岸電上船工程的技術分析

徐凱

摘 要：當前，在國家日益重視節能減排和環境保護的大背景下，船舶使用岸電能夠有效地降低停船靠碼頭期間帶來的污染。本文結合深圳某臨海電廠，重點對岸電上船工程技術進行了分析，以期為我國岸電上船工程的實現起到一定的指導作用。

關鍵詞：電廠煤碼頭；岸電上船；技術分析

中圖分類號：U665 文獻標識碼：A

一艘大輪船停靠碼頭后通常要馬上卸貨。這時候船上仍有部分機械設備要運轉，船員生活也要用電。所以船上的內燃機并不能馬上停車，仍然要燃燒油料來發電。一般來說，輪船這種重型負荷使用的油料雜質很多，俗稱重油，其燃燒后產生的廢氣對空氣的污染要比汽油嚴重得多。這種污染在近年來逐漸被人們所重視。國家交通部、環保部在近年來先后制定了“岸電上船”的試行技術規范和鼓勵政策。“岸電上船”，顧名思義，就是將岸上的電源接上船，為船上的負荷供電；船上的內燃機停車，以減少對空氣污染。

正是在這種背景下，本著對社會負責的態度，深圳某臨海電廠在2014年底啟動了“煤碼頭岸電上船”工程，決定在煤碼頭南北泊位各建一套岸電系統。對煤碼頭來說，“岸電上船”似乎就是給煤船接一個臨時電源；而這對專業搞電的電廠來說，簡直就是小菜一碟。但實際情況卻沒那么簡單，就目前情況而言，國內幾家試點岸電上船的項目還沒有能稱得上成功的。

一、工程的難點

岸電電源取自電廠的廠用電6kV配電段備用開關柜，分別敷設電纜到煤碼頭的南北泊位，在南北泊位各建一個配電室，內有降壓變壓器和電源型變頻器，之后輸出400V、60Hz的電流到碼頭前沿插座箱，再通過3根截面積為185mm2的連接電纜將電流送到船上（連接電纜可以從船向碼頭放，也可以從碼頭向船上放。本工程是從船上向碼頭放）。接線示意圖如圖1所示。

對本工程而言，原理較簡單，但實施起來大體有以下兩大困難：

（一）變頻

我國實行的電流頻率是50Hz，當然我司的廠用電頻率也是50Hz，而船上設備大多采用歐美標準的60Hz，所以岸電上船前必須進行頻率轉換。這不能用普通的變頻器，要用專門開發的電源型變頻器，頻率保持60Hz不變，但要能忍受較大負荷的啟動電流，能帶大負荷。

（二）從岸船連接電纜的處理

船舷離碼頭實際上還有幾米寬的距離，再加上船面比地面高，電纜是斜著上船的。輪船剛到碼頭時裝滿煤，吃水深，船面比碼頭地面高3m左右；隨著卸煤，船面逐漸升高，最終船面比地面高8m，再加上受波浪的影響，船本身也是在起伏的，在這個過程中要求電纜能不斷自動放長或收縮。電纜放長了，電纜彎曲度過大，且要落進海水；放短了，電纜本身容易受到拉扯。3根幾十米長截面積為185mm2的銅電纜很重，先是要在船到岸時迅速將電纜送到岸上接好，后是要在船離岸時將電纜收到船上。由于空間所限，又不能在碼頭上建起重機。

二、變頻電源技術分析

通過對船上負荷的分析，對變頻電源器的技術要求如下：

（一）本次岸電采用SVPWM控制的基本原理

脈寬調制技術（PWM）在整流和逆變電源中廣泛應用，其基于沖量相等效果相同的采樣控制理論，即沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在慣性環節上時，輸出的相應波形基本相同。PWM電路基本上是電壓型的。

以逆變電路為例，通過IGBT對直流電壓進行開關控制，控制其輸出的脈沖寬度（占空比），即可控制輸出交流電壓的頻率和相位。為了獲得所需要的波形，通常將所需要的波形作為調制信號，并對高頻率的載波進行調制。理想的載波是等腰三角波，因為等腰三角波上下寬度與高度成線性關系且左右對稱，當它與低頻的調制波相交時，在交點時刻控制IGBT的通斷，就可以得到寬度正比于調制波幅值的脈沖，從而輸出與調制波一模一樣的波形。這就是俗稱的SVPWM控制。

（二）拓撲結構和濾波技術

本工程擬采用的拓撲結構如圖2所示，降壓變壓器輸出690V、50Hz交流，通過整流再逆變實現690V、60Hz輸出，再經過隔離降壓變壓器，輸出440V、60Hz上船。整流橋采用690V輸入是一個成熟的技術方案，這個電壓在風電中廣泛使用。根據SVPWM的電壓利用率，690V的輸入電壓對應約1000V的直流母線電壓，這樣，在保證IGBT的工作電壓安全裕度下，充分降低工作電流。針對本工程的800kVA的容量，整流和逆變采用單橋即可滿足要求。

整流橋前的LCL濾波器實際上具有BOOST升壓的功能，udc還可以適當抬高，根據IGBT的額定電壓水平，各廠家的Ud有差異。斬波器Chopper回路是為低電壓穿越而設計的。在雙饋型風機中，當電網出現短路時，一方面，風機定子的直流分量將引起轉子顯著的交流分量而導致轉子過流，進而引起udc過壓；另一方面，逆變器為了抑制直流電壓，導致其輸出電流增大，引起IGBT過流。因此必須采取措施來限制轉子的過電流和直流側的過電壓，通過Chopper導通電阻是措施之一，另外一個措施是轉子使用跨接器（Crowbar）導通三相滅磁電阻來吸收轉子的能量。

本工程采用Chopper來應對輸出側短路時，直流母線出現的過電壓，但這個拓撲并不能從根本上解決逆變器IGBT的過流問題，后面將對該問題進行論述。

（三）核心元器件

變頻器的主要核心器件如下：

1 IGBT

IGBT作為變頻器的核心器件，目前供應基本都是國外廠家，包括英飛凌、三菱、ABB以及西門康等。隨著國內高鐵、新能源發電的快速發展，國內市場對IGBT需求巨大，中國已經成為國際主流IGBT廠家的最大市場。目前低壓變頻器中廣泛使用的IGBT型號為德國英飛凌（infineon）公司，型號FF1400R17IP4，額定電壓：1700V，額定電流1400A。

2 直流儲能電容

直流儲能電容作為AC-DC-AC拓撲中直流儲能環節，需要承擔一定的直流電壓和峰值電流。同時直流電容作為儲能元件，影響產品的壽命。目前國內主流廠家目前基本都采用薄膜電容作為直流儲能電容，薄膜電容具有額定電壓高、有效電流大以及壽命長等特點。主要來自國外EPCOS、AVX以及ELECTRONICON等廠家。薄膜電容的設計壽命一般是10萬小時/85度，目前進口品牌電解電容壽命標稱為105度/5000小時。薄膜電容是近幾年才批量使用的產品，之前都是使用電解電容。部分國外公司的產品目前還基于電解電容。

3 LCL濾波器

LCL濾波器單元作為變頻器重要組成部分，承擔濾波作用，完成對入網或負荷側的諧波處理，主要由電感、電容組成。目前主要選用國外公司的電抗器與電容器，如電抗器采用芬蘭Trafotek公司產品，以確保產品可靠。

4 EMI濾波器

變頻器作為系統設備，根據相關電磁輻射標準，需要關注EMI問題，需要在輸入和輸出側配置EMI濾波器。目前EMI廠家以國外的EPCOS和schaffner為主。

5 斷路器及接觸器

為了和船上的設備統一，變頻電源器的主開關和接觸器一般選擇ABB的產品。

三、連接電纜的連接和收放

岸船連接用的380V電纜平時是以卷盤形式收在船的甲板上，靠岸后需要一圈一圈從卷盤中抽出放到岸上。普通的電纜是銅芯，又粗又硬，無法方便快捷地收放。所以必須選用特殊的柔性電纜。如果直接從船上向下放電纜，由于船弦和岸有幾米的距離，電纜由于自身重力，很可能掉到海水里，應由一根鋼絲繩將電纜牽引到岸上來。所以岸上還需要安裝一個卷揚機。

隨著卸貨，船會升高，連接電纜也應伸長，否則就會被拉直受力，甚至會被拉斷。所以電纜卷盤還應能在電纜受一定拉力后能自動放電纜。如果船舶發生了異常漂移，即使卷盤將電纜全部放出后仍不夠長，電纜仍受力被拉斷，這時應有保護動作來跳開岸上和船上的電源開關。

結語

岸電上船是一個利國利民的環保項目，同時也是一項新興技術，目前還在不斷的發展和完善中。該電廠的岸電上船工程完工后試運行總體上比較順利，在多方面進行了有益的探索，有一定的借鑒意義。

參考文獻

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