無功補償在船舶岸電系統中的應用探討

林洋 徐永鋒

摘 要：對上海港黃浦江部分碼頭及船舶岸電設備安裝及使用進行調研，發現多數碼頭的岸電設備基本處于閑置狀態，其中岸電的經濟性較差是船方不愿選擇使用岸電的主要原因之一；然后，介紹了船舶岸電系統及無功補償的原理，并針對岸電經濟性較差的問題，提出了一種通過提高功率因數來提高岸電使用經濟性的無功補償方式，并論證了其可行性和必要性。

關鍵詞：船舶岸電；無功補償；功率因數；經濟性

0 背 景

船舶靠港使用岸電是減少靠泊期間大氣污染物和二氧化碳排放的最有效措施之一，是促進水運行業減污降碳、綠色轉型發展的重要抓手。自從2017年5月23日開始，我國陸續出臺了如《港口和船舶岸電管理辦法》《船舶及其有關作業活動污染海洋環境防治管理規定》等8部相關法律法規，規定碼頭、船舶應安裝岸電設施，在2023年3月1日出臺的《上海市船舶污染防治條例》也規定了船舶不按規定使用岸電的處罰措施。

為了了解碼頭岸電使用情況，以上海港黃浦江下游碼頭為代表，對靠泊船舶及碼頭進行了走訪調研，其中，碼頭方面已按照交通運輸部發布的《港口岸電布局方案》的規定安裝了岸電設備，并按規定要求實現了碼頭50%集裝箱泊位具備向船舶供應岸電能力的目標。

同時，靠泊具有岸電供應的泊位的船舶在2023年初也基本都安裝了船載岸電設備。

但在實際調研過程中發現，岸電裝置都處于閑置狀態，大部分船舶只有在安裝船載岸電設備調試時使用過一次岸電。詢問船方不使用岸電的原因，主要包括岸電的經濟性較差、船載岸電設備與岸基設備不匹配、連接岸電時對船載設備造成沖擊、岸電設備容量不足等，其中岸電的經濟性差是船方不使用岸電的主要原因之一。

進一步了解發現，船舶在靠泊使用岸電過程中的功率因數為0.7～0.85之間，較小的功率因數是導致岸電使用經濟性較差的主要原因之一。同時，較小的功率因數也使通過提高功率因數來提高岸電經濟性存在很大的必要性和可行性。

1 船舶岸電系統介紹

船舶岸電系統系指港口向靠泊其碼頭的船舶供電的設備，按供電電壓不同可分為交流低壓岸電系統和交流高壓岸電系統[1]。

交流低壓岸電系統：系指港口向船舶配電系統供電的電源（即岸電）額定電壓（相間電壓）為 1 kV 及以下的船舶岸電系統。

交流高壓岸電系統：系指港口向船舶配電系統供電的電源（即岸電）額定電壓（相間電壓）為 1 kV 以上且 15 kV 及以下的船舶岸電系統。

本轄區內安裝的為交流低壓岸電系統，其系統參數如圖1所示。

船舶岸電系統包括船載裝置和岸基裝置。

船載裝置：系指安裝在船舶上，用于連接岸電的設備。對于交流高壓岸電系統，一般包括插頭/插座、岸電連接配電柜（板）、變壓器、岸電接入控制屏、岸電電纜和電纜管理系統[2]；

岸基裝置：系指安裝在港口，用于向船舶提供岸電的設備。典型的船舶岸電系統如圖2所示。

2 無功補償原理分析

2.1 功率因數及其影響

功率因數（PF）是有功功率（Real power）與視在功率（Apparent power）的比值，即PF=P/S=cosφ，如圖3所示。功率因數是衡量供配電系統是否經濟并可靠運行的一個重要指標。

配電系統輸出的功率包括兩部分[2]：有功功率P和無功功率Q。配電系統輸出的一部分電能轉變為機械能、化學能或熱能，這部分做功的功率稱為有功功率P；而另一部分電能并不直接參與做功，而是僅用于感性或容性負載設備建立交變電磁場，這部分功率稱為無功功率Q。無功功率又分為感性無功功率和容性無功功率，當電網中感性負載為主時，電網的電流滯后于電壓，電網表現為感性無功功率；當電網中容性負載為主時，電網的電流超前于電壓，電網表現為容性無功功率；當電網中感性負載與容性負載相互抵消時，電網的電壓與電流的相位相同，此時PF=cosφ=1，P=Scosφ=S，此時相當于純電阻性負載，輸出功率全部參與做功。

圖3 功率三角形矢量圖

與家用電網不同，船上的許多用電設備（如風機、空壓機、變壓器等）都是感性負載，此時電流相對于電壓滯后一個角度φ。如圖3所示，當有功功率一定的情況下，功率因數越小，無功功率就越大，供電系統的視在功率也就越大。由于船舶感性負載的存在，岸電系統的供電功率因數，一般功率因數為0.7～0.85之間，較小的功率因數會使電網產生大量的無功功率，從而導致電網損耗增加，加重電網負荷。具體主要體現在以下三方面：

（1）電壓降，電流的無功部分會引起不必要的電壓降，從而影響負載的正常運行。

（2）過電流，視在功率隨著功率因數的增大而減小。如圖4所示，同樣產生100 kW的有功功率，當功率因數PF=0.7時，需要視在功率S=142 kVA，而當功率因數PF=0.95時，只需要視在功率S=105 kVA。即電網的電流在PF=0.7時要比在PF=0.95時，增加35%的電流來輸出同樣的有功功率。

圖4 S示意圖

（3）經濟性下降，船方使用岸電的費用是按照岸基設備的輸出功率，即如圖4所示的視在功率S（kVA）計算的，所以在0.7的功率因數下，意味著船方要多付35%的電費。

綜上所述，較小的功率因數會增加電網負荷，從而使電網損耗上升，系統線電壓降低。為滿足用電需求，較小的功率因數就要求更大的供電線路和變壓器容量，這樣對供配電系統是不利的。因此，國家管理部門規定，用電用戶應裝設無功補償設備，提高功率因數至行業標準并防止逆功率。在行業標準中，要求高壓系統的功率因數PF≥ 0.90，低壓系統的功率因數PF≥ 0.85，功率因數是衡量供配電系統可靠性和經濟性的一個重要指標[4]。

2.2 無功補償

無功補償（PFC），就是在電網中連接一定數量的電容器來抵消感性負載產生的無功功率，從而提高電網的功率因數，降低供電變壓器及輸送線路的損耗，提高供電效率，改善供電環境的技術，降低用電成本。所以無功功率補償裝置在電力供電系統中的作用至關重要。合理的選擇補償裝置，可以做到最大限度的減少電網的損耗，優化電網供電環境。

3 無功補償的可行性和必要性分析

本章主要在節約運營成本、增加系統容量和減少損耗3個方面論證無功補償在岸電系統應用的可行性和必要性。

3.1 節約運營成本

岸電電費是以視在功率S（kVA）的形式計算的，當船舶所需的有功功率P（kW）一定時，功率因數PF越大，所需的視在功率S（kVA）就越小，電費就越少。通過如下案例論證無功補償在運營成本節約方面的可行性。

圖5 Qc示意圖

假定船舶需要三相電的要求為480 V、容量460 kVA，其中電費38￥/ kVA，功率因數PF=0.87，如果將功率因數PF從0.87提升到0.97，需要增加的多大的電容，節約多少運營成本，需要多長時間能收回無功補償設備的投資。

船舶有功功率P（kW）的需求：

P=S×PF=460 kVA×0.87 =400 kW

當PF=0.97

S=P/PF=400/0.97=412 kVA

將系統的功率因數從0.87提高到0.97，需要的安裝電容器的額定值QC：

QC=P（tanφ-tanφ1） =400（tancos-10.87-tancos-10.97）=126.8 kVAR

由于實際電容器組以20 kVAR為單位，所以應選用480 V、140 kVAR的電容器組，其成本為12 800￥[5]。

修正前的費用：460 kVA×38￥=17 480￥/month

修正后的費用：412 kVA×38￥=15 656￥/month

收回成本時間：12 800￥/（17 480-15 656）￥/month=7.07month

該電容器的投資成本在不到8個月的時間內就能收回。

3.2 增加系統容量

在調研過程中，岸電容量不足也是限制岸電使用的主要原因之一。無功補償可以在不額外增加視在功率S（kVA）的情況下，提高系統有功功率P（kW）的輸出，從而增加系統容量。

圖6 PF示意圖

假定岸電系統容量為480 kVA，功率因數PF=0.75，有功功率P=360 KW，如果將輸出功率增加25%，即輸出功率增加至P=450 kW。

在PF不變的情況下，需要岸電系統的容量增加至：

S=P/PF=450 kW/0.75=600 kVA

在不增加系統容量的情況下，也可以通過無功補償把功率因數PF從0.75提高至0.95來實現有功功率P增加25%的目標，具體如圖7所示。其所需安裝電容器的額定值為：

QC=450（tancos-10.75） - tancos-10.95）=450（tan41.4 - tan18.2）=248.8 kVA

由于實際電容器組以20 kVAR為單位，所以應選用260 kVA的電容器，費用為22 400￥[5]。

3.3 減少損失

通常，線路損耗約占總負載功率的3%～7%，如果負載功耗較高，那么減少線路損耗就是系統在設計時必須要考慮的問題。無功補償正是減少線路損耗的主要方式之一，所以無功補償不僅可以通過減少線路損耗來節省運營成本，還可以通過減少線路電流來提高系統運行安全性和延長系統使用壽命。由于線路電流的減小，單位損耗（I2R）減小為：

PUloss reduction=（PFold/PFnew）2

假定1 000 kW的負載每周運行60 h，供電電壓為415 V，供電線路損耗為7%。負載PF=0.75，電費為0.80￥/kWh。將PF提高到0.95的成本效益是多少。

單位損耗（I2R） 為：

PUloss reduction=（0.75/0.95）2=62.3%

無功補償之后的單位損耗為PUloss reduction×7%=4.36%

PF=0.75時損耗為：0.07×1 000 kW×60h=4 200 kWh

損耗費用為4 200 kWh×0.80￥/kWh=3 360￥/week

PF=0.95時損耗為0.0436 ×1 000 kW×60h = 2 618 kWh

損耗費用為：2 618 kWh×0.80￥/kWh = 2 094.4￥/week

每周節約的費用：3 360￥/week-2 094.4￥/week=1 265.6￥/week

將功率因數PF=0.75提高至PF=0.95，所需的電容額定值QC為：

QC=1 000kW（tancos-10.75） - tancos-10.95）=553 kVAR

由于實際電容器組以20kVAR為單位，所以應選用560 kVA的電容器，費用為88 480￥[5]。

收回收益的時間為88 480￥/1 265.6￥/week=16.1months

綜上所述，由于船舶使用岸電過程中功率因素較小，通常在0.7～0.85之間，所以通過無功補償校正功率因數在上述節約運營成本、增加系統容量和減少損耗三個方面有明顯改善，前期投入的電容器安裝成本也會在較短的時間內收回，這也證明了無功補償在岸電系統中應用的可行性。另外，無功補償也能解決岸電系統容量不足的問題，提高系統安全性和使用壽命，這也是岸電系統建造前所必須要考慮的問題。

4 無功補償的方式

1）無功補償方式[6]分為：

（1）集中補償：在港口配電系統與港口配電柜之并聯電容器組，能對港口所有岸基設備進行無功補償。

（2）分組補償：在港口配電柜與泊位配電柜之間并聯電容器組，能對泊位所有岸基設備進行無功補償；

（3）就地補償：在泊位配電柜與每條船的主配電板之間并聯電容器，只對本船舶進行無功補償。

在岸電系統中通常采用前兩種方式：集中補償和分組補償，具體如圖8所示。

圖9 電容器組 圖10 無功發生器

2）無功補償控制方式：

（1）固定方式補償，通過連接固定值的電容器組（見圖9）實現無功補償。

（2）自動方式補償，安裝不同固定值的電容器組，可以根據實際負載的無功功率調整電容器額定值實現無功補償。

（3）動態方式補償，具有動態補償功能，可用于補償高度波動的負載。

集中動態補償能按照負載的無功功率實時動態的進行補償，對岸電電網和船舶負載具有動態適應性，是現階段最優的解決方案。

現階段主要的用于無功補償的設備為：

（4）電容器組[7]，通過對電路中電容組進行投切的方式實現無功補償，可實現靜態和動態補償。

（5）無功發生器[8]（見圖10），利用PWM整流控制技術，通過對電網的電壓和電流實時采樣和高性能DSP計算出電網的無功功率，實現無功功率的補償。

5 結束語

我國之所以積極倡導船舶使用岸電，其主要目的就是促進水運行業減污降碳、綠色轉型。但是，由于現階段岸電因功率因數較低、損耗較大等原因，使岸電使用的經濟性較差，使用成本甚至高于使用船用發電機的成本，這種情況下，使用岸電并沒有真正的起到減污降碳的作用。所以，我們應該借鑒國內外各行業先進的節能降碳排技術，如無功補償、利用儲能電池進行避峰調谷用電管理等，提高使用岸電的經濟性，使其真正的起到減污降碳的作用。

參考文獻

[1] 船舶與海上設施法定檢驗規則.2020[S].26-27.

[2] 王星昱.交流高壓岸電系統的安全與保護裝置設計[J].船舶與海洋工程.2014.

[3] 王玉華.供配電技術[M].北京：北京大學出版社，2012：86.

[4] 李尚，陳華.無功補償電路淺析與維護[J]. 西部廣播電視.2021.

[5] E. Csanyi， Reactive power and PF correction@

https：//electrical-engineering-portal.com/，EEP，2019.

[6] 柯國盛. 低壓無功動態補償裝置CN203674724U[P].2014.

[7] 仲軍.自動化系統中的無功補償技術應用[J].集成電路應用， 2023， 40（02）： 315-317.

[8] 揚州市攬坤電氣有限公司.一種具備逆功率補償功能的無功補償柜CN202111618327.1[P].INVENTION_PUBLICATION.2021.

作者簡介：

林洋，碩士研究生，船旗國監督檢查員，（E-mail）17086261166@163.com，17086261166

徐永鋒，本科，港口國監督檢查員