船用岸電供電主電氣接線方式研究

田 鑫 趙國亮 趙 波 荊 平

（國網智能電網研究院，北京 102211）

中國是世界上最大的海運國，船舶到港停泊后需要關閉主機并起動副機發電，為船舶提供日常的電力。副機燃料大多為質量較差的重油，燃燒后會排放大量污染物，此外副機運轉時也會產生較大的噪聲和振動，給船員、旅客、碼頭工人和鄰近社區居民的工作和生活帶來了極大的困擾[1]。

船用岸電技術，是指船舶在停泊碼頭期間停止使用船上發電機，而改用岸上電源供電，獲得其泵組、通風、照明、通訊和其他設施所需電力，既可以減少大氣污染物排放，達到改善港口空氣質量的目的，又可以使用價格低廉的電力降低船舶運營成本[2]。

采用岸電，實現“以電代油”，最明顯的效益在于減少港口空氣、噪聲、水域污染，改善當地居民、工商業的環境。

本文對港口碼頭船用岸電的主電氣接線方式進行研究，充分考慮港口碼頭電氣布局及碼頭船舶用電需求，提出了三種不同的供電主電氣接線方式，并對各種方式的優缺點進行說明，可用于指導國內岸電技術應用。

1 船用岸電系統組成

船舶岸用電系統包括三個重要組成部分：岸上供電系統，船岸交互部分和船舶受電系統。系統示意圖如圖1所示。

圖1 船用岸電系統示意圖

1）岸上供電系統：岸上供電系統使電力從高壓變電站供應到靠近船舶的連接點即碼頭接電箱，需完成電壓等級變換、變頻、與船舶受電系統不停電切換等功能。

2）船岸交互部分：連接岸上連接點及船上受電裝置間的電纜和設備；電纜連接設備必須滿足快速連接和儲存的要求，不使用的時候儲存在船上、岸上或者駁船上。

3）船舶受電系統：在船上原有配電系統的基礎上固定安裝岸電受電系統，包括電纜絞車、船上變壓器和相關電氣管理系統等。船舶電站發電機電壓等級可分為高壓和低壓兩種。高壓船舶電站電壓等級為11kV，6.6kV（60Hz），低壓船舶電站電壓等級為400V（50Hz）或440V（60Hz）。

目前，船用岸電技術在美國和歐洲應用較為廣泛，且目前已形成IEC/ISO/IEEE 80005-1 技術標準，指導岸電工程實施[3]。然而，該標準主要針對船舶側需滿足的條件進行要求，對岸側技術包括主電氣接線方式選取、接地技術等缺乏專業性的指導[4]。國內船用岸電技術目前尚處于起步階段，截止2014年6月，國內有岸電設施的港口包括上海港、連云港港、深圳蛇口港和寧波港。文獻5 中深圳蛇口集裝箱碼頭船用供電系統采用高壓和低壓混合上船的方式，并對方案進行了詳細的介紹，但并未給出普遍性的適用方案。文獻6 中僅從滿足港口單個船舶供電角度給出了多種情況下岸電主電氣接線圖，但供電方式單一，均采用單母線供電方式，且并未考慮港口供電可靠性和靈活性的需求。目前國內港口的岸電工程均以示范工程的方式建立，并未形成統一的工程標準。難以對岸電技術在國內的規模化推廣應用形成支撐作用。

由于高壓上船方式具有供電容量較大的優點，且采用一根電纜上船，易于操作，是船舶岸電技術推廣應用的發展方向。本文將針對高壓船用岸電供電系統主電氣接線方式進行研究。

2 船用岸電供電系統主接線方式研究

高壓船用岸電主電氣接線主要有三種結構形式，分別為一對一供電模式，帶直流母線的一對一供電模式和一對多供電模式。下面將分別對三種結構形式進行介紹。

2.1 一對一供電模式

一對一供電模式主電氣接線圖如圖2所示。一對一供電模式主變電站把電力變換為6kV 或者其他的高壓等級的電壓，通過電纜傳輸到各個碼頭，每個碼頭上均設置一個分變電站。碼頭的分變電站中有變壓設備和變頻設備。碼頭上的分變電站根據停靠船舶的需要提供50Hz/60Hz 的電力，并把電壓降至船舶所需要等級。

圖2 一對一供電模式主電氣接線圖

這種供電模式的優點如下。

1）每個碼頭供電相對獨立，任何一個碼頭分變電站出現問題均不會影響其他碼頭岸電電源的正常使用。

2）供電采用一對一模式，岸電并網等操作可在岸上執行，可將船舶改造部分最小化。

其缺點如下。

1）碼頭占地空間較大。每一個碼頭分變電站都需設置變壓和變頻設備，在空間不足的碼頭難以采用這種方式。

2）變頻器需同時滿足50Hz 和60Hz 兩種供電頻率，工作模式較多，控制復雜。

3）供電可靠性依賴于變頻器，如變頻器發生故障則無備用電源保障供電。

2.2 帶直流母線的一對一供電模式

帶直流母線的一對一供電模式主電氣接線圖如圖3所示。該模式優化了一對一供電模式中碼頭變頻器占地面積較大的問題。港口變電站的兩段母線各連接一臺整流器，整流器之后可根據碼頭數量連接多臺逆變器，由逆變器提供60Hz 供電。逆變器既可放置在碼頭，也可放置在變電站。同時，該模式中增加了獨立的50Hz 供電母線，可將50Hz 船舶通過變電站直接供電，逆變器只為60Hz 船舶供電，簡化了逆變器的工作模式。

圖3 帶直流母線的一對一供電模式主電氣接線圖

這種供電模式的優點如下。

1）每個碼頭供電相對獨立，任何一個碼頭分變電站出現問題均不會影響其他碼頭岸電電源的正常使用。

2）逆變器可根據需求安裝于變電站或者碼頭，布局較為靈活。

3）供電采用一對一模式，岸電并網等操作可在岸上執行，可將船舶改造部分最小化。

4）增加了50Hz 供電母線，減少了逆變器工作模式，簡化了其控制。

其缺點如下。

1）供電可靠性依賴于整流器，如整流器發生故障則無備用電源保障供電。

2）當50Hz 供電采用變壓器直接供電時，僅能采用船舶并網方式，否則無法實現一對一供電。

2.3 一對多供電模式

一對多供電模式主電氣接線圖如圖4所示。港口變電站的兩段母線各連接一臺變壓器和一臺變頻器，變壓器提供50Hz 供電，變頻器提供60Hz 供電。日常運行模式下，每段母線僅變壓器或變頻器接入，且兩段母線分別提供50Hz 和60Hz 供電。該供電母線直接連接至碼頭，每個碼頭根據停靠船舶的需要選擇相應頻率的電力。每段母線均設置備用變壓器和變頻器，當正常模式下的供電變壓器或變頻器發生故障時，可接入備用設備保障持續供電。碼頭側50Hz 和60Hz 供電母線也分別采用雙母線分段配置方式，當一段母線發生故障時可閉合母聯開關由另一段母線保證供電。

這種方式把頻率的變換集中在主變電站，通過設置冗余，提高供電可靠性。同時，這種方式僅需將供電母線鋪設至碼頭，岸電設施對碼頭的空間需求較低，成本更加低廉。

圖4 一對多供電模式主電氣接線圖

這種供電模式的優點如下。

1）供電范圍可通過變電站輻射至港區所有需要岸電的碼頭，碼頭不需安裝變頻設備，降低了成本，鋪設便利。

2）通過兩段母線上的變壓器和變頻器設備提供50Hz 和60Hz 供電電源，互為備用，供電可靠性高。

其缺點如下。

1）每段母線通過一臺變頻器供電，所需容量較高。

2）船舶接入岸電時僅能由船舶側控制實現并網，需對船舶部分進行改造。

3 結論

將以上三種主電氣接線方式進行對比，得到三種模式的簡要對比見表1。

表1 船用岸電主電氣接線方式對比

由以上對比可以看出，一對多模式具有碼頭占地面積小，布線簡單，工程造價低的優點，并且易于在不同的碼頭進行推廣，符合船用岸電技術的發展趨勢，應用潛力較大。

[1] 黃健毅. 大力推進港航業岸基供電系統的應用[J]. 電氣時代,2013(10): 32-34.

[2] PAUL D,PETERSON,K,CHAVDARIAN,P. Designing Cold Ironing Power Systems: Electrical Safety During Ship Berthing[J]. Industry Applications Magazine,IEEE. 2014(20): 24-32.

[3] 盧明超,劉汝梅,石強,等. 國內外港口船舶岸電技術的發展和應用現狀[J]. 港工技術,2012,49(3): 41-44.

[4] IEC/ISO/IEEE 80005-1 Utility connections in port—Part 1: High Voltage Shore Connection (HVSC) Systems-General requirements[S]. Switherland.2012.7

[5] 陳曉宏,王闖. 蛇口集裝箱碼頭船用供電系統方案設計[J]. 水運工程,2012(1): 74-78.

[6] 楊瑞. 到港船舶接駁岸電技術研究與標準建設[J]. 港工科技,2013,50(5): 30-34.