岸電改造方案

摘 要：文章介紹250kVA變頻電源改造方案設計，根據方案設計系統組，對變壓器、濾波器、變頻器和開關進行選型，改造后通過空載和帶載試驗測量諧波，與國家岸電試行標準進行對比并滿足電源供電標準。

關鍵詞：岸電；變頻電源；變頻器；濾波器

1 背景

中海油惠州物流基地碼頭已建成8套岸電電源，為國內船舶停靠時提供岸電供給。由于業務需要，外籍船舶停靠碼頭需求增多，原岸電電源不能滿足外籍船舶用電要求，根據此需求對原岸電電源進線改造。

2 概述

岸電電源是一種船用或者岸用大功率變壓變頻裝置，常常裝備在造船廠及修船廠、岸邊碼頭及遠洋鉆井平臺等高溫、高濕、高腐蝕性的惡劣環境，提供高精度高質量的電壓和頻率的電源。

隨著我國海洋工業的飛速發展，大量外國的船舶停泊在我國港口和碼頭。船舶停泊到碼頭，船上柴油機發電效率很低，發電成本高。柴油發電機組排放大量有害廢氣，而且產生噪聲，影響船員和碼頭附近居民的生活。所以無論是船主和還是港口管理方都需要岸電電源代替發電機組供電。

目前世界上的岸電主要有60Hz和50Hz，港口電網分別向60Hz和50Hz的船舶電網直接供電，都不涉及變頻技術。由于我國電網采用的頻率和電壓分別50Hz和380V，而大部分外籍船舶供電采用的是60Hz頻率和440V電壓，如果直接將50Hz的電源接入外籍船舶設備，會使設備的整體效率下降30%。通常采用岸上發電機組提供60Hz電源，但這種方法成本高，噪音大，而且同樣會造成陸上環境的嚴重污染，發電效率又低，維護成本高。隨著現代電力電子技術、微電子控制技術的不斷發展，采用IGBT作為功率器件的大功率逆變電路，特別在變頻調速領域得到廣泛的應用，為新型岸電供電技術——變頻電源替換發電機組打下堅實基礎。

3 方案設想

對8套岸電電源的其中2套進行改造，增加變頻單元，改造后既能提供380V 50Hz電源又能提供440V 60Hz電源。運行方式如下：

（1）國內船舶用電時，將變頻電源柜旁路開關合閘，變頻器電源分閘，變頻器不投入工作，直接將電網380V50Hz電源供給船舶。

（2）外籍船舶用電時，將變頻電源柜旁路開關分閘，變頻器電源合閘，變頻器投入工作，輸出440V60Hz電源供給船舶。

4 變頻電源

經過交-直-交變換的逆變電源稱為變頻電源。變頻電源的主要功用是將現有交流電網電源變換成用戶所需頻率。變頻電源用作標準供電電源，要保證電源輸出的波形穩定和純凈，提供最優良的供電環境。本方案采用Vacon NXS系列高性能變頻器作為整體變頻單元，變頻器作為整流和逆變單元、通過隔離變壓器升壓，具有以下特點：

（1）變頻器產品質量和運行可靠。

（2）變頻電源裝置采用干式隔離變壓器，能有效防止船上負載電網和岸電電網的相互干擾，并避免變頻電源裝置由于負載設備的故障而造成損壞。

（3）電源設計所選用的幾大部件都是成熟產品，其可靠性高，而且系統的結構簡單、線路清晰，便于日常的維護、診斷和維修。

（4）變頻電源裝置的輸出頻率和電壓在一定范圍內可調整，特別是在使用時出現線路電壓損耗的情況下，可調整設定值，升高電壓予以補償。

5 方案實施

VF-385AVN 變頻電源設備是定造的變頻電源設備，其技術參數為：額定輸入：380V/50Hz/3P5L；額定輸出：440V/60Hz/3P3L，額定輸出電流：328A，額定輸出功率：250kVA。它采芬蘭Vacon NXS系列高性能變頻電源專用變頻器作為整體逆變單元，配合正弦波濾波技術生產而成。

主電路框圖如圖1。

VF-385AVN變頻電源設備主要由：電源輸入主斷路器單元、輸入濾波升壓變壓器單元、逆變器單元、正弦濾波器單元、輸出變壓器隔離單元、輸出電力參數顯示單元、電源輸出主斷路器單元、一次回路單元、二次控制回路單元等九個功能部件組成，各部件的功能、電氣參數說明如下：

5.1 電源輸入主斷路器單元

電源輸入主斷路器單元是對整套變頻電源設備供電電源的啟/停控制以及短路、過流保護。選用施耐德CVS400F-3P塑殼斷路器，NSX（400-630）帶延伸旋轉操作手柄。

5.2 逆變器單元

采用芬蘭Vacon系列高性能矢量控制變頻電源專用變頻器作為整體逆變單元。變頻器的額定輸入電壓級別為500V；額定連續輸出電流為328A；1分鐘過載電流為450A；2秒鐘最大過載電流為540A。型號為：NXS03855000000A1A2B5。

5.3 正弦濾波器單元

正弦濾波器單元是將逆變單元輸出的SPWM波變換成正弦波。采用逆變器輸出端三階正弦波濾波器。該濾波器采用獨立濾波形式，電抗器采用銅箔繞制工藝，整體真空壓力浸漬漆絕緣處理，絕緣級別為F級。額定工作電流為380A。

5.4 輸出變壓器單元

輸出變壓器單元主要是隔離和變壓的作用。初、次級線圈均采用多股高純度無氧銅線圓柱形繞制，采用真空壓力浸漬漆絕緣處理工藝；鋼類部件采用鍍鋅并變壓器整體噴涂高溫防護漆。電氣參數：額定輸入電壓440V；額定輸出電壓440V；額定功率容量為250kVA。

5.5 輸出電力參數顯示單元

輸出電力參數顯示單元主要是對變頻電源輸出的11項電力參數進行測量和顯示以及輸出過流告警、過壓或欠壓告警、三相不平衡度告警控制。電氣參數：額定工作電壓為AC220V/50Hz；測量精度為0.5級。

5.6 電源輸出主斷路器單元

電源輸出主斷路器單元主要是對變頻電源輸出進行開/關控制以及輸出短路、過流保護。二路輸出保護開關，選用施耐德CVS400F-3P塑殼斷路器，NSX（400-630）帶延伸旋轉操作手柄。

5.7 一次回路單元

一次回路單元是變頻電源設備的主電氣連接電路，主電氣連接電路采用5X20，3X15，4X30銅排（套PVC色標熱縮管）；允許工作溫度為70℃。

5.8 二次控制回路單元

二次控制回路單元由逆變單元外圍控制電路和反饋電壓取樣電路組成。外圍控制電路主要是對逆變單元的運行、故障告警等狀態的指示以及對散熱風機、柜內照明等控制。電氣參數：所有元器件的額定工作電壓為AC220V/50Hz；控制信號為繼電器干接點（常開）。反饋電壓取樣電路是將變頻電源的輸出電壓通過電壓模擬變送器送到逆變單元進行PI運算控制，從而使變頻電源的輸出電壓穩定。電氣參數：額定工作電壓DC24V；模擬輸出信號為4～20mA。

VF-385AVN變頻電源設備一次結線圖如圖2。

根據國家岸電電源標準暫行實行辦法該岸電電源滿足以下指標：

（1）輸出頻率：通過參數設定可選擇頻率源、預置頻率、最大頻率設定。

（2）載波頻率：2kHz～6kHz，可設定。

（3）輸入頻率分辨率：0.01Hz。

（4）輸入電壓：400VAC±15%。

（5）輸出電壓：通過參數設定可設定變頻器的最大電壓輸出。

（6）控制方式：V/F獨立可調。

（7）過載能力：150%額定電流60s，180%額定電流10s，200%額定電流1s。

（8）內置PID，支持電壓的閉環控制。

（9）輸入端功率因數：0.95以上。

（10）自動電壓調整：當電網發生變化時，能自動保持輸出電壓恒定。

（11）上電自檢：可實現上電對外圍設備進行安全檢測，如接地短路等。

（12）定時控制：可通過變頻器參數設定來設定變頻器的運行時間。

（13）運行命令通道：可通過變頻器操作面板、控制端子按鈕給定、串行通訊口等方式進行變頻器的啟動、停止、復位操作。

（14）頻率源：可通過數字給定、模擬電壓給定、模擬電流給定、脈沖給定、串行口給定。

（15）輸入端子：數字輸入端子可實現對變頻器的啟動、停止、復位、多段速頻率輸出、正反轉等設定操作；模擬輸入端子可通過0-10VDC給定信號控制變頻器的0-380V輸出，通過0-10VDC反饋信號作為變頻器的穩壓輸出。

（16）保護功能：上電電機短路檢測、輸入輸出缺相保護、過流保護、過壓保護、欠壓保護、過熱保護、過載保護。

（17）繼電器輸出：通過參數設定可選擇繼電器在何種狀態下輸出，可采集變頻器的待機、運行、報警狀態。

（18）停機方式：停機命令有效后，變頻器直接停止輸出。

（19）運行時間：可查看變頻器運行時間，運行時間可累積。可選擇變頻器到達運行時間后的狀態選擇，如：停機、繼續運行等。

（20）母線端子：整流后母線預留接線端子，可加入直流電抗器，進行輸入側濾波。

（21）制動單元：防止電機發電時母線電壓沖擊過高，可加入制動單元，消耗負載電機的再生能量。

（22）并機運行：當需要擴充變頻器容量時，可通過并機實現，并機環流<5%。

（23）上升時間：通過參數設定可設定變頻器輸出電壓從零升至最大時的時間。

（24）故障信息：報警信息明確，分辨出具體故障點，如：缺相、短路、過熱等。有故障信息記憶功能。

（25）用戶密碼：可選擇啟用、停止使用密碼。如果啟用用戶密碼，在不輸入密碼的情況下，可以查看但不能更改變頻器參數，輸入密碼后可以查看并更改變頻器參數。

6 測試及諧波

變頻器諧波是變頻器運行過程中，需要對輸入電源用大功率二極管整流（或晶體管/逆變模塊）進行逆變；在其逆變過程中，在輸入輸出回路產生的高次諧波；變頻器諧波對供電系統、負載及其他鄰近電氣設備產生干擾。

VF-385AVN變頻電源設備帶有隔離變壓器和濾波器，能很好的抑制諧波，空載THDi=0.9%，帶載THDi=1.8%，空載及帶載測試電流波形和諧波如圖3，電源質量滿足供電要求。

7 結束語

針對碼頭岸電供電問題，提出了采用Vacon變頻技術將我國電網50Hz交流電變換成適合于船舶使用的60Hz交流電岸電供電的技術方案，該大功率岸電電源性能測試和碼頭現場測試均表明，該變頻電源滿足設計要求，解決電壓跌落，諧波抑制，穩壓以及強弱電隔離等靠岸船舶使用岸電供電的關鍵技術，可廣泛應用于船廠、港口、碼頭等需要60Hz供電的場合。

參考文獻

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作者簡介：伍永暢，男，電氣工程師，主要從事電氣設備管理。