船舶岸电系统并网逆功率抑制技术研究

船舶岸电系统并网逆功率抑制技术研究

李将渊

宁波北仑第三集装箱码头有限公司   浙江  宁波 315813

摘  要：目前随着国家各项环境保护、节能减排政策的出台，为落实《中华人民共和国大气污染防治法》要求，打好污染防治攻坚战、打赢蓝天保卫战，码头船舶岸电使用作为主要内容已被提到了日程上。随着船舶大型化、多功能化和节能化的发展，对船舶电力系统的要求也日益提升。联船并网及解列过程中可能会出现发电机频率及幅值调节不准确的情况，导致逆功率的产生。文中阐述了船舶岸电并网过程中逆功率产生的原因、危害，抑制逆功率产生的重要性；研究解决逆功率防护问题的几种技术方案、并对各种方案进行比较分析；最后通过实船联船数据分析、波形记录论证选取方案的可靠性。

关键词：船舶岸电；逆功率；软件控制

0引言

船舶岸电系统，即船舶停靠港口期间，由岸基侧向船侧供电的系统。船舶岸电主要保证船舶靠港后，船上仍需要的水泵、照明、通风等生产、生活及辅助设备连续运转的电力供应。此时，船舶关闭自身的柴油发电机，不仅可以消除自身机组运行带来的噪声，也能在一定程度上减少废气的排放。[1]

早在2011年，交通运输部发布的《公路水路交通运输节能减排“十二五”规划》就将“推广靠港船舶使用岸电”作为“绿色港航建设工程”的重要内容。2022年6月15日，《浙江省港口岸电奖补办法》正式发布，这是“十四五”期间全国首个全省域港口岸电建设奖补办法，也是浙江省贯彻交通运输部等四部委《关于进一步推进长江经济带船舶靠港使用岸电的通知》和省交通运输厅等六厅局《进一步推进靠港船舶使用岸电工作实施意见》的配套政策。

船舶用电多为柴油发电机进行发电，供船舶日常运行使用，现在多数国家的供电频率为50Hz，而美国、加拿大、日本、韩国、巴西、墨西哥、台湾等地区的供电频率为60Hz，沿海及远洋船舶的供电频率通常为60Hz。因此，船舶靠岸后如果要使用岸上电源，就需要一套变频变压的岸电系统，将岸上工频50Hz转变为船用60Hz。[2]港口船舶岸电电源不同于传统的船厂岸基电源，两者之间存在共性，也存在较大差异。尤其是港口岸电电源在使用过程中，存在与船舶柴油发电机并网及负载转移的过程，因为船舶在靠港使用岸电时不能够将船上负载停机再启动。岸电联船的控制核心在于船电与岸电之间的并网，在岸电与船舶辅机并网实现无缝切换，实现无缝切换有两种方式：主动切换与被动切换。

本文阐述了船舶岸电并网过程中逆功率产生的原因、危害，抑制逆功率产生的重要性；研究解决逆功率防护问题的几种技术方案、并对各种方案进行比较分析；最后通过实船联船数据分析、波形记录论证选取方案的可靠性。

1  岸电并网逆功率

1.1  岸电并网逆功率产生的原因

岸电并网逆功率，即在岸电并网或解列过程中，因控制问题导致船舶发电机将变频电源当着负载拖动，此时的产生的功率称之为逆功率。

功率是指物体在单位时间内所做的功。

有功功率是指在交流电路中，一个周期内发出或负载消耗的瞬时功率的积分的平均值（或负载电阻所消耗的功率），因此，也称平均功率。

记瞬时电压为u(t)，瞬时电流为i(t)，瞬时功率为p(t)，则：p(t)=u(t)i(t)

记有功功率为P，则:

对于交流电，T为交流电的周期，对于正弦交流电，经过积分运算可得：

上式中，U、I分别为正弦交流电的有效值，为电压与电流信号的相位差。

正功率P（正）；负功率P（负）；当P（正）+P（负）＞零，则输出正有功功率；当P（正）+P（负）＜零，则输出为负有功功率；此时的有功功率小于零时则系统出现逆功率，如图1所示。

图1  有功功率示意图

将上述坐标系转到矢量图上表示，如图2所示：

图2  矢量图-1

坐标系转换完成以后，就可以实现正负功率的判断了，如图3所示：

图3  矢量图-2

电流相对电压的坐标系内，电流有功分量大于零，则输出为正功率，电流有功分量小于零，则输出为负功率；即-90°＜¢＜90°时输出为正功率， 90°＜¢＜270°时输出为负功率。

下面从矢量图分析几种逆功率产生的机理，为岸电电源，为船舶发电机电源。

表1  逆功率产生的机理

1.2逆功率的危害

岸电并网过程中，由于发电机电压幅值大于变频电源电压幅值，变频电源闭环调节时，两个电压源同时调节，导致了变频电源单元母线电压升高，单元过压，在这个过程中变频器与船上发电机交换能量很大，母线电压上升很快，变频器上单元的IGBT在开关过程中产生的di/dt在母排杂感电压加上母线电压超过模块1700V，击穿一个桥臂的IGBT，在该桥臂另一个IGBT开通时，由于单元保护不及时，导致桥臂直通，出现一个桥臂两个IGBT损坏。这会极大地影响岸电系统的安全运行。

2逆功率抑制方案

目前船岸并网瞬间由于2个电源并网瞬间相位、幅值的差异会导致逆功率的产生，虽然时间很短，但是如果不作处理，必然会引起变频电源报故障停机岸电并网的逆功率产生不同于提升类负载下放时的逆功率，岸电逆功率由于并网产生，提升类负载的逆功率是工艺运行导致的能量流向问题，所以两者的处理思路完全不一样。[1]

2.1技术方案一：硬件消耗

本方案是依靠变频电源原有硬件不做任何改动，通过本身硬件的性能应对逆功率的冲击，但是如果在并网的瞬间，不做逆功率控制，逆功率产生将使能量在变频电源端累积，从而使得变频电源母线电压抬升，若此时能量得不到释放，则变频电源将出现故障报警或者损坏。

2.2  技术方案二：制动电阻消耗

本方案采取增加制动单元和制动电阻的形式，将能量通过电阻消耗。逆功率产生时，船舶发电机会反向给变频电源供电，这会造成变频电源母线过压，导致出现过压甚至变频电源损坏。为了释放这部分能量，采用增大电阻功率（适当减小电阻值）的方法来实现的。通过在变频功率单元上增加制动单元和电阻的方式，控制变频电源单元的母线电压，当有逆功率产生时，单元母线电压抬升，当单元电压达到制动开启时，制动管开启，消耗逆功率回来的能量，从而实现逆功率的处理，如图4所示。

图4  制动电阻示意图

2.3  技术方案三：四象限回馈方案

本方案的控制原理，是通过四象限变频器，控制变频电源的母线电压，当有逆功率产生时，母线电压抬升，变频器向电网回馈能量，从而实现逆功率的处理。其优势和可靠性在于四象限变频器在港机上应用也较早，是一种成熟的应用技术，对于并网时出现任何情况的逆功率，哪怕是瞬间满功率的回馈，四象限变频均可以做出相应的处理，属于一种较为稳定的控制技术。但是四象限变频电源市场拓展受阻，局限于成本，采用四象限变频电源做岸电，成本至少增加50%以上，直接影响岸电系统的造价，四象限变频电源历史应用业绩主要以国外西门子和ABB为主，国内只有苏州汇川有相应的应用业绩。

2.4  技术方案四：软件控制

本方案通过软件控制不让产生逆功率，从根源上解决逆功率的问题。软件控制需要硬件的支持，通过采集岸电系统输出侧的电压，如图5所示，采集点有2个：一个是隔离变的输出侧，一个是变频的输出侧。2个点的测量数据同时反馈至主控系统进行测算，岸电的逆功率控制基于2点：输出侧功率的流向和功率单元的母线电压。通过快速的微调输出电压的相位及幅值将逆功率控制住，保证变频电源的有功输出为正，同时变频电源并网期间具有一定柔性，不会因为逆功率的控制使得负载转移无法进行。

图5  逆功率抑制模拟图

通过分析岸电并网逆功率产生的原因及特性，在并网过程中能够实时监控输出功率，即与的夹角，当岸电电源系统检测到与夹角大于90°情况时，即岸电电源系统处于逆功率工况时，变频电源主动调节输出频率和相位角度，控制与夹角在90°以内，如图6所示。

图6  模拟实验平台

采用软件控制，从逆功率本身的产生根源出发，通过软件控制解决逆功率问题。在软件控制过程中，优化变频单元的软件和硬件，提升单元母线电压检测时间，加快过压抑制响应，响应时间在原有的基础上提升一个数量级；优化变频电源系统的过压和欠压保护：并网过程中，电压波动范围小，变频电源内部做调整；超出阈值，输出保护信号，保护阈值参考船舶电源质量要求，并将故障异常输出与输入输出分闸断路器电路并联。采用软件控制方式的逆功率控制方案，能够有效抑制逆功率的产生，提高了整个系统的可靠性，使系统在并脱网及负荷转移过程中可实现能量的双向传递，抑制切换过程中的电流和电压冲击，令船舶供电过程实现无缝平滑的切换。

2.5  各技术方案对比

各技术方案对比如表2所示。

表1  各技术方案对比

3现场应用实测

逆功率软件控制方案在宁波舟山港穿山港区船舶岸电项目进行了联船实际测试，经检测，在岸电联船并网过程中，有三次产生逆功率的情况，全部被逆功率控制技术消除。系统日志记录如图7如下：

图7  逆功率控制HMI记录

逆功率产生时和稳态时候的波形如图8和图9所示。

图8  逆功率产生时的电流和电压波形对比

图9  稳态运行，隔离变U相，W相输出电压和变频电源U相、W相输出电流波形

现场采样的是隔离变输出电压的采样和变频电源两相输出电流，将变频电源输出电流等效到隔离变的输出侧，W相产生逆功率。

4  结语

在岸电联船并网及船舶解列过程中可能会出现发电机频率及幅值调节不准确的情况，导致逆功率的产生。采用合适的逆功率控制方案，能够有效抑制逆功率的产生，使岸电系统在并脱网及负荷转移过程中可实现能量的双向传递，抑制切换过程中的电流和电压冲击，令船舶供电过程实现无缝平滑的切换。在宁波舟山港的试验结果表明，软件控制的逆功率抑制技术完全达到预计要求，运行稳定。

参考文献：

[1]陈枫, 应鸿, 徐鲲鹏, 张海波, 胡晓玥. 船舶岸电电源多机并联的并网无缝切换技术的研究[J]. 电气工程学报，2017, 12 (4): 33-37.

[2]周虹伯.船舶岸电系统技术研究[J].仪表技术,2018(1):1-5,40.

[3]王家林，夏立，吴正国，等. 船舶电力系统智能保护关键技术探讨[J]. 电力系统及其自动化学报，2012，24（4）：106-110.

[4]苏勇，章广春，陈钢. 一个接口大容量的码头岸电技术及应用[J]. 港口科技，2012（8）：1-5.

[5]郜克存，毕大强，戴瑜兴. 基于虚拟同步发电机的船舶岸电电源控制策略[J]. 电机与控制学报，2015，19（2）：45-52.

[6]卢明超，刘汝梅，石强，等. 国内外港口船舶岸电技术的发展和应用现状[J]. 港工技术，2012（3）：41-44.

[7]潘惠顺. 船舶发电机逆功率保护装置的调试[J]. 造船技术，1998（8）：9-11.