港口岸電系統及其電力變換研究

邵明杰，施偉鋒

（上海海事大學 物流工程學院，上海 201306）

港口岸電系統及其電力變換研究

邵明杰，施偉鋒

（上海海事大學 物流工程學院，上海 201306）

根據港口岸電的發展趨勢和大量的低壓電制船舶供電需求，本文首先設計了一種可供船舶靠港期間正常運作和日常用電的移動式岸基船用變壓變頻供電系統。然后，在MATLAB/Simulink中建立了此系統的數字仿真模型。最后，采用上海港外高橋二期集裝箱碼頭岸電嘗試案例中的數據進行正常工況和單相短路故障仿真，仿真結果表明：正常工況下輸出電壓、頻率穩定可靠，故障情況下，輸出線電壓波形不變，負載可短時間運行。

港口岸電 移動式 變壓變頻 仿真

0 引言

在港航業蓬勃發展的今天，靠港船舶依靠其輔機燃燒柴油供電對周圍環境造成的污染會嚴重影響當地的生態環境質量。應“十三五”規劃提出的生態環境質量改善指標，港航領域通過對靠港船舶接用岸電為其提供電能會大大減少空氣污染，改善當地的生態環境質量，同時這也是建設綠色港口的重要一步。先前的岸基船用變壓變頻供電系統需要對碼頭進行動工改造，碼頭還要為其提供必需的電氣設備才能供其正常運作，應用靈活性差。據統計，我國大多數是為電制380 V/50 Hz和 450 V/60 Hz的靠港船舶提供岸電，6.6 kV/60 Hz的船舶僅占10%左右[1]，所以研究輸出為450 V/60 Hz的可移動式岸電電源具有實際意義。

1 岸基船用供電系統結構

目前，船用岸電供電方式有三種典型的方式，分別為：低壓岸電/低壓船舶/60 Hz直供電，高壓岸電/低壓船舶/50 Hz直供電，高壓岸電/高壓船舶/60 Hz直供電[2]。本文以上海港在外高橋二期集裝箱碼頭為集裝箱班輪提供岸電的嘗試（輸入為10 kV/50 Hz，輸出為440 V/60 Hz）[3]為例展開研究。其船用岸電系統結構如圖1所示，接電箱引出10 kV/50 Hz線纜至移動岸電箱，該移動岸電箱內置變壓變頻裝置，可按需進行電壓、頻率轉換，移動岸電箱另一側直接接船舶負載，使用起來方便靈活。

圖1 岸基船用供電系統結構圖

2 移動式岸電電源設計方案

該移動式岸電電源系統主要由以下幾部分組成：降壓變壓器、串聯整流器、兩電平逆變器、正弦濾波器、隔離變壓器，結構如圖2所示。

2.1 降壓變壓器

該降壓變壓器為三相三繞組變壓器，實現陸域電網電壓10kV/50Hz到岸電電源工作電壓的轉變，其一次側繞組采用三角形接法，二次側繞組一個采用星形接法且中線可見，另一個采用三角形接法，繞組間互差30°，其結構在圖2中可見。

2.2 功率單元

功率單元即為整流逆變環節，整流電路采用兩個全橋二極管整流串聯形式，以抬高直流側輸出電壓，同時也可以減少對網側電壓電流波形的污染。為了減小整流過程中電容里會流過對二極管有損壞作用的浪涌電流，在直流側采取接入電抗器的措施，電感值為0.0002 H，電容值為0.005 F。逆變器是實現直流到交流和頻率轉換的重要部分，采用三相橋式逆變電路，通過調制信號控制晶閘管的導通關斷順序和作用時間來實現其逆變功能，其結構在圖2中可見。

2.3 隔離變壓器

正弦濾波器將逆變輸出的方波濾成正弦波輸出到隔離變壓器，在得到所需電壓的同時可以避免非線性電氣負載對電源系統造成的諧波污染和由于負載設備故障造成的電源系統損壞，其結構在圖2中可見。

圖2 移動式岸電電源結構

2.4 控制器

圖3 逆變器脈沖控制圖

實現對逆變器正確的脈沖觸發是控制器設計的重要一環，調制步驟主要是通過采集濾波后的電壓，在鎖相環（PLL）給坐標變換器abc-dq0、dq0-abc提供角頻率的同時，采集到的實時電壓經abc-dq0坐標變換與給定值進行比較，再通過 PI調節器和dq0-abc坐標變換輸出給PWM發生器，進而產生脈沖觸發逆變器，其結構在圖3中可見。

3 仿真分析

3.1 仿真參數設置

仿真程序中關鍵參數設置集中如下：三相電源電壓等級、頻率、容量分別設置為10 kV、50 Hz、10 MVA；降壓變壓器變比為10 kV/720 V；正弦濾波器中L=0.005 mH，Qc=0.003 Kvar；隔離變壓器變比為660 V/460 V；PWM發生器載波頻率2400 Hz，控制器中PI調節器的比例、微分參數分別為Kp=0.4、Ki=500；鎖相環頻率設置為60 Hz。

圖4 岸基船用供電系統仿真圖

3.2 正常工況分析

圖5 隔離變壓器一次側線電壓

圖6 隔離變壓器一次側線電壓局部放大圖

靠港船舶正常用電情況下，輸出環節數據曲線如圖5-9所示。 從圖5中可以看出隔離變壓器一次側線電壓曲線在0.01 s內經過一個過電壓之后便可達到穩定運行狀態，峰值為660 V。

從圖 7中可以看出負載端三相電壓曲線在0.01 s內經過一個不穩定期之后便可進入穩定平衡電壓狀態，峰值為450 V。從圖9所示的頻率波動曲線中可以看出，0.02 s內頻率波動誤差為0.25 Hz，之后頻率基本維持在60 Hz左右。

圖7 負載端三相電壓波形

圖8 負載端三相電壓波形局部放大圖

3.3 故障狀態分析

當遭遇惡劣天氣時，靠港船舶很容易因為甲板上浪導致突發性短路故障，仿真程序中利用故障模塊模擬靠港船舶單相接地故障，由于船舶岸電系統采用分布式IT接地方式，故船體負載處于懸浮狀態[2]。設置0.05 s時發生A相接地故障，0.1 s時自動解除。仿真結果如圖10-11所示，不難可以看出，故障相A的電壓降到零，非故障相的電壓升高為線電壓，且線電壓圖形依然保持對稱且大小不變，實際中應根據故障信號人為排查解除故障，以免造成更大的危害。

圖9 逆變頻率圖

圖10 故障狀態三相相電壓

4 結束語

本文在采用三相三繞組變壓器二次側串聯二極管橋式整流電路的拓撲結構上，和逆變器脈沖控制方法上有所新意，并在 MATLAB/Simulink中有效的模擬了上海港外高橋二期集裝箱碼頭岸電嘗試的例子，無論在穩定運行狀態還是故障情況下，仿真結果真實有效，能反映實際情況，可供港航業相關技術人員參考使用。

圖11 故障狀態三相線電壓

[1]崔杰. 低壓船舶岸電供電電源的研制[D]. 秦皇島：燕山大學碩士學位論文, 2015:2.

[2]畢大強, 郜克存, 戴瑜興. 船舶岸電技術[M]. 北京:科學出版社, 2015: 4-6, 189.

[3]包起帆. 上海港岸基船用供電系統研究與實踐[J].中國工程科學, 2011, (09): 63-68.

Research on Shore Power Supply System and its Power Conversion in Port

Shao Mingjie, Shi Weifeng
(Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

According to the development trend of ship-to-shore power supply and a large number of low-voltage ships, a portable land-based marine VVVF power supply system is firstly designed in this paper for ship-to-shore during normal operation and daily use of electricity, and then its digital simulation model is set up by MATLAB/Simulink. Finally, the normal working condition and single-phase short circuit fault simulation are carried out by using the data in the case of the onshore Power Supply in Shanghai Port Waigaoqiao Terminal. The simulation results show that the output voltage and frequency under normal condition is stable and reliable, the output line voltage is waveform unchanged under fault conditions, and the load can run in short time.

ship-to-shore power; portable; VVVF; simulation

TM43

A

1003-4862（2017）10-0064-04

2017-07-18

邵明杰(1991-)，男，碩士生。研究方向：船舶/港口系統的建模與控制。E-mail：mjshaomj@163.com