客貨碼頭工程岸電系統設計與實現

■劉祖凱

（1.福建省港航勘察設計院有限公司，福州 350003；2.福建省閩航飛騰科技有限公司，福州 351000）

我國政府一直以來都高度關注氣候變化對國家和社會的影響，為了貫徹落實“綠水青山就是金山銀山”的可持續發展政策，積極推進碳減排工作。我國于2020 年正式提出了“2030 年前碳達峰、2060 年前碳中和”的戰略目標。 隨著新冠疫情放開后，越來越多的大型船舶停靠在國內各港口碼頭，目前世界主流的船舶均以重油（或柴油）為主要動力來源。 重油（或柴油）燃燒過程中產生大量的CO2及大氣污染物，對實現碳達峰、碳中和的戰略目標十分不利。 一方面，因船舶本身并無儲能設備，船舶自備柴油機在為船舶供電的過程中都難以避免產生部分過剩電能， 該部分過剩電能無法有效存儲利用，從而造成不必要的資源浪費。 另一方面，由于停靠船舶的油料發電產生大氣污染物較多，國內港口城市碳中和及節能減排形勢更為迫切[1]。因此船舶靠港時采用岸基電源對船舶供電勢在必行，我國目前制定了一系列的相關規范和技術標準，積極推進港口岸電的實施，本文以廈門港東山5000 噸級對臺客貨碼頭工程為例，分析碼頭岸電的設計要點。

1 本工程設計概要

本工程為省級重點港口建設項目，擬建1 個5 000 噸級對臺客貨泊位及港口配套設施，客貨泊位應滿足1 000 GT 陸島滾裝船靠泊，水工主體結構滿足停靠泊1 萬噸級雜貨船，年通過能力可滿足13 萬t貨物、26 萬人次旅客及12.8 萬輛次車輛。 碼頭泊位直立段總長為175 m，滾裝船采用艉直式船跳板，在碼頭端部設置可調式岸坡道。 可調式岸坡道主要設施包括活動鋼引橋、龍門吊架、升降系統等。

供電布置如圖1 所示。 本工程進線電源電壓等級為10 kV，采用單回路進線，由本工程附近區域變電站引一路10 kV 電纜架空至港區邊界后，埋地敷設至變電所。 本工程配電電壓為10 kV 及380/220 V。高壓動力設備及變壓器一次側供電電壓為10 kV，低壓動力設備供電電壓為380 V，低壓照明供電電壓為380/220 V，供電頻率為50 Hz。 負荷等級除消防負荷按二級負荷考慮外，其余按照三級負荷考慮。本工程岸電電源采用1 路10 kV 電源引自客運大樓變電所高壓饋線柜，后引出至岸電系統室高壓進線。 進線電源為10 kV，50 Hz。

圖1 岸電配電示意圖

2 船舶岸電系統設計

2.1 岸電系統負荷計算

本項目主要靠泊船型為5 000 噸級集裝箱船和散雜貨船，碼頭結構預留1 萬噸級，根據規范要求需按照船舶單臺輔機容量設計岸電容量，即按照1 萬噸級集裝箱船單臺輔機容量設計，輔機功率為450 kW，考慮船舶負載試驗時需要超過額定負載10%，計算公式如下：

考慮單臺變壓器平均工作負載率不大于85%：

根據變壓器容量等級選擇630 kVA 容量變壓器。 岸電系統最大工作電流按照超過額定負載10%計算：

因此本工程岸電容量選取630 kVA 變壓器，變頻電源容量選取500 kW，變頻電源輸出為400 V/50 Hz 及450 V/60 Hz，岸電電源輸出總斷路器放大一級選擇1250 A 框架式斷路器。 岸電系統一次系統圖如圖2 所示，岸電系統室平面布置圖如圖3所示。

圖2 岸電系統一次系統圖

圖3 岸電系統室平面布置圖

2.2 船舶岸基變頻變壓電源總體要求

在船舶靠港停泊期間停止使用船舶發電系統，通過岸電系統電源供電， 岸電系統輸出440 V/60 Hz及400 V/50 Hz 的電源滿足散貨船舶各種電氣設備的用電需求，變頻電源容量適應港口高壓變電站容量。 為滿足船舶供電系統的特殊要求，岸基供電系統供電設備必須滿足國家相關標準，能夠與國內、國際船舶可靠、安全、規范地連接；須綜合考慮供電接點數量、安裝位置、供電容量、走線等因素；電壓和頻率具有較寬的調節范圍，能夠恒壓恒頻輸出所需電能； 保證船舶用電與岸電相序和線制的一致性，聯船出現相序不一致時，變頻電源應具備一鍵切換相序技術；具備缺相、短路、連鎖、過載、抗沖擊、逆功率等各種保護，能可靠安全供電；應對靠港船舶接用岸電情況進行準確計量、結算等，并且對岸電電源進線和出線都要設置計量表計量，計量精度要求達到0.2 級；適應碼頭高溫、高濕、高鹽霧、高腐蝕性等惡劣的環境；操作簡單，維護方便；符合節能、環保、安全等要求。

2.3 岸電系統具體性能要求

在0℃～40℃、最大風速（工作模式）：25 m/s，70 m/s（非工作模式）、相對濕度85%，最大相對濕度接近100%、地震烈度為7 度（GBJ11-89，ma=0.1 m/s2）、臺風、雷暴較多，鹽霧和海洋性氣候腐蝕嚴重，作業環境內粉塵污染嚴重的大環境下，岸電電源應能滿足可靠供電。 保證可靠供電的前提，對電源性能參數提出了較高的要求，其中單套額定輸出容量不小于630 kVA、輸入電壓為交流10 kV±10%、50 Hz±5%、三相三線、輸出電源為450 V/60 Hz/3 AC 或400 V/50 Hz/3 AC 正弦波電源。 額定負載工況下，輸出電壓波形總諧波失真度：THD＜2.5%線性負載，輸入電流波形總諧波失真度：THD＜3.0%額定負載。 輸出頻率：60 Hz，負載在允許范圍內時，輸出穩態頻率精度≥0.1%；輸出電壓穩壓率：輸出穩態電壓精度≥1%，電壓突變復歸時間＜1.5 s。 電網側功率因數≥0.98，Φ≥95%（100%負荷）；穩態時，變頻電源輸出三相電壓不平衡度≤3%[2]，當船舶負載三相不平衡時，變頻電源可連續供電，并具有110%負荷長時，150%負荷60 s（300 s 周期）、200%負荷2 s（300 s周期）的過載能力。

變頻電源的整流和逆變模塊均采用IGBT 四象限技術，輸入和輸出均配有與之匹配的濾波器，降低了對電網側的干擾和保證輸出電源的質量；變頻電源采用模塊化設計，可靈活地安排電源系統的檢修和維護，平均修復時間小于0.5 h；變頻電源具備自動同步的功能，能自動檢測母線電壓和頻率并調整輸出，實現無擾并網。 變頻電源可對電壓瞬變進行調節，抑制電網電壓擾動對輸出電源質量的影響；變頻電源模塊具備電纜壓降動態補償能力，在條件滿足時可根據不同負載下系統的電纜壓降實現動態補償，確保船側用電電壓的穩定。 系統具備通訊接口模塊，可靈活配置各種通訊接口便于與外部系統進行對接，方便適時上傳下載各種參數及控制指令。變頻電源的整流和逆變均是采用IGBT 的四象限技術，當電網電壓波動時，整流部分可以根據輸入電壓進行調整，保證直流母線電壓的穩定，逆變部分從直流母線獲取電能并輸出所需的電壓和頻率，整流和逆變均能四象限運行保證輸出的穩定。

岸電系統可以與碼頭電力監控后臺進行通信，實現遠程監控。 內部通訊應采用光纖電纜連接，柜內強、弱電信號均單獨布置。 與船上通訊的設計應滿足IEC 標準有關控制電纜、通信光纜及通信內容的要求，確保船舶安全、可靠、穩定使用岸電電源[3]。同時，變頻電源能遠距離操作，并可對其進行遠程/本地控制的切換。 具有通信接口，方便適時上傳、下載各種參數及控制指令。 提供遠程開停、跳閘、告警等控制信號端口。變頻電源應具有與PLC 系統進行通訊的接口，PLC 系統能通過通訊接口對岸電電源進行控制，并反饋電源系統狀態及故障報警信息。

2.4 岸電綜合管理系統

本項目岸電監控系統由碼頭岸電綜合管理系統控制柜及直流電源等組成。 岸電綜合管理系統布置于岸電系統控制柜內，通過鍵鼠及顯示器對整個岸電系統進行在線監測、控制和可視化。

2.4.1 岸電綜合管理系統直流電源技術要求

岸電綜合管理系統中的直流電源主要為站內一次、二次設備提供操作電源，輸入交流電壓220 V±5%，50 Hz；輸出額定電壓110 V DC；容量為100 AH，選用優質鉛酸電池。 直流屏相關技術要求：穩壓精度≤±0.5%；穩流精度≤±0.5%；紋波系數≤±0.1%；均流度≤5%；效率≥95%；含輸出過壓保護，直流監控單元，能夠綜合分析各種數據和信息，在液晶顯示屏上顯示各種運行狀態和故障報警信號并通過RS485 或以太網接口送至岸電綜合管理系統。

2.4.2 岸電綜合管理系統監測功能

管理系統應具備全漢化視窗界面，顯示監測以下參數：輸出電源的頻率、三相線（相）電壓、三相線電流、三相電壓平均值、三相電流平均值、三相不平衡度、有功功率、無功功率、功率因數等。

2.4.3 岸電綜合管理系統控制功能

控制系統主要用于岸電連接和斷開操作中聯鎖保護和時序的控制，并能對斷路器、變壓器、開關柜、岸電接電裝置、電纜管理裝置等設備進行監視、控制、計量和故障診斷，其布置應能防止被誤觸動。如發生下列情況，應自動觸發應急切斷：（1）岸電系統控制和監測線路故障；（2）岸電連接插頭帶電拔出；（3）岸電接電箱急停按鈕觸發。 應急切斷發生后，非經人工復位，斷路器不能再次閉合。 當岸電系統出現緊急情況時，也可以手動切斷岸電電源，急停按鈕為硬線連接。 控制系統可在電子噪聲、射頻干擾及振動的環境中連續運行。

同時， 本地監控管理系統應具備通訊線路，以實現對碼頭岸電系統遠程監控， 監控內容包括：故障信息查詢、運行數據記錄、參數查詢及設置、系統自診斷、斷路器工作狀態等。 監控管理系統應具有高可靠性，系統運行故障不應出現錯報、漏報等現象，遠程故障報警差錯率應≤0.1%。

2.5 岸電電源可靠性要求

變頻電源應采用模塊化設計，應有足夠的功率冗余。 符合綠色節能的岸電建設原則，對于并網過程中產生的逆功率采用軟件智能控制，禁止通過制動電阻消耗。 岸電電源控制系統控制電源按照冗余設計，采用冗余熱備設計。 當本所提供的控制電源失電時，岸電電源控制系統能夠利用自身的UPS 系統提供不小于1 h 的供電。 切換時確保不會影響到岸電系統的正常運行；岸電電源應具備黑匣子功能，當變頻電源出現故障時，能夠記錄變頻電源故障前后數據，實現故障可追溯；岸電系統須具有滿足聯船過程中船舶降壓變壓器空載投切涌流控制的技術（投標時提供具體技術解決方案）；變頻裝置應具有仿真發電機的功能，保證岸電系統并網及負載轉移穩定； 岸電電源及其監控系統都應通過RS485、光纖連接成實時通信網絡，以提高速率、控制水平和抗干擾能力。 所有裝置內強、弱電信號應分開布置，避免干擾。 岸電裝置現場安裝如圖4 所示。

圖4 岸電裝置現場安裝圖

3 應用效果及分析

本文所述設計方案已在廈門港東山5000 噸級對臺客貨碼頭項目中得到應用，取得了良好的社會效益和經濟效益。 據碼頭吞吐量和輔機功率通過CO2排放折算公式可計算得出每年能減少CO2排放約1 756.8 t，折合標準煤704.69 t，能有效達到節能減排作用。

4 結語

碼頭岸電系統是國家節能減排， 實現碳達峰、碳中和戰略目標， 建設綠色港口的重要組成部分。本文以碼頭工程實例，從系統負荷計算、電源系統、岸電綜合管理系統等方面分析了變壓變頻岸電系統的設計，具有一定的局限性。 在其他實際案例的設計中，還需根據碼頭的具體貨種和常用船型做具體分析。