岸電改造方案

摘 要：文章介紹250kVA變頻電源改造方案設(shè)計(jì)，根據(jù)方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)組，對(duì)變壓器、濾波器、變頻器和開關(guān)進(jìn)行選型，改造后通過(guò)空載和帶載試驗(yàn)測(cè)量諧波，與國(guó)家岸電試行標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比并滿足電源供電標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)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(guó)內(nèi)船舶停靠時(shí)提供岸電供給。由于業(yè)務(wù)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(jù)此需求對(duì)原岸電電源進(jìn)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(yuǎn)洋鉆井平臺(tái)等高溫、高濕、高腐蝕性的惡劣環(huán)境，提供高精度高質(zhì)量的電壓和頻率的電源。

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

目前世界上的岸電主要有60Hz和50Hz，港口電網(wǎng)分別向60Hz和50Hz的船舶電網(wǎng)直接供電，都不涉及變頻技術(shù)。由于我國(guó)電網(wǎng)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(shè)備，會(huì)使設(shè)備的整體效率下降30%。通常采用岸上發(fā)電機(jī)組提供60Hz電源，但這種方法成本高，噪音大，而且同樣會(huì)造成陸上環(huán)境的嚴(yán)重污染，發(fā)電效率又低，維護(hù)成本高。隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)、微電子控制技術(shù)的不斷發(fā)展，采用IGBT作為功率器件的大功率逆變電路，特別在變頻調(diào)速領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，為新型岸電供電技術(shù)——變頻電源替換發(fā)電機(jī)組打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3 方案設(shè)想

對(duì)8套岸電電源的其中2套進(jìn)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(yùn)行方式如下：

（1）國(guó)內(nèi)船舶用電時(shí)，將變頻電源柜旁路開關(guān)合閘，變頻器電源分閘，變頻器不投入工作，直接將電網(wǎng)380V50Hz電源供給船舶。

（2）外籍船舶用電時(shí)，將變頻電源柜旁路開關(guān)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(jīng)過(guò)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(xiàn)有交流電網(wǎng)電源變換成用戶所需頻率。變頻電源用作標(biāo)準(zhǔn)供電電源，要保證電源輸出的波形穩(wěn)定和純凈，提供最優(yōu)良的供電環(huán)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(guò)隔離變壓器升壓，具有以下特點(diǎn)：

（1）變頻器產(chǎn)品質(zhì)量和運(yùn)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(fù)載電網(wǎng)和岸電電網(wǎng)的相互干擾，并避免變頻電源裝置由于負(fù)載設(shè)備的故障而造成損壞。

（3）電源設(shè)計(jì)所選用的幾大部件都是成熟產(chǎn)品，其可靠性高，而且系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、線路清晰，便于日常的維護(hù)、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(nèi)可調(diào)整，特別是在使用時(shí)出現(xiàn)線路電壓損耗的情況下，可調(diào)整設(shè)定值，升高電壓予以補(bǔ)償。

5 方案實(shí)施

VF-385AVN 變頻電源設(shè)備是定造的變頻電源設(shè)備，其技術(shù)參數(shù)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(shù)生產(chǎn)而成。

主電路框圖如圖1。

VF-385AVN變頻電源設(shè)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(shù)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(gè)功能部件組成，各部件的功能、電氣參數(shù)說(shuō)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(duì)整套變頻電源設(shè)備供電電源的啟/停控制以及短路、過(guò)流保護(hù)。選用施耐德CVS400F-3P塑殼斷路器，NSX（400-630）帶延伸旋轉(zhuǎn)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(jí)別為500V；額定連續(xù)輸出電流為328A；1分鐘過(guò)載電流為450A；2秒鐘最大過(guò)載電流為540A。型號(hào)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(dú)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(jí)別為F級(jí)。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(jí)線圈均采用多股高純度無(wú)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(hù)漆。電氣參數(shù)：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(shù)顯示單元

輸出電力參數(shù)顯示單元主要是對(duì)變頻電源輸出的11項(xiàng)電力參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和顯示以及輸出過(guò)流告警、過(guò)壓或欠壓告警、三相不平衡度告警控制。電氣參數(shù)：額定工作電壓為AC220V/50Hz；測(cè)量精度為0.5級(jí)。

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(duì)變頻電源輸出進(jìn)行開/關(guān)控制以及輸出短路、過(guò)流保護(hù)。二路輸出保護(hù)開關(guān)，選用施耐德CVS400F-3P塑殼斷路器，NSX（400-630）帶延伸旋轉(zhuǎn)操作手柄。

5.7 一次回路單元

一次回路單元是變頻電源設(shè)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(biāo)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(duì)逆變單元的運(yùn)行、故障告警等狀態(tài)的指示以及對(duì)散熱風(fēng)機(jī)、柜內(nèi)照明等控制。電氣參數(shù)：所有元器件的額定工作電壓為AC220V/50Hz；控制信號(hào)為繼電器干接點(diǎn)（常開）。反饋電壓取樣電路是將變頻電源的輸出電壓通過(guò)電壓模擬變送器送到逆變單元進(jìn)行PI運(yùn)算控制，從而使變頻電源的輸出電壓穩(wěn)定。電氣參數(shù)：額定工作電壓DC24V；模擬輸出信號(hào)為4～20mA。

VF-385AVN變頻電源設(shè)備一次結(jié)線圖如圖2。

根據(jù)國(guó)家岸電電源標(biāo)準(zhǔn)暫行實(shí)行辦法該岸電電源滿足以下指標(biāo)：

（1）輸出頻率：通過(guò)參數(shù)設(shè)定可選擇頻率源、預(yù)置頻率、最大頻率設(shè)定。

（2）載波頻率：2kHz～6kHz，可設(shè)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(guò)參數(shù)設(shè)定可設(shè)定變頻器的最大電壓輸出。

（6）控制方式：V/F獨(dú)立可調(diào)。

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

（8）內(nèi)置PID，支持電壓的閉環(huán)控制。

（9）輸入端功率因數(shù)：0.95以上。

（10）自動(dòng)電壓調(diào)整：當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生變化時(shí)，能自動(dòng)保持輸出電壓恒定。

（11）上電自檢：可實(shí)現(xiàn)上電對(duì)外圍設(shè)備進(jìn)行安全檢測(cè)，如接地短路等。

（12）定時(shí)控制：可通過(guò)變頻器參數(shù)設(shè)定來(lái)設(shè)定變頻器的運(yùn)行時(shí)間。

（13）運(yùn)行命令通道：可通過(guò)變頻器操作面板、控制端子按鈕給定、串行通訊口等方式進(jìn)行變頻器的啟動(dòng)、停止、復(fù)位操作。

（14）頻率源：可通過(guò)數(shù)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(shù)字輸入端子可實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的啟動(dòng)、停止、復(fù)位、多段速頻率輸出、正反轉(zhuǎn)等設(shè)定操作；模擬輸入端子可通過(guò)0-10VDC給定信號(hào)控制變頻器的0-380V輸出，通過(guò)0-10VDC反饋信號(hào)作為變頻器的穩(wěn)壓輸出。

（16）保護(hù)功能：上電電機(jī)短路檢測(cè)、輸入輸出缺相保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、過(guò)載保護(hù)。

（17）繼電器輸出：通過(guò)參數(shù)設(shè)定可選擇繼電器在何種狀態(tài)下輸出，可采集變頻器的待機(jī)、運(yùn)行、報(bào)警狀態(tài)。

（18）停機(jī)方式：停機(jī)命令有效后，變頻器直接停止輸出。

（19）運(yùn)行時(shí)間：可查看變頻器運(yùn)行時(shí)間，運(yùn)行時(shí)間可累積。可選擇變頻器到達(dá)運(yùn)行時(shí)間后的狀態(tài)選擇，如：停機(jī)、繼續(xù)運(yùn)行等。

（20）母線端子：整流后母線預(yù)留接線端子，可加入直流電抗器，進(jìn)行輸入側(cè)濾波。

（21）制動(dòng)單元：防止電機(jī)發(fā)電時(shí)母線電壓沖擊過(guò)高，可加入制動(dòng)單元，消耗負(fù)載電機(jī)的再生能量。

（22）并機(jī)運(yùn)行：當(dāng)需要擴(kuò)充變頻器容量時(shí)，可通過(guò)并機(jī)實(shí)現(xiàn)，并機(jī)環(huán)流<5%。

（23）上升時(shí)間：通過(guò)參數(shù)設(shè)定可設(shè)定變頻器輸出電壓從零升至最大時(shí)的時(shí)間。

（24）故障信息：報(bào)警信息明確，分辨出具體故障點(diǎn)，如：缺相、短路、過(guò)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(shù)，輸入密碼后可以查看并更改變頻器參數(shù)。

6 測(cè)試及諧波

變頻器諧波是變頻器運(yùn)行過(guò)程中，需要對(duì)輸入電源用大功率二極管整流（或晶體管/逆變模塊）進(jìn)行逆變；在其逆變過(guò)程中，在輸入輸出回路產(chǎn)生的高次諧波；變頻器諧波對(duì)供電系統(tǒng)、負(fù)載及其他鄰近電氣設(shè)備產(chǎn)生干擾。

VF-385AVN變頻電源設(shè)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(cè)試電流波形和諧波如圖3，電源質(zhì)量滿足供電要求。

7 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)碼頭岸電供電問(wèn)題，提出了采用Vacon變頻技術(shù)將我國(guó)電網(wǎng)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(shù)方案，該大功率岸電電源性能測(cè)試和碼頭現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試均表明，該變頻電源滿足設(shè)計(jì)要求，解決電壓跌落，諧波抑制，穩(wěn)壓以及強(qiáng)弱電隔離等靠岸船舶使用岸電供電的關(guān)鍵技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于船廠、港口、碼頭等需要60Hz供電的場(chǎng)合。

參考文獻(xiàn)

[1]吳振飛，葉小松，邢鳴.淺談船舶岸電關(guān)鍵技術(shù)[J].電氣應(yīng)用，2013（06）.

[2]盧明超，劉汝梅，石強(qiáng)，等.內(nèi)外港口船舶岸電技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀[J].港工技術(shù)，2012（03）.

[3]李恒煥.大型船舶靠港使用岸電的研究[J].上海造船，2011（02）.

作者簡(jiǎn)介：伍永暢，男，電氣工程師，主要從事電氣設(shè)備管理。