港口岸电供电技术探析

徐嘉

摘要：国内大型船舶在靠泊卸载时，船上的燃油发电机必须持续运转，以保持船舶大功率机泵及其他设备支撑系统正常运作。而港口岸电技术就是在船舶停靠码头时停止使用船上的燃油发电机，而采用由码头提供的供电系统为船舶供电，是目前国内外港航界备受关注的一项技术。在港口全面推广岸电，是适应港口繁忙的营运要求、实现港口节能减排的重要技术手段，是建设“绿色港口”和提高码头竞争力的重要措施，也是构建和谐城区、改善港区环境质量，协调港口与城市发展的重要举措，具有重大社会效益和经济效益。

关键词：变频电源；双频供电；同步并网

现代电力电子技术、微电子控制技术不断发展，采用绝缘栅双极型晶体管作为功率器件的大功率逆变电路得到了广泛的应用（特别是在变频调速领域），为新型岸电供电技术（即变频电源替换发电机组）的发展打下了坚实基础。岸电上船方案可分为高压岸电上船和低压岸电上船２种，其中：高压岸电上船适用于用电容量较大的集装箱船或部分散货船；而低压岸电上船适用于用电容量较小的船舶。高压岸电上船又可分为高高方案和高低高方案，其中：高高方案采用高压变频器将码头的电源直接转换为船端适用的高压电源；高低高方案先对码头的高压电源进行降压处理，通过低压变频电源变频后升压至船端适用的高压电源。

1.配电装置

港口岸电配电装置是为船舶提供岸电（岸电转换装置）的一种设施，主要由岸电转换装置、岸电配电柜、岸电电源等部分组成。

岸电转换装置主要负责将船舶船岸之间的交流电源转换成直流电源，供船上电器设备使用，主要包括船舶电气系统、动力设备系统和辅助设备系统等。岸电配电柜则是将岸电转换装置接收的直流电源进行分配和处理，实现对船舶的供电。岸电电源是指为船舶提供岸电的发电机，包括柴油发电机、汽油发电机和水轮机等。岸电电源可以分为交流电源和直流电源两种，其中直流电源通常用于给船舶提供动力设备用的直流电源，而交流电源则用于为船舶提供电气设备用的交流电源。

1.1低压配电柜

港口用电，通常有两种方式：一是船舶通过岸电接口直接向港口供电，二是船舶通过转换设备将岸电转换成船舶的电源。现在国内大部分港口都采用第二种方式，这种方式可以有效的节约能源，也降低了船舶电力系统的风险。低压配电柜主要由低压开关、控制柜、电源变压器、指示灯等部分组成。它主要用于对船舶电力系统进行供电和控制，是港口设备中常用的电气设备之一。低压配电柜用于对船舶电力系统进行供电和控制，通常采用6-12V电压等级。根据不同的供电方式，低压配电柜会有不同的结构和布局。比如，有的低压配电柜采用多层结构，以便进行分合操作；有的低压配电柜采用封闭式结构，以便进行防尘、防水等操作。

1.2箱式变电站

港口岸电箱式变电站是一种用于港口的电力供应设备，它主要由电力变压器、岸电系统、开关柜等设备组成。它能够在港口环境下，为船上的电力系统提供稳定、可靠的电力供应，从而满足港口作业的需求。 岸电箱式变电站的主要功能包括提供岸电、控制电压、控制电流和低压电源等。它通常采用封闭箱体结构，能够有效地隔绝外界的干扰和污染，同时具有较高的防护等级，能够承受恶劣的天气和海况。 此外，岸电箱式变电站还可以实现自动化控制，能够自动监测电力系统的参数和状态，并在必要时进行相应的调整和维护，以提高电力供应的可靠性和安全性。 总的来说，港口岸电箱式变电站是一种高效、可靠的电力供应设备，能够满足港口作业对电力的需求，已成为现代港口发展的重要方向之一。

图1电压空间矢量的大小和位置

2.电能质量

电能质量是指电力系统或负载在电能质量方面存在的问题。电能质量的优劣会直接影响到电力系统和用户的工作效率，甚至会给用户带来巨大的经济损失。电能质量的好坏主要由电压波动和闪变、谐波、三相不平衡、电压波动、无功功率等问题所决定。在港口岸，一般都会采取措施来解决上述问题，以提高电能质量。目前，港口岸经常采用的措施包括：采用变频技术提高机组功率因数；对高压母线进行串联补偿；采用低电压穿越技术等。港口岸在建设和运行过程中，往往会遇到以下问题：（1)供电网络结构不合理，如电压等级较低、线路过长等；（2)接入点选择不当，如将电压等级较高的用户接入到低电压等级的母线中；（3)无功补偿容量不足；（4)供电系统稳定性差；（5)电能质量管理和监控手段落后，电能质量监测设备不完善。上述问题，可以通过对供电系统进行优化设计来解决。

2.1供电系统结构优化设计

不同国家的岸电计划在总体上有细微的差别，总体上可以划分为陆地电力系统、电缆联接装置和船舶电力接收系统。

(1)陆上电源系统：陆上电源系统将由高压变电所向船舶附近的各节点供电。

(2)电缆联接装置：用于将船舶电力接收装置与岸边联接点之间的电缆及设备。在不用的情况下，电缆连接装置应能满足迅速接入、贮存的需要，贮存在船上、岸上或驳船上。

(3) 船舶电力系统：将电力接收系统固定地设置在船舶上，由电缆绞车、变压器及相应的电力管理系统组成。

（1）双频电源技术。

国内大部分港口用的是3-4线380 V/50 Hz交流电；而停靠港口的船舶，因为是从各个国家来的，所以他们的电力系统也各不相同，大部分都是3-3线440 V/60 Hz的交流电，这必然会导致港口用电与船上用电的不统一，从而产生了大功率的变频调速问题。

（2）稳频、稳压及谐波抑制与补偿。

在此基础上，以保障港口用电系统的可靠、稳定运行为目标，结合港口用电系统的负载特点，结合周边用电环境的动态谐波抑制与补偿措施，解决港口用电系统对港口用电系统的污染问题，以适应船舶用电负荷的突然变化需求。

（3）船舶的接岸电方式。

目前，国内外有两种方式，一种是高压方式，一种是低压方式。高电压接入模式，其优点是操作简单、快速、低成本，但对船舶结构及装备的要求比较高；低电压接入模式不需要对船舶结构进行改动，接入模式较为复杂，码头建设成本较高。目前，国内大部分的岸电都使用440 V的低压电源。但对于大船而言，其各类用电设备负载较大，如果使用低电压电源，在传输功率不变时，通过电缆的电流很大，需要为大船提供多条电缆，拖接难度大，工作强度大，而过长则会造成电能损耗。为此，有必要从经济与实用两个角度出发，根据不同港口的接入特性，寻求最佳的岸电接入方式。

港口岸供电系统的结构优化，主要是指将供电系统中的不同电压等级或不同负荷点间的连接方式进行优化设计。根据港口岸供电网络中负荷点与变电所之间的距离，母线分段结构：将电厂的低压母线通过多个分段进行连接，由多台发电机并网运行。这种结构可保证电厂正常运行时不会因为一台发电机故障而导致整个供电系统崩溃。

图2变频电源同步并联测试原理图

2.2无功补偿容量优化

在港口岸供电系统中，无功功率主要由并联电容器和并联电抗器来提供，其容量的选择要考虑到整个供电系统的损耗，并能满足某些负荷的需求。此外，还应根据不同负荷的情况选择合适的补偿设备和容量。在确定无功补偿容量时，通常根据设备容量和实际需要来确定。由于并联电容器和并联电抗器均具有一定的电容值，因而在确定无功补偿容量时，可以将并联电容器和并联电抗器一起进行考虑。以某港口为例，该港口需要提供给船舶使用的供电电压为50/35kV，而其负荷主要由船舶产生。如果选择高压并联电抗器来提供无功补偿容量，则由于电网中存在谐波干扰以及无功功率在负荷中的分布不均匀，将会使其实际功率因数低于0.8,从而无法达到节能的目的。因此，该港口采用并联电容器和并联电抗器一起进行补偿，以达到提高功率因数、降低损耗、降低电能质量的目的。通过在各用电设备处安装并联电容器和并联电抗器后，可以在保证设备安全运行的前提下提高其功率因数，降低电能损耗。

图3变频电源并联运行图

3.性能优化

3.1输出电能质量优化

在低电压变频电源的逆变器侧，输出的是脉宽调制（PWM）的方波，其电压的谐波失真程度很大。通过在输出侧加装 LC滤波器，使其接近于基频区，使其输出电压与输入电压相近似；在接近载波频率的地方，与输入电压的幅值相比较，有很大的降低。通常， LC滤波器的共振点取值范围为基频的10倍至0 5倍，载波频率 PWM方波可得到较好的滤除。

3.2动态响应特性优化

在此基础上，在负载急剧增大时，滤波器端的电容会将电能排出至负载，从而使电容电压下降；此外，负载还将从变频调速系统的直流母线上提取多余的电能，这将在滤波器电感上形成反向感应电位，从而导致滤波器的输出电压下降。在负载骤减时，输出滤波器电感所产生的电流并没有急剧变化，反而对滤波器电电容进行了充电，引起了输出电压的上升。在此基础上，提出了一种提高滤波电容容量，并对其瞬态动力学特性进行了优化的方法。另外，通过在负荷侧加入一套电流探测装置，在负荷发生突然变化时，可以将突变量及时反馈到主控芯片上，使主控芯片能够快速对输出电压的变化做出快速的响应。

3.3变频电源同步并联技术

采用变频电源并联的方式，可以实现船舶与岸电的无缝切换，也可以实现变频电源的并联。在2个例子中，两个例子的工作原理是相同的，并且详细的实施步骤是这样的。为了保证并联过程的平稳，在系统中添加了一些降沉量，使得系统在负载变化范围内的频率、电压都随着负载的增大而呈线性下降，负载变化范围从0-100%，频率、电压变化率在0-3%之间。船舶电力和岸上电力存在着一定频率差异，它们的输出电压在某一速率下发生了相对位移，当鉴相器检测到它们的相位差在一个合适的范围之内时，将并联开关闭合；在并联工作时，两个系统都能按照各自的降放特点，分别对输出电压的频率和幅度进行调节，最后达到均衡，从而实现了两个系统在频率和相位上的同步。当需要切掉船舶电力时，船舶电力的频率会下降，负荷会被进一步转移至岸上，重新实现动力平衡。在此基础上，对船舶电力进行多次调节，使船舶电力负荷完全转移至岸上，从而实现了船舶电力系统的负荷转移。相反，当船舶离港需要切断岸上电力时，仅通过改变船的频率，把岸上的电力负载转移到船上的电力上，然后在转移完毕后切断岸上的电力。

4.系统运用

根据岸电供电的电压水平，可以将其划分为两种：一种是高压岸电上船，另一种是低压岸电上船。在用作低压岸上供电的情况下，该系统由绝缘变压器直接输出低压电力；当用作高电压岸上供电时，仅用升压变压器代替原来的隔离变压器即可。受限于导线及功率器件的载流，单台低电压变频电源一般不能达到2 MW，而随着船舶用电设备对电力的日益增长，2 MW容量已经不能满足一些大船靠港时的电力需要。同步并行技术的出现，打破了这一瓶颈，每一组变频电源的容量都是一样的，都是 N，每一台变频电源的变换后，都会被传送到60 Hz的电网总线上。在60 Hz的电网总线上，用户可以按照终端的用电量来决定是否投入变频电源组的数目，而变频电源之间也可以保持着实时的数据交互，并且可以按照用户的设置来实时地分配线电源之间的负荷。

结束语：

综上所述，随着全球“低碳环保，绿色水运”理念逐步推进，发展运用岸电系统已成为必然趋势。本文提出的低压岸电变频电源供电方法稳定可靠，供电形式多样，可运用于各大散货船、集装箱船码头，具有一定的推广价值。

参考文献：

[1]GB/T41999-2022,港口岸电设施术语[S].

[2]孟琪,毕志远.港口岸电技术应用情况及发展建议[J].中国港口,2021(08):58-60.

[3]李海源.F港口岸电系统市场营销策略研究[D].广西大学,2020.

[4].推广港口岸电守护绿水青山[J].大众用电,2017,32(09):58.

[5]郑晓鸣,吴天裕.港口岸电供电技术研究[J].上海船舶运输科学研究所学报,2017,40(01):60-65+81.