干液貨發送裝置無功功率補償

黃家田，林雄偉，張 楠，張 健

（1. 北部戰區海軍保障部，山東青島 266001；2. 上海船舶設備研究所，上海 200031）

0 引言

干液貨發送裝置作為海上航行過程中兩船之間傳輸干貨、液貨的重要裝備，為遠海航行船舶提供了高效的續航保障。干貨、液貨發送裝置的裝機容量大，尤其在兩舷的站位同時補給運行時，部分電機處于空載運行狀態，導致功率因數降低，以至于影響到船舶電網的品質及用電設備的正常運行，降低了變電、輸電設備的能力[1]。當負載側功率因數較低時，船舶發電機受額定電壓和額定電流的限制。因此，船舶電站是船舶的主要動力源，是船舶電力系統的核心，對干液貨發送裝置的電網進行無功功率補償、改善船舶電網品質 尤為重要[2]。

1 干液貨發送裝置運行現狀

液貨發送包含以下工況：啟動液壓動力單元、架索、燃油輸送和收索。

1）啟動液壓動力單元階段。跨索、內鞍座索、中鞍座索、外鞍座索的電機啟動后，均處于空載工況。

2）架索階段。跨索、內鞍座索、中鞍座索、外鞍座索的電機依次緩慢放出鋼索，放出鋼索的電機為帶載工況，未放出鋼索的其它電機仍處于空載工況。

3）燃油輸送階段。跨索、內鞍座索、中鞍座索電機處于空載工況，外鞍座可能隨船距進行收放，收放時的外鞍座電機處于帶載工況，未收放時的外鞍座電機仍處于空載工況。跨索絞車會根據船舶運動情況自動進行兩級補償，兩級補償期間高架索絞車電機為帶載工況。

4）收索階段。跨索、內鞍座索、中鞍座索、外鞍座索依次緩慢收回鋼索，回收鋼索的電機為帶載工況，未放出鋼索的其它電機仍處于空載工況。

干貨發送裝置包含以下工況：啟動液壓動力單元、架索、干貨輸送和收索。

1）在啟動液壓動力單元階段。高架索、內牽索、外牽索、升降裝置的電機啟動后，均處于空載工況。

2）在架索階段。高架索絞車、外牽索絞車依次緩慢放出鋼絲繩，其余泵則處于空載狀態。

3）干貨傳輸階段。各索道處于張緊狀態。貨物在補給船升降時，升降裝置電機帶載輸出；貨物傳送時，內牽索絞車電機帶載輸出，外牽索處于恒張力狀態；補償船舶運動時，電機帶載輸出，高架索絞車會根據船舶運動情況自動進行兩級補償，兩級補償期間高架索絞車電機為帶載工況。

4）回收高架索階段。主要為高架索絞車慢速收回鋼絲繩。在整個補給過程中，高架索絞車自動進行二次補償，4 個主泵均處于輕載貨空載運行，導致功率因數較低。

通過分析補給工況得出，補給裝置的電機除架索和收索外，基本處于空載或輕載工況。由于電機在空載條件下的功率因數約為0.3～0.4，補給工況的特殊性便決定了補給裝置運行時的功率因數。

2 提高功率因數的可行性分析

無功功率補償主要有以下2 種方法：傳統純電容無功補償法和動態無功補償法。

傳統純電容無功補償法是將電容器直接并聯到補給配電站的供電銅排上。補給作業的特殊工況決定了補給裝置的無功功率是動態隨機變化的。由于電容器補償的無功功率是固定的，不能根據補給過程中負載的實時變化進行無功動態補償，因而補償響應速度慢，精度較低，穩定性差，所以該方法是不建議使用的。

若采用電容器進行無功補償則可能存在以下風險。

1）電容器是傳統的無功補償裝置，但不能對無功負荷進行動態調整，與電網的需要不能完全保持一致，由此便會影響電壓質量和電網的穩定運行，嚴重時則會使電網崩潰。

2）電容器只能補償固定的無功功率，電容量會隨時間逐漸衰減，在電力系統中有諧波時，電容器會使得諧波放大，導致無功補償裝置有很高的并聯諧振風險。因此電容器燒毀甚至爆炸事故時有發生，電網也會頻繁出現空壓機、變頻器等設備模塊莫名擊穿、損壞的問題。

3）加入電容器可以進行無功補償，但是只能補償固定的無功功率，由于橫補裝置的無功功率是動態變化的，電容器不能對無功功率進行動態調整，無法與船舶電網的無功功率補償需求完全保持一致，由此則會影響電網電壓質量和電網運行的穩定性，嚴重時還會使電網崩潰。

4）對于電容固定補償的方式，若電網無功容量不足，往往會造成負荷端的供電電壓過低，從而影響設備的正常使用。反之，若無功容量過剩，則會造成電網的運行電壓過高、電壓波動率過大，也會造成不良影響。無功容量的計算需要綜合考慮全船的電力系統，僅針對補給設備端的無功計算結果并不準確。

5）電容器的自然老化和運行中過電流、過電壓、諧波、鹽霧及環境溫度過高等常造成電容器內部元件的損壞。如不能將故障電容器從電網上切除，故障電容器將會因絕緣而發生短路。電容器內部短路后，由于電弧產生的大量熱能會使絕緣油分解，產生大量氣體，使得殼箱內的壓力增大，嚴重時還會引起劇烈爆炸，造成設備損壞及人員傷亡，甚至發生火災、電網停電等惡性事故，大大威脅了船舶電網的安全運行。

6）電網中諧波含量過大易造成電容器的損耗或過早損壞，由于電容器諧波的放大作用會加重諧波干擾，進而影響整船供電電源的品質。

7）無功補償電容柜體積空間較大，發熱量大，需要專門的空調管道對其進行冷卻通風散熱。

8）艙室內含有空氣瓶，因而周圍禁止放置易燃易爆品；無功補償電容柜內如果發生爆炸甚至火災，后果會極其危險，對船舶甚至人身安全造成極大的危害。

9）采用電容補償的方式，據初步估算占地空間 ， 每 個 液 貨 站 共 需 2 面 約 為2 000 mm×800 mm×600 mm（高×寬×深）的電容補償柜； 每個干貨站共需 3 面約為2 000 mm×8 0 0 m m×600 mm（高×寬×深）的電容補償柜，且重量較重。

10）電容補償柜內的電容補償器發熱量大，需考慮足夠的通風方式，但矛盾的是這會導致柜體泄露的電磁輻射量過大，從而影響船舶其他電子設備的正常運行。

先進的動態無功補償方案，可根據補給裝置的負荷變化有效調節功率因數，且效果較好。

如需將功率因數提高至0.8，則應保證電站的輸出功率因數大于0.8，需在每個干液貨發送裝置站分別增加1 套無功補償裝置，共需4 套無功功率補償裝置，安裝在電站配電板和補給裝置之間（泵艙內），并連接到補給裝置配電柜。初步計算分析，每個液貨、干貨補給站各需動態無功補償裝 置 柜 體 的 尺 寸 約 為2 000 mm×800 mm×600 mm，同時需考慮通風、散熱、電磁兼容和環境溫度的問題。

如果考慮加動態無功補償裝置，因市場上設備的電磁兼容性、可靠性無法保證，設備電磁輻射嚴重，無功補償裝置會對干液貨發送裝置電控系統造成電磁干擾，從而影響控制柜內電子元器件的正常工作，使補給裝置無法正常工作；同時也可能造成對船舶電網的諧波污染，進而影響到船舶其它設備使用的電源品質。具體情況需要立項進行科研分析與論證。動態無功裝置內含有IGBT 等電子元器件，運行環境溫度苛刻，工作范圍約為0℃～40℃，在運行時，發熱量大，需考慮增加排風設施。

無論補償裝置放置采用何種補償方式，其補償效果均有待驗證。無功補償裝置柜發熱量大，電磁輻射較強，設備在船舶上的可靠性和環境適應性需進一步驗證。若采用不合理的無功補償裝置，則會造成整個船舶的電能質量變差從而影響系統的正常運行。當電力補償電容器自然老化以及運行中過電流、過電壓、諧波及環境溫度過高等原因，常造成電容器內部元件的損壞。如不能將故障電容器從電網上切除，將會因絕緣而發生短路。電容器內部短路后，電弧產生的大量熱能會使絕緣油分解，產生大量氣體。

3 解決方案

在干液貨發送裝置中，采用就近補償靜止無功發生器的方法，將電容器直接并聯到補給配電站的供電銅排上，可根據補給裝置的負荷變化有效調節功率因數。該補償方案的效果較好，電容器靠近液壓機組用電設備，就地平衡無功電流，可有效避免液壓機組在空載或輕載時的過補償。

干液貨發送裝置無功補償裝置通過提高液壓機組功率因數，減少無功功率流動來提高輸入端電壓、降低船上電網的損耗。根據各補給階段的負荷變化，進行頻繁的投入或切除操作，而此投入或切除操作通過自動切換開關控制，能夠準確、快速地實現無功功率補償。選用靜止無功發生器即靜止同步補償器是較為先進的靜止無功補償裝置。裝置中可關斷晶閘管分別與二極管反向并聯，適當控制晶閘管的通斷可以把電容器上的直流電壓轉變成為與電力系統電壓同步的三相交流電壓、裝置的交流側通過電抗器或變壓器并聯接入系統。適當控制逆變器的輸出電壓可以靈活地改變靜止無功發生器的運行工況，使其處于容性負荷、感性負荷或零負荷狀態。靜止無功發生器的響應速度快、運行范圍寬、諧波電流含量小，在電壓較低時靜止無功發生器仍可向系統注入較大的無功電流。其儲能元件如電容器的容量遠比所提供的無功容量要小，將補給過程中的各補給站位功率因數提高至0.8。

3.1 補償位置

補給船上設備較多，若提高功率因數，無功補償位置可采用2 種方式，即集中式補償和分布式補償。

在大型船舶上，一般在主電站側進行集中補償[3]。因此，補給船上設備較多，采用集中補償的方式最佳，即在發電機側增加功率補償裝置，補償功率因數穩定，造價低，占地空間少。采用分布式補償，即在補給設備側增加功率補償裝置，成本高，占地空間多。

3.2 實施方法

補給船舶有4 套干液貨發送裝置，每套分別增加1 套無功補償裝置，則共需4 套無功功率補償裝置安裝在電站配電板和補給裝置之間（泵艙內），且并聯到補給裝置配電柜。將液貨站功率因數由0.34 提高至大于0.8，將干貨站功率因數由0.42 提高至大于0.8。

3.2.1 液貨發送站

1）目標功率因數

第一臺發電機和第二臺發電機的供電功率因數均為0.76，將此數據作為目標值。

2）液貨補給功率因數

啟動液壓循環泵的最低功率因數為0.33，將此數據作為初始值。

3）有功功率需求量

回收跨索動作為最大功率狀態49.2 kW，將此數據作為功率基礎數據。另外，實際作業中還有可能出現短時極端工況，考慮安全翻倍裕量，即98.4 kW。

如果選擇300 A 電子無功補償設備，則尺寸為1 560 mm×582 mm×438 mm（高×寬×深）。通風形式為下進風上出風，需考慮在上端和下端分別預留200 mm 和220 mm 的散熱空間。

3.2.2 干貨發送站

1）目標功率因數

第一臺發電機供電功率因數均為0.81，將此數據作為目標值之一。第二臺發電機供電功率因數均為0.77，將此數據作為目標值之二。

2）現在功率因數

其中啟動液壓循環動的最低功率因數為0.37，將此數據作為現在值。

3）有功功率需求量

回收高架索動作為最大功率狀態80.7 kW，將此數據作為功率基礎數據。實際作業中有可能出現短時極端工況，考慮安全翻倍裕量，即161.4 kW。

由此可知，所需的無功補償功率為235 kVAR ～253 kVAR，換算為無功電流為39 A～365 A，則可以選擇360 A～400 A 的電子無功補償設備。若選擇360 A 電子無功補償設備，為300 A＋60 A 的并聯使用，其中300 A 的設備尺寸為1 560 mm×582 mm×438 mm。通風形式為下進風上出風，需考慮在上端和下端分別預留200 mm 和220 mm 的散熱空間。合計設備所需空間尺寸為1 980 mm×1 003 mm×438 mm。

4 解決方案對比

增加無功補償裝置的利處在于，可使功率因數由0.65～0.76 升至約0.8，在一定程度上降低了電能損耗，進而節省了電能。然而，該裝置也易對現有船舶電網造成諧波污染、電壓波動等負面效果，影響其電源品質，進而干涉其他設備的正常運行，補償效果難盡人意。很難滿足船型試驗的要求，如電磁輻射、散熱、高低溫、沖擊、振動等。

基本無功功率的補償裝置宜在發電機輸出側進行補償[4]。該裝置功率因數補償效果好，成本相對較低，占空間小，實施較容易，原理如圖1所示。

圖1 集中補償原理圖

功率因數補償效果較差，成本相對高，占空間大，實施工作復雜，原理如圖2 所示[5]。

圖2 就地式補償原理圖

5 結論

無功功率補償裝置安裝在發電機出線端，使電網的功率因數維持在cosΦ＝0.8（滯后），補償效果較好。干液貨發送裝置無功補償設備的合理配置，與電網供電電壓質量的關系十分密切。進行無功功率補償，不僅需要考慮干液貨發送裝置設備，還需考慮其它船舶設備，這樣對功率因數的改善效果會更佳。對整個船舶的電網進行改造，可提高船舶運行的安全性和可靠性。