集中式供電的船舶岸基供電系統

張子才

(寶山鋼鐵股份有限公司運輸部,上海 201999)

船舶靠港后,船員的生活、照明及船上的水泵、錨纜機等部分設備運轉仍然需要船上的輔助發電機提供電源。發電機使用的燃油制品多為重油、柴油,不僅能耗高,而且會造成較大的環境污染,包括因重油和柴油在燃燒過程中所產生的大量硫化物和氮氧化物對周邊環境造成的污染,以及船舶使用發電機引起的噪聲污染。寶山鋼鐵股份有限公司寶山基地原料碼頭現有9個泊位,目前所有泊位都沒有配置岸電設施,作業船舶靠岸以后,均使用船舶自帶柴油發電機供電。原料碼頭靠泊的國輪和外輪,在船舶的電壓等級、電源頻率、用電容量等方面都有較大差異,無法采用簡單的供電方案予以解決。集中式配置分布式供電的船舶岸基供電系統是解決這些問題的最佳選擇。

1 岸基供電系統

1.1 系統配置和單線圖及各部分說明

大容量高可靠岸電電源技術需要適應為多種船舶供電服務[1-2],要求電源系統具有良好的通用性和接入能力。寶鋼原料碼頭采用的集中式配置分布式供電的船舶岸基供電系統,包括輸入變壓器(降壓)、變頻電源(整流、逆變、濾波)、輸出變壓器(升壓、隔離)輸出6 kV/50 Hz或6.6 kV/60 Hz交流電,由6.6 kV開關柜以電纜方式引接至碼頭前沿的岸電接電箱。岸電系統單線圖見圖1。

圖1 岸電系統單線圖Fig.1 Single line diagram of the shore power system

本項目碼頭前沿共有3個泊位,每個泊位設置1個高壓岸電插座箱,每套岸電納入岸電管理系統中,每個泊位采用一路獨立供電的6.6 kV變頻裝置。連接器通過導入接觸插芯的元件實現電氣互鎖,在實際操作插頭插座連接和斷開過程中,接觸器是最晚實現連接也是最早實現斷開的插芯,可實現快速、安全、可靠的連接。箱體防護等級IP65,插座防護等級IP67。作為唯一的岸基與船舶的供電連接點,岸電接電箱應選用帶有機械聯和電氣鎖控制的岸電箱,采用人工操作。岸電應有相應的保護,在插拔岸電箱時應保證在不帶電的情況進行,岸電箱具防凝露功能,在與船電系統聯接時與船電系統形成一個整體系統進行保護,具有從船—岸電接口箱—變頻電源站一個整體系統的安全聯鎖功能[3-4]。

1.2 方案優勢及配置特點

變頻裝置采用針對岸電電源應用需求特點定制開發的岸電專用變頻電源。變頻電源選用低壓變頻模塊、多組并聯方式,在某一模塊故障時,其他模塊可獨立運行使用;采用模塊化設計,具備擴展能力。

10 kV供電輸入變頻變壓系統,經過變頻變壓系統處理并經隔離變壓器后,可輸出45～65 Hz、0～7 000 V三相交流電壓,可預設50 Hz/60 Hz兩個固定頻率點,并提供分辨率0.01 Hz的頻率精細微調功能。

在本系統中,輸入按2 500 kVA配置,輸出兩路獨立可變頻變壓的電源,容量分別為800 kVA和2 000 kVA的船舶供電系統。

變頻變壓設備具有額定功率20%的逆功率10 s的回收能力,吸收在并網操作過程中(尤其是被動并網的操作過程中)可能產生的準同期并網狀態下的逆功率,保證并網過程的順利進行,完成岸—船電網的順利并列。電氣柜體采用熱涂鋅鋼板制作,內部布局電氣結構合理、美觀,可有效屏蔽柜內的部分EMC傳導和輻射。

2組變頻電源均采用4組整流模塊并聯,形成24脈波整流;其中800 kVA變頻電源逆變采用2組逆變模塊并聯,2 000 kVA變頻電源逆變采用5組逆變模塊并聯。

本項目采用的整流模塊額定電流600 A,單組整流模塊容量為750 kVA,4組并聯組成24脈波整流回路,容量滿足120%裕量需求。

逆變模塊采用額定電流400 A,單組逆變模塊容量為480 kVA,800 kVA電源逆變容量960 kVA,2 000 kVA電源逆變容量2 400 kVA,容量滿足120%裕量需求。

變頻裝置具有故障穿越能力,可實現故障在線退出并仍能保證系統繼續正常運行,以增加輸出的連續性和可靠性。

變頻裝置輸出側配置專門濾波單元,確保變頻裝置輸出側輸出電能質量優于國標要求。

1.3 使用操作說明

為保證岸基供電系統運行的安全性、可靠性,提高供配電系統的自動化水平,配置1套本地及遠程監控系統,如圖2所示。在岸電電源本體PLC控制柜中實現屏幕顯示及實時控制,通信上傳遠程監控系統實現后臺監控。

圖2 本地及遠程監控系統結構圖Fig.2 Structure diagram of local and remote monitoring systems

本地及遠程監控系統的范圍包括岸基供電系統的輸入10 kV配電系統、變頻電源本體、變頻電源輸出系統及配套設備,遠程監控系統的后臺監控主機設在業主指定監控室。

2 控制策略

2.1 恒頻穩壓控制策略

由于本系統為電源產品,與變頻器等其他設備相比,要求系統具有較高的輸出電壓精度和快速的動態響應。傳統的高壓逆變電源大多采用輸出電壓有效值控制或輸出電壓瞬時值控制,輸出電壓有效值控制是將輸出電壓有效值作為被控對象[5-6],由于有效值計算需要在基波周期內對輸出電壓波形進行均方根計算,故系統的響應速度一般都比較慢,很難滿足高動態響應的要求。輸出電壓瞬時值控制雖然動態響應速度相對較快,但由于被控量為交流量,采用傳統的PI控制將會有靜差存在,輸出電壓無法完全跟蹤給定電壓的變化,輸出電壓精度相對較低。本系統對輸出電壓采用了基于d-q-0同步旋轉坐標變換的PI控制方法(圖3),首先對系統三相輸出線電壓進行d-q-0同步旋轉坐標變換,將a-b-c靜止坐標系下的三相交流量變換成了d-q-0同步旋轉坐標系下的直流量,在d-q-0同步旋轉坐標系下對直流量進行PI控制,解決了系統靜差的問題,保證了輸出電壓較高的精度。而d-q-0同步旋轉坐標變換是對系統三相輸出線電壓瞬時值進行變換,所以在d-q-0同步旋轉坐標系下進行PI控制屬于對輸出線電壓的瞬時值進行控制,因此系統具有快速的動態響應,當系統輸出電壓因擾動而發生突變時,控制系統能使輸出電壓迅速地恢復到額定值。

圖3 恒頻穩壓控制框圖Fig.3 Block diagram of constant frequency voltage stabilization control

2.2 無縫切換控制策略

變頻電源輸出電壓采用閉環控制,將濾波器輸出電壓跟蹤給定電壓作為控制目標,從而穩定隔離變輸出電壓,船岸連接控制過程如下:①岸上變頻電源接收到船側合閘允許送電的信號后,岸電電源將電接至船舶;②船舶檢測裝置將判定岸電電源相序、頻率、電壓是否與船舶一致,船側同期裝置開始調節船舶發電機的發電電壓的頻率、相位、幅值與岸上電源的頻率、相位、幅值之間的偏差,當偏差在允許的范圍時岸電電源并入船舶電網,此時岸電與船側發電機同時供電;③船側調節發電機功率逐漸減小,岸電電源功率逐漸增大,當船側功率小于一定值時切斷發電機開關,完全由岸電電源供電,岸電電源并網完成。

船岸供電運行時,船舶負載變化使輸出隔離變壓器產生壓降,變頻電源可自行調高輸出電壓,增加變頻電源本體的輸出電壓,從而確保船舶設備供電電壓穩定在所需電壓。

2.3 虛擬發電機功能

為了使岸電電源準確模擬發電機特性,并且適應多種并聯接入能力,提高岸電系統的適用范圍和經濟性[7],本文采用基于虛擬同步發電機的岸電逆變器控制策略,在岸電逆變器的控制環路中人為地引入發電機的機械運動方程,通過模型中轉動慣量的引入,使得逆變器具有與發電機相似的電氣和機械特性,并且將實現系統下垂特性的功頻控制器模塊和勵磁控制器模塊引入該控制策略中,使岸電電源的逆變器側具有與發電機相似的輸出下垂特性。虛擬發電機控制框圖如圖4所示。

圖4 虛擬發電機控制框圖Fig.4 Virtual generator control block diagram

2.3.1 虛擬發電機

為了實現同步發電機的基本特性,并簡化模型,采用同步發電機的二階機電暫態模型,見式(1)、(2):

E0=U+IRa+jIXs

(1)

(2)

式中:Eo為勵磁電動勢;U為電樞端電壓;I為電樞電流;Ra為電樞電阻;j為向量變換系數;Xs為同步電抗;J為轉動慣量;ωm為機械角速度;Tm為機械轉矩;Te為電磁轉矩。

取極對數np=1,則電角速度ωe=ωm,式(2)可變換為式(3):

(3)

(4)

式中:ωN為同步電角速度;Pm為機械功率;Pe為電磁功率;θ為電角度。

由式(1)、(3)、(4) 可建立虛擬發電機模型。

本方案引入了頻率反饋環節,使得逆變電源能夠跟蹤電網頻率,同時采用并網電壓閉環控制以保證并網電壓穩定,可以無偏差地實現頻率和電壓的穩定。

2.3.2 虛擬發電機功頻控制器設計

本方案參考同步發電機調速器原理,虛擬同步發電機功頻控制器設計如圖5所示,圖中f為系統實際頻率,fN為系統額定頻率,PN為虛擬同步發電機在額定頻率下的初始輸出有功功率,Pm為虛擬同步發電機實際輸出功率。

圖5 功頻控制器框圖Fig.5 Block diagram of power frequency controller

發電機的頻率調差系數R見式(5):

(5)

上式標幺化后可表示為式(6):

(6)

頻率調差系數表示發電系統負載突變時相應的頻率變化,決定了機組之間的有功功率分配。

2.3.3 虛擬發電機勵磁控制器設計

無功功率不平衡會導致系統電壓的波動,在電網中,為實現系統電壓的穩定,通過改變發電機勵磁電流的大小來調節發電機無功功率的輸出值,從而維持系統無功功率平衡。但是,無窮大系統在實際中并不存在,電網電壓將隨負荷的波動而變化。

參考發電機的電壓調節特性,虛擬發電機勵磁控制器如圖6所示。

圖6 勵磁控制器框圖Fig.6 Excitation controller block diagram

圖6中Qref為虛擬發電機在額定頻率下的初始無功功率,當系統實際無功功率Q波動時,會偏離無功功率初始值QN,為實現對并網電壓的閉環控制,將得到并網電壓的幅值指令Uref與反饋的實際并網電壓幅值Um相比較,經過PI控制器得到的Eo作為虛擬發電機控制算法模型中勵磁電動勢的幅值。

電壓調差系數σ見式(7):

(7)

式(7)標幺化后可表示為式(8):

(8)

電壓調差系數可以表示發電系統負載突變時相應的電壓變化,決定了機組之間的無功功率分配。

3 實際應用情況

3.1 船級社測試情況

集中式供電的船舶岸基供電系統在寶鋼原料碼頭安裝調試完成后,依據JTS 155—2019《碼頭船舶岸電設施建設技術規范》、JTS155—1—2019《碼頭岸電設施檢測技術規范 》、IEC 80005—1 Utility connections in port-Part 1:High Voltage Shore Connection (HVSC) Systems-General requirements、GD07—2018《船舶岸電岸上供電設施檢驗指南》(中國船級社)等標準,中國船級社進行高壓開關設備工頻耐壓試驗、電纜耐壓試驗報告審核、絕緣電阻檢測、保護功能及其整定值檢測、系統聯鎖功能試驗、控制設備功能試驗、相序檢測、電能質量檢測、突加、突卸負載試驗(0—50%—100%、100%—0)、帶載試驗、額定負載運行試驗、過載運行試驗(110% 60 s)、電源切換等項目測試,各項指標合格,通過了中國船級社認證。

3.2 實際連船情況

在本文設計的大容量岸電回路架構下,通過采用虛擬發電機控制方法,實現了良好的供電運行。在實際連船運行中,獲得如下實測結果:

第一次聯船:**輪561號,用電463.32 kWh,連續6 kV 50 Hz供電48 h;

第二次聯船:**輪508號,用電5 266 kWh,連續6 kV 50 Hz供電48 h;

第三次聯船:**輪561號,用電1 925 kWh,連續6 kV 50 Hz供電48 h。

4 結語

穩定高可靠、穩健并聯是大容量岸電供電技術的關鍵。船舶在停岸后,需要岸電快速有效地與船側電源進行并聯,逐步主導功率并替代船側電源,要求岸電電源有穩健的并聯和功頻/電壓調控能力。本文通過對大容量岸電電源連船穩健并聯運行控制方法的研究,設計了基于虛擬發電機控制的岸電—船電并聯運行控制策略。通過構建虛擬功頻下垂控制和電壓下垂控制,當系統運行在連船工況時,可以實現岸電電源與船側電源負荷與電壓的平衡配置,使得岸電電源具備穩健的交流并聯構網能力,同時為本文設計的無縫切換提供了控制基礎,在岸電—船電并聯運行成功后,通過功頻/電壓調節,使岸電主導負荷供電并實現對船側電源替代。本文所研究的岸電控制策略對于不同容量參數、不同特性的船舶,均可適用,對于其他交流并聯供電系統應用也具有參考借鑒價值。