郵輪岸基變頻供電系統關鍵技術與應用

陳一新

廈門港務集團和平旅游客運有限公司

1 引言

船舶在港口靠泊期間燃油發電所帶來的廢氣排放給周邊大氣帶來了嚴重污染，對靠港船舶采用岸基供電的方式可實現船舶靠泊期間廢氣的零排放，從而達到治理大氣污染的目的[1]。在各類型的船舶岸基供電系統中，郵輪岸電系統的供電電壓最高、供電容量最大、供電系統構成最復雜，其對供電可靠性的要求也最高。根據郵輪岸電實施和運行的特點，針對船舶岸基供電系統應用中出現的問題，對其進行了分析，并給出了相應的技術解決方案。同時，針對國內郵輪碼頭不能同時滿足郵輪雙側供電的問題，介紹了廈門郵輪港在國內郵輪碼頭首次實現郵輪全船型供電的解決方案。

廈門郵輪港船舶岸基變頻供電系統位于廈門東渡港區0#泊位，采用高壓上船方式，總容量為16 000 kVA，通過調頻調壓方式實現6.6 kV/60 Hz和11 kV/60 Hz兩種電制輸出，滿足最大單艘22萬t級郵輪靠泊作業期間的供電需求。針對郵輪岸電的高動態響應、高電能質量、高適配能力需求，廈門港郵輪岸電系統在實施過程中解決了船岸并網沖擊、電能質量差和船舶兼容性差等問題。同時，鑒于國內其他郵輪岸電系統只能對郵輪進行單側供電，廈門郵輪港岸電系統將滿足郵輪的雙側供電，從而實現對全船型郵輪的供電。

2 郵輪岸基供電關鍵技術

2.1 船岸并網過程中的功率穩定控制技術

岸電系統與船舶電力系統在并網前以各自的頻率、幅值與相位獨立運行，因此船舶電力系統在與岸電的并網過程中會出現功率波動。此外，船岸并網過程中如果船舶發電機意外停機，則岸電輸出功率會瞬時大幅波動，對并網系統造成巨大沖擊，嚴重時將損壞船岸兩側設備。同時，并網過程中船側負荷的瞬時變化也會導致功率回流，若不能及時處理，則岸電設備會受到損壞，這些問題極大地阻礙了岸電技術的推廣[2]。

為解決船岸并網切換中出現的這些問題，岸基變頻供電系統的核心設備變頻電源必須具有高動態響應能力，從而精確快速地對功率流進行控制，處理并網過程中的功率波動和逆功率沖擊，變頻電源控制參數可采用辨識優化算法。在變頻電源控制參數辨識優化算法中，通過建立供電指標規則，根據實際工況對各供電指標的不同要求賦予相應權值，并求得各指標偏離理想輸出特性的加權均值，以尋求不同工況下變頻電源的最優控制參數，從而實現岸電系統在復雜工況下的控制參數自適應調節，岸電變頻電源控制參數辨識優化流程見圖1。

圖1 岸電變頻電源控制參數辨識優化流程

豪華郵輪具有先進完善的電力管控系統，可對船舶電力負荷的用電需求進行實時管控，動態掌握每個時段的用電量并及時通知岸基變頻電源。在船舶電力接入岸電系統時，可根據船岸兩側電力系統的差異以及船舶負荷無縫切換的需求按并網過程進行多時段劃分，以形成適用于不同并網環節的變頻電源控制方式及功率波動平抑策略，從而在大幅降低并網合閘時刻沖擊功率波動的同時，保證船舶燃油發電機組退出運行后的岸電運行穩定性。

同時，針對船岸供電并網時船側發電機和岸電電源頻率、電壓和相位失配問題引起的逆功率傳輸問題，可以采用能量回饋型無損吸收回路輔以自適應主動抑制策略的方式，以實現船岸并網時的逆功率有效處理，確保船岸并網的可靠性[3]。

2.2 岸電系統中的網側和船側電能質量提升技術

大容量岸基變頻供電系統需要高品質供電，一方面，豪華郵輪內部電氣系統復雜、線路阻抗大、敏感負載多，對岸基供電系統輸出的電能質量要求苛刻；另一方面，船舶電網與岸電的并網過程往往伴隨著極大的沖擊功率波動，由此產生的大量諧波會對岸船兩側的電氣設備正常運行造成影響。同時，如果岸電系統電能質量較差，其輸出電壓可能存在高次諧波振蕩、閃變、過電壓等問題，會造成額外線路損耗和船用設備損壞，因此需要提高岸電系統的電能質量。

在處理岸電系統網側諧波問題方面，郵輪岸電的輸入側變壓器采用了延邊三角形接法，通過多重移相角的設計達到了多脈波整流的效果，從而大幅度抑制了對電網側的諧波干擾。

在處理岸電系統船側諧波問題方面，郵輪岸電采用了基于虛擬正交源調制技術、多脈波整流技術及多電平逆變技術，使輸出電能達到了“完美無諧波”的正弦波效果，使得船舶負載能夠得到清潔的岸基電力供應。同時，郵輪岸電采用了面向輸出電壓高動態跟蹤的補償電壓合成方法，解決了并網運行時的電壓閃變和過電壓問題，提高了岸電系統的供電質量。

2.3 大容量岸電的多船型左右舷供電技術

國內之前的郵輪岸電系統只針對郵輪左舷供電接口配置了1套岸側接口，隨著諾維真喜悅號等一批岸電接口在右舷的新型郵輪在我國運行，原來只配置1套接口的岸電系統已不能滿足新型船舶的供電要求。為此，廈門郵輪岸電系統在電源輸出側配置2套出口，分別連接至同一泊位的2套岸電插座箱，以滿足不同結構船舶的左右舷供電需求。

在岸電系統采用雙側供電后，為避免誤操作高壓電危及人身安全情況的發生，廈門郵輪港首次提出了郵輪岸基電源邏輯連鎖與安全切換策略。機械邏輯鎖配置見圖2，岸電系統中的2臺插座箱的高壓插座均配置機械鎖，岸電上電時，首先完成高壓電纜的連接工作，并集齊5把高壓插座的鑰匙。隨后交換出相應插座箱對應輸出開關柜的2把機械鑰匙，最后完成對應高壓出線柜的接地刀分閘、斷路器推至工作位的操作。此時，由于另一臺插座箱相應的鑰匙仍然被固定在交換鎖內，所以另一臺插座箱對應的高壓出線柜無法完成合閘工作，從而避免了插座箱誤帶高壓電的可能。岸電斷電時，流程反向操作，確保只能在高壓回路已切斷的情況下完成拔出電纜的工作，從而保障操作人員安全。

圖2 機械鎖邏輯配置

3 16 MVA郵輪岸電系統

廈門郵輪港岸基供電系統由岸電變頻電源、船岸連接裝置、本地及遠程監控管理系統等部分構成，具有變頻供電、同步并網、監控保護、遠程通信等功能。整個岸電供電系統配置11 kV/60 Hz和6.6 kV/60 Hz各一路輸出回路，與港口設置的0#泊位兩端的2套岸電電源插座箱連接。岸基供電系統在實施與船舶電源連接、退出及轉換過程中實現無縫切換，滿足郵輪不間斷供電需求。

3.1 岸電變頻電源

郵輪岸電變頻電源為功率單元串聯疊加多電平變頻電源，采用直接高高結構，類型為電壓源型。整套電源由10 kV網側進線開關柜、10 kV饋線開關柜、移相變壓器、變頻功率單元、濾波器、出線多繞組變壓器、出線開關柜等構成，電氣單線圖見圖3。

圖3 郵輪岸電變頻電源電氣單線圖

3.2 船岸移動連接裝置

區別于集裝箱船舶的船岸連接方式，大型豪華郵輪船岸連接需配置移動式船岸連接裝置，即移動電纜小車，這樣可為不同船型的郵輪和不同結構的郵輪碼頭實現方便靈活的船岸連接。

移動電纜小車有2套電纜系統，一套為岸側供電連接電纜系統，可以實現從碼頭固定供電點向移動式電纜管理系統提供岸電的連接；另一套為船岸連接電纜系統，可以實現移動式岸電電纜管理系統與船側的連接。小車移動方式為自動行走，配置有電池單元、行走電機驅動單元，可以滿足在碼頭一定范圍的行走。另外，小車前部保留機械牽引機構，以備緊急情況下使用。移動電纜小車的工作范圍設計為供電點向兩側各35 m，機械臂的舉升范圍為碼頭面以下4.5 m至碼頭面以上1.5 m(見圖4)。船岸接口包括4根高壓動力線、1根中性電纜線、2根控制電纜和1根通訊線。同時，移動電纜小車還具有隨船微調功能及強制平穩功能，電纜小車可以根據潮位情況自動調整電纜收放。

圖4 移動電纜小車工作狀態

3.3 岸電系統運行

郵輪岸電系統建設完畢后進行了實際供電測試，檢驗了系統16 MVA額定負載輸出能力、19.2 MVA過載輸出能力、電能質量、安全保護能力等，各項指標均達或優于設計要求，具備了滿足各類型豪華郵輪的供電需求，相關測試數據見表1。

表1 岸電系統性能

4 結語

在各類型船舶岸基供電系統中，郵輪岸基供電系統的技術要求最高。針對郵輪岸電系統中的并網控制、諧波治理、雙側供電等問題，結合廈門郵輪港岸電系統的建設，對其進行了分析并給出了技術解決方案，實際測試效果證明了所提出的技術解決方案的有效性。隨著郵輪岸電應用技術的日趨成熟應用，安全、環保、規范的郵輪岸電對城市周邊的大氣污染治理必將發揮更大作用。