船舶岸電系統在糧食碼頭上的應用與發展

◎ 申鵬程，劉 鵬，孫振宇，孫澤豪，梁國慶，董良太

（日照港裕廊股份有限公司，山東 日照 276826）

1 岸電系統運用背景

碼頭靠港船舶通常利用輔機發電，以滿足船上冷藏、空調、加熱、通信及照明等電力需求。但是，船舶輔機為燃油發電機，在消耗燃油的過程中，會排放出氮氧化物、硫氧化物、可吸入顆粒物等空氣污染物，影響港口及所在城市的環境質量。

隨著我國節能減排步伐的加快，交通運輸已成為節能減排的重要領域，港口作為海陸運輸節點，節能減排有著廣闊的施展空間。交通運輸部發布的《船舶與港口污染防治專項行動實施方案（2015―2020）》強調推進生態文明建設，推動船舶與港口污染防治工作，實現水運綠色、循環、低碳、可持續發展[1]。新興船運電能供應技術是指在船舶停靠過程中，用來自港口的電力供應系統替代船舶發電機為船舶持續供電，以供船舶照明、通信、工程操作等電氣設備使用，進而實現船舶系泊過程節能、減排、降噪的目標，并最終實現“綠色生態港”的建設[2]。與船舶發電的高能耗、高污染相比，岸電的使用更節能、環保，因此，靠港船舶使用岸電是節能減排的大勢所趨。

2 變頻岸電系統功能

將岸基電源接入船舶使用，最大的障礙是兩種電網存在頻率差異。我國用電網絡通常采用的頻率為50 Hz，電壓為380 V、6 kV、10 kV，而大部分船舶供電采用的頻率為60 Hz，電壓為440 V、6.6 kV，如果直接將50 Hz 的電源接入船舶設備，會使設備的整體效率下降30%，并且由于供電頻率及電壓發生變化，可能造成部分設備不正常工作，產生安全隱患。變頻岸電可由50 Hz 轉變成60 Hz，避免岸基電源接入船舶使用的障礙，且具有更高的性價比，可以向不同制式的船舶提供岸電；與發電機相比，岸電節能20%以上，且發電機具有噪聲大、運行成本高、損耗大、有污染、維修困難以及需要專人管理等缺點；岸電具有更強的適用性，可以實時監控電源的運行情況，被國內各大造船修船及港口碼頭企業廣泛使用。圖1 為變頻岸電系統簡圖。

圖1 變頻岸電系統簡圖

3 項目應用案例

根據綠色港口建設需要，某碼頭公司在其散糧泊位投資建設高壓岸電系統，岸電設施基本信息及供電情況詳見表1，高壓變頻裝置現場照片如圖2 所示。岸電變頻變壓系統核心工程主要包括工程設計、岸電設備購置、岸電設備系統集成、土建施工、設備安裝、系統調試、試運行、系統運行以及連船等[3]。本岸電系統采用廣州智光電氣ZG-SPS 高壓變頻岸電電源系統。

表1 岸電設施建設情況表

圖2 碼頭岸電設施現場圖

4 ZG-SPS 高壓變頻岸電電源系統結構

ZG-SPS 高壓變頻岸電電源系統由配電及隔離保護部分、變頻電源、插座箱及電纜管理系統等組成，其中變頻電源為其核心部分。高壓變頻電源的核心技術主要有以下幾方面。

4.1 高效的拓撲結構

高壓變頻岸電電源系統主要由輸入移相變壓器和變頻功率單元組成。系統采用功率單元串聯技術，解決器件耐壓的問題，級間SPWM 信號移相疊加，提高了輸出電壓諧波性能，降低了輸出電壓變化率（dv/dt）；通過移相整流技術降低輸入側諧波，減小了對電網的諧波污染；主控制器以雙數字信號處理器、超大規模集成電路可編程器件為核心，配合數據采集、單元控制、光纖通信回路以及內置的可編程邏輯控制器構成系統控制部分。

4.2 優質的移向變壓器

移相變壓器采用干式結構，強迫風冷。變壓器原邊為Y 型接法，直接與高壓相連。副邊繞組數量為18 個。由于為功率單元提供電源的變壓器副邊繞組間有一定的相位差，單個功率單元輸入側為6 脈波整流，工作時會產生5、7 次諧波，但是當多個功率單元由移相變壓器提供幅值一致、相位角互差10°的工作電壓時，各單元工作產生的35 次以下諧波相互抵消，自動消除。從而消除了大部分由單個功率單元所引起的諧波電流，所以智光變頻器輸入電流的總諧波含量遠小于國家標準5%的要求，并且能保持接近1 的輸入功率因數。

4.3 經驗證的逆功率處理

《碼頭船舶岸電設施建設技術規范》規定，岸電系統的繼電保護應滿足以下要求。電氣元器件的選型要考慮其能承受的短路容量，并兼具可靠性、選擇性、靈動性；重要電氣設備應具備電流速斷、過流、低壓及超溫等保護功能[4]。

岸電系統采用帶電切換方式時，可能由于船/岸兩側檢測誤差，兩側電網運行參數在并網過程中存在差異，在岸電和船上發電機并網（岸電解列）過程中會引發逆功率現象。為了防止發生嚴重逆功率現象，損壞設備，應采取必要的安全措施。

智光電氣岸電電源系統具有完善的逆功率判斷以及控制保護算法，可通過雙重檢測手段判斷是否產生逆功率，確保逆功率檢測的可靠性；還可通過逆功率快速處理控制算法，迅速調整輸出參數，將逆功率推送至船側電網，保護變頻電源安全。當逆功率現象過于嚴重，無法通過調整電壓參數消除時，系統啟動逆功率保護動作程序，斷開功率單元進行保護。

4.4 冗余能力說明

智光電氣配置的高壓變頻岸電電源系統多設計了一組功率單元作為冗余。當1 臺單元發生故障時，系統自動將故障單元旁路變為5 級單元工作，系統總輸出電壓仍然為6.6 kV，系統額定輸出電流不變，容量不變，不降額向船舶供電。

以3 MVA 系統為例，6 級功率單元串聯工作時控制每個功率單元輸出634 V 電壓，即系統輸出3 810 V相電壓，6.6 kV 線電壓，系統輸出容量為3 MVA。變為5級功率單元串聯工作時，每個單元輸出762 V電壓，即系統輸出3 810 V 相電壓，6.6 kV 線電壓，系統輸出容量為3 MVA。

4.5 獨特的散熱結構

ZG-SPS 變頻電源采用前后兩側進風，中間通風道短而寬，柜體上部安裝大風量進口專用風機，散熱效率大大提高，從而提高系統適應工作環境溫度的能力，配合空調系統，完全可滿足10 000 kVA 以內各種岸電電源變頻裝置（800 A)的散熱要求。

5 碼頭岸電插座箱選型

碼頭岸電插電箱作為船舶岸電系統的重要組成部分，其選型及選址決定著岸電系統整體運轉效率。常見的岸電插電箱安裝有以下兩種方式。①岸電插座箱明裝。這種安裝方式施工簡單，成本低，不受潮汐影響，目前碼頭岸電插座箱多數采用明裝方式。缺點是箱體突起，可能影響碼頭作業，有被纜繩刮倒風險。②岸電插座箱箱地坑安裝。這種安裝方式沒有突出障礙物，不影響碼頭作業，無纜繩刮倒風險，但其施工復雜，成本高，受潮汐影響較大，需要預制件安裝。

通過對碼頭岸電插座箱面明裝和地坑安裝進行比較，最終選擇岸電插座箱明裝施工方案。且根據碼頭現場實際，碼頭泊位已使用近20 年，插電箱底座利用原有門機低壓供電箱體，在其底座上進行焊接加固10 mm 厚鋼板，加裝1.5 m 高擋浪板，防止海水侵蝕，圖3 為岸電插座箱安裝實景圖。

圖3 岸電插座箱安裝實景圖

6 岸電系統連船介紹

根據《碼頭船舶岸電設施檢測技術規范》（JTS 155—1—2019）的相關規定，該碼頭公司在岸電系統建設完成后委托中國船級社對岸電系統進行了初次檢驗和年度檢驗，檢驗內容包括一般性檢查、電能質量檢測、額定負載運行試驗以及過載運行試驗等，檢驗結果合格。

船岸電網連接是通過電纜及輔助設備將岸基配電箱與船基配電箱相連[5]。連船正式運行前需測試船、岸間的polt 回路是否連接正確，檢驗船、岸間的保護性能，確保船舶岸電系統在用電過程中設備以及人員安全。測試分別在船側、岸側進行，采用急停開關進行分閘測試。

船舶岸電電源輸送到船上后，先送到船側主配電板并網開關上端。船方操作人員通過船側開關柜檢查確認岸電電源的相序、電壓、頻率是否滿足船上電源要求。如相序反，可通過變頻電源調整電壓、頻率偏差。確認船上的岸電電源正常后可進行下一步操作。碼頭作業方應與船方人員保持良好溝通，在船上岸電高壓進線開關合閘帶降壓變壓器之后且未并網帶負載前，按泊位切換柜勵磁涌流旁路開關合閘按鈕，把輸出限流電阻旁路后方可允許船方帶負載。

7 結語

該碼頭公司船舶岸電系統建成后，經過一段時間的使用，整體運行效果較好。建議碼頭作業方加大與船方的溝通，繼續組織操作人員進行專項培訓，做好岸電系統的使用及維護工作。相關職能部門應出臺相關政策，進一步提高岸電系統的覆蓋面及使用頻率，以更好地支持綠色港口建設。