港口船舶高压供电技术研究

港口船舶高压供电技术研究

王文强 王学永 张步林

（ 南京大全电气研究院有限公司 ， 南京 211100 ）

摘 要：港口环境污染日益突出，采用陆地电源为靠港船舶供电的岸电技术逐步得到重视。港口船舶高压供电采用高压变频电源为船舶供电，具有连接简单、容量大、可扩展性高等优点。本文对高压变频电源的拓扑结构、功率单元和控制原理进行了探讨，并设计了一种可用于多个泊位的双频供电技术方案。最后，通过环境和经济效益分析表明采用岸电技术具有重大的意义。

关键词：岸电技术 高压变频 岸电电源 节能减排

0 引言

我国是世界上最大的水运国家，年港口货物吞吐量达70多亿吨，居世界之首。全世界几乎所有的船舶均使用燃烧轻质或重质柴油的发电机自行发电，所以船舶会排出大量二氧化碳、硫化物和氮化物，对大气环境造成严重影响。大型船舶特别是集装箱船、游船等靠港时通常使用重油、柴油等燃油制品发电，来满足船舶用电需求。重油和柴油在燃烧过程产生大量二氧化碳、硫化物和氮氧化物，对港口周边环境造成严重污染。船舶使用柴油发电机组产生的噪声也会对环境造成污染。

目前，国内外一些港口已经使用陆上电源对靠岸的船舶进行供电，这种供电系统称为靠岸船舶供电系统（以下简称岸电系统）。岸电技术（系统）的运用可以达到节能、减排、降噪的效果，同时开展岸电技术的研究和运用，可以创造很高的经济效益。

1 岸电技术介绍

岸电技术是指允许装有特殊设备的船舶在停泊期间接入码头陆地侧的电网，从岸上获得其水泵、通讯、通风、照明和其他设施所需的电力，从而关闭自身的柴油发电机，减少废气的排放量^[1-3]。

目前国外的岸电主要由50Hz和60Hz港口电网分别向50Hz和60Hz的船舶电网直接供电，都不涉及变频技术。由于我国电网采用的频率和电压分别是50Hz和380V，而大部分的船舶采用的是60Hz频率和440V电压，如果直接将50Hz的电源接入船舶设备，会使设备的整体效率下降30%^[4]。随着电力电子技术和数字控制技术的不断发展，采用大功率器件比如IGBT、MOSFET的变换电路在供配电领域得到广泛的应用，为岸电系统的应用打下坚实基础。

1.1 发展和应用现状

目前国内外都已经开始了岸电技术的设计和研究。国内外一些先进港口已经采用陆地电源为靠港的船舶供电，比如美国洛杉矶港采用岸电系统后，CO₂、NO_x、SO_x和可吸入颗粒的排放量明显减少，港口空气质量得到明显地改善。国际上一些著名的公司，如西门子、ABB和凯伏特等都提供船舶岸电系统解决方案。

近年来，国内也加快了船舶岸电技术的研究步伐，一些港口开始试点采用陆地电源为靠港船舶供电。其中青岛港只为国内支线供电，是采用380V/50Hz直接上船；连云港港将变频后的高压电送至码头高压接头箱内，采用6.6kV高压上船；上海港采用440V/60Hz低压上船方式。

1.2 上船方式

陆地电源有高压上船和低压上船两种方式。根据IEC PAS 60092-510-2009规定，高压上船有6.6kV和11kV两种电压等级。低压上船尚无统一的标准，一般采用440V电压等级。

两种方式的优缺点见表1所示。

表1 低压上船与高压上船优缺点比较

通过比较可以看出，高压上船方式相对于低压上船方式，具有很大的优势。

2 岸电电源

岸电电源，即岸用变频电源，又称为电子静止式岸电电源。它是专门针对港口、码头等高湿、高盐雾环境、负荷变动大等恶劣使用环境而特别设计的大功率变频电源。本文针对高压供电技术采用高压变频电源。

高压变频电源是实现50Hz到60Hz电压转换的装置，是高压岸电系统的核心组成部分，高压变频电源能够直接输出6.6kV或11kV电压。高压变频电源与与传统的低压变频电源相比，不再使用输出回路中的升压变压器，输出电源波形更好，容量更大。

高压变频电源采用AC-DC加DC-AC方式，主电路功率器件采用IGBT。变频器充分利用通用高压变频器的成熟技术，采用功率单元串联的方式，因而具有很高的可靠性。

2.1 主电路拓扑

主电路由一个输入变压器和数个单相PWM变频功率单元组成，对于6.6kV，每相6个变频功率单元能产生13电平的输出电压，如图1所示。

图1 主电路拓扑示意图

2.2 功率单元 

高压输入经移相多脉波变压器后到各个功率单元，多个功率单元串联组成高压变频电源。功率单元三相输入经不控整流、支撑电容和H桥逆变后输出单相交流。所有功率单元完全一致，方便维护和置换，在某个功率单元故障时，也不影响系统持续运行。

图2 功率单元结构图

主控系统通过光脉冲给每个功率单元发送控制信号，控制功率单元完成整流、滤波和逆变。主控系统采用无死区空间矢量控制方式（SVPWM），控制Q1～Q4 IGBT的导通和关断，输出单相脉宽调制波形。

2.3 电压叠加原理
各个功率单元由移相隔离变压器提供独立电源，高压变频电源由多个功率单元串联而成。根据要求的输出电压等级，可以串联不同数量的功率单元，得到不同电压等级的输出，不再受功率器件电压等级的限制。如功率单元额定电压为640V，如果需要额定电压6.6kV输出，每相可串联6个功率单元，串联后相电压为3840V，对应线电压为6.6kV。

2.4 控制原理

控制电路主要根据对主电路输入和输出量的检测来实现对主电路的控制和各种保护^[5]。通过传感器检测到的三相电压和电流与给定的基准正弦信号比较，通过主控单元得到脉冲信号，控制IGBT开关动作，得到期望的三相恒压恒频的交流电压。控制器采用电压外环和电流内环的双闭环控制，具有较好的输出电压波形、动态响应特性和稳态调压精度。控制系统总体结构如图3所示。

图3 控制系统总体结构图

3 双频供电技术方案设计

目前，大部分的船舶采用60Hz供电，但是也有接近20%的船舶采用50Hz供电。对于港口既需要60Hz电源，也需要50Hz电源为船舶供电的情况，本文给出了一种双频供电设计方案，如图4所示。本方案输出为6.6KV，50Hz/60Hz高压电，符合岸电系统国际标准，同时兼顾双频供电。泊位侧占用空间小，工程量小；高压变频电源只用于50Hz到60Hz转换，所以当为50Hz供电时不需要启动高压变频电源，供电效率高。可以通过采用大容量高压变频电源或高压变频电源并联方式扩大供电容量；可同时为多个泊位供电，系统可扩展性高，升级方便。

当船舶需要60Hz电源时，双母线开关装置将高压变频电源与输出电缆接通，为船舶供应60Hz电源。当船舶需要50Hz电源时，双母线开关装置切换到50Hz电源输出端，直接供应50Hz电源，此时，高压变频电源关闭，可以有效降低功率损耗。

图4 岸电系统解决方案

4 环境和经济效益分析

根据航运经验估计，营运船舶的平均吨位约为3-5万吨，每天在泊位上用于发电的实际耗油量为2-3吨，按照2.5吨计算，港口泊位使用天数每年按365天计算，泊位利用率按90%计算，港口泊位数按1,000吨级以上的泊位3,625个计算，则每年1,000吨级以上的各类船舶在我国港口靠泊装卸货物期间消耗的燃油约为298万吨^[6]。即：

2.5吨/每天每艘船舶耗油x 365天x 90%泊位利用率 x 3,625个泊位 = 2,977,031吨燃油（约等于298万吨）。

如果这些船舶在港口靠岸期间直接使用岸电系统给船舶供电，在优先使用水电、风电、核电等绿色电力的情况下，岸电系统推广应用到全国，每年将减少

1）混合废气排放 ：298万吨×7657 g /180 g =12677万吨；

2）有害物质排放 ：298万吨×23 g /180 g =38万吨；

3）CO2排放 ：298万吨×610 g /180 g =1010万吨。

如果把1,000吨级以下的船舶计算进来，混合废气、硫化物、氮化物和二氧化碳等减排效果将大幅提高。岸电系统应用可以缓解船舶在港期间对港区和城市大气环境的影响，助力实现碳达峰、碳中和目标。

船用柴油发电机组正常负荷费用约180g/kWh*7.33元/L*1L/850g=1.55元/kWh，港口岸电系统供电按1.2元/度计，船舶能节省费用23% 。随着国际油价的飞涨，实际能节约的费用更高。

5 总结

在船舶靠港期间，船舶岸电系统可以提供船舶所需的电能，减少燃油发电带来的大气和噪声污染。交通运输是国务院确定的重点节能减排行业，积极采取措施做好船舶的节能减排工作，对于促进我国整体节能减排、减轻港口地区的空气污染，以及履行有关气候变化的国际公约具有重要意义。

参考文献：

[1] 李建新, 宋永东, 金印彬. 三相电源相序的检测与自动矫正[J]. 电工技术. 2005(09): 67-38.

[2] 李建科, 王金全, 金伟一等. 船舶岸电技术研究综述[J]. 船舶技术. 2010, 33(10): 12-15.

[3] 李学文, 孙可平. 船舶接用岸电技术研究[J]. 上海海事大学学报. 2006, 27(3): 10-14.

[4] 袁庆林, 黄细霞, 张海龙. 港口船舶岸电供电技术的研究与应用[J]. 上海造船. 2010(2):35-37, 48.

[5] 周金博, 张国宝. 大功率岸电电源的研制[J]. 电力电子技术. 2010, 44(4):93-94.

[6] 曹胜华, 徐大可, 王文强, 许高文. 智能岸电系统整体解决方案的实施[J]. 华电技术.2011(33):57-60, 86.

作者简介：

王文强（1984－），男，山东泰安人，工程师，主要从事电力电子及其控制技术应用研究。