電源主電路拓撲原理圖

高壓岸電電源的主電路拓撲結構主要由進線單元、移相隔離變壓器、高—高方式鏈式H橋變頻單元、輸出隔離變壓器和出線單元組成。其中：移相隔離變壓器[4]能夠實現一、二側線電壓的相移和變頻單元與電網間電氣隔離，移相角采用30脈波。為了滿足不同船只的用電需求，變頻電源將起到至關重要的作用，二極管整流先將輸入50Hz交流電整流成脈動的直流，經電容濾波后作為逆變器的輸入[1]。變頻逆變器采用高—高方式鏈式H橋[5]拓撲結構，根據脈波數進行5個單元相鄰功率單元的輸出端串聯，構成11電平的級聯逆變器，三相輸出形成星型結構，實現60Hz交流電；功率單元是輸入為三相輸入不可控整流、輸出為單相PWM電壓源型H橋主電路拓撲結構，能夠實現變壓變頻高壓直接輸出；功率單元需要承受全部輸出電流，但是每個功率單元只需承擔1/5輸出電壓，承受的功率為輸出電壓除以3[6]。

高壓岸電電源采用鏈式拓撲方案，具有以下技術優勢：（1）器件開關頻率大幅降低，輸出波形質量高，且電壓諧波含量很少，提高了電源整體傳輸效率；輸入采用多繞組移相變壓器，電流諧波畸變率低，輸入功率因數高；（2）容量范圍寬、適合中高壓大容量接入、上船電纜數量少、操作方便；（3）采用模塊化結構，體積小、易擴容、易制造、易維護。

2.2 拓撲控制策略

高壓岸電電源控制策略采用分層的控制架構，主要包括系統級控制、裝置級控制和調制3部分。其中：系統級控制根據設定的電源制式、控制模式等，生成輸出電壓幅值和頻率指令，主要實現虛擬同步發電機控制、同期控制和負載轉移等功能；裝置級控制根據電壓幅值和頻率指令，對輸出電壓進行閉環控制。虛擬同步發電機具有慣性和阻尼特性，在頻率突變時，通過快速的功率控制向系統瞬時注入或吸收突變的有功方式實現模擬同步發電機的機電搖擺過程、減緩頻率變化速度。阻尼特性在系統功率振蕩期間，加速系統振蕩衰減，主要由功頻控制器、機械部分、勵磁控制器3部分組成[7]。

功頻控制器設計，可以定義有功—頻率調差系數為Kp，由有功功率—頻率靜態特性可知：

機械部分設計，由牛頓第二定律可知，虛擬同步發電機的機械方程可表示為：

勵磁控制器，定義調差系數為KQ，由無功功率—電壓下垂靜態特性可知：

因此，借助虛擬同步發電機使岸電電源在功能上模擬發電的外特性，從而改善岸電的穩定性，使其無擾動地并入船舶電網，且能夠接受船舶能量管理系統的調度。虛擬同步發電機控制增加了系統的慣性特性和阻尼特性，避免負載波動或負載不平衡時頻率大幅振動，該控制實現了岸電電源與船舶電網的并聯運行和無功負荷分配。

3.實驗

高壓岸電電源的系統平其適用于船舶高壓岸電系統，推廣應用場合包括集裝箱碼頭、散貨船碼頭、郵輪碼頭、滾裝船碼頭等港口。在實際工程應用中離網轉并網，并網轉離網均平滑無沖擊；負載按照設定的斜率平滑從船側轉移至岸側；負載轉移時間可控。表明了所構建的高壓岸電電源系統可以安全可靠的運行，且能夠滿足船舶對岸基電源的需求。

4.結論

通過以上對岸電電源系統結構的分析以及高壓岸電電源拓撲結構和控制策略的理論研究，基于移相變壓器和鏈式H橋逆變器的主電路拓撲結構，以及虛擬同步發電機的分層控制策略，能夠實現高壓岸電電源的安全可靠的運行，實際運行結果表明所設計裝置的有效性和可行性，為高壓岸電電源的推廣應用提供了一定的借鑒意義。