岸电变频电源和无缝切换技术

王绪宝1，　金庆才1，　鲁　俊1，　郑忠明1，　高　越1，　丁　克2

（1.卧龙电气集团辽宁荣信高科电气有限公司，　辽宁　鞍山　114018；

2.招商局蛇口工业区控股股份有限公司，　广东　深圳　518067）

摘要： 为实现大容量岸基供电系统的可靠和高性能运行，介绍一种效率高、结构简单、电能质量高的变频电源拓扑结构。分析船岸对接时逆功率产生的机理，从理论和实际操作方面提出船岸连接无缝切换技术的实现方法和逆功率处理方式。经过现场实际应用证明变频电源拓扑结构和无缝切换技术的合理性和可靠性。

关键词：  港口；大容量岸基变频电源；无缝切换技术；逆功率

0　引　言

船舶在靠港时通常采用燃油发电方式对船舶上的设施进行供电，燃油发电排放的尾气中含有大量的SOX和NOX，船舶尾气已经成为港口主要的污染气体排放源。为有效治理船舶靠港期间的污染物排放，对靠港船舶采用岸基供电系统进行供电是治理船舶尾气排放的有效方式。对船舶采用岸基供电系统进行供电时，靠港船舶停止使用船舶发电系统而采用陆侧电源进行供电，须使用岸基变频变压系统将岸侧电制转换为船舶可以直接使用的电制，并通过电缆直接敷设至码头前沿的高压接驳电箱，从而为船舶靠岸装卸作业期间提供可靠的电源。[1]

1　岸基变频系统结构及关键技术

岸基变频供电系统主要由变频电源和电缆管理装置等构成。岸基变频供电系统示意图见图1。变频电源将50 Hz的陆域电转换成船舶需要的60 Hz电源，变频电源的输出电压根据不同船舶的供电需求而决定，通常为440 V、6 600 V、11 000 V等3种。电缆管理装置负责变频电源和船舶之间的连接，其电缆类型和长度根据船舶类型和码头条件而定。

图1  岸基变频供电系统

2　船岸无缝切换技术原理

在岸基供电系统与船舶电网并入和解列的过程中，岸电和船电之间能否安全平稳地过度是船舶岸基供电系统能否成功运行的核心。为保证岸电和船电切换过程中船舶设备的不间断供电，船岸之间须采用电能的无缝切换技术。

2.1　准同期并网原理

在岸电并入船舶电网时采用准同期并网法，岸电电源与船舶发电机的同步采用以岸电电源为基准，调节船侧发电机同步并网至岸电电源的方式，调节船舶发电机使其输出符合并网条件后，将船舶发电机与电网同歩并车。采用此方式所产生的冲击电流，对电网和发电机组不会产生较大的危害，同时对用电设备也不会产生大的冲击。

岸电岸侧电压为

U岸=U岸，m ×sin（ω岸t+φ岸）

式中：U岸为岸基变频电源输出电压有效值；U岸，m为变频电源输出交流最大值；ω岸为变频电源输出电压角频率；φ岸为变频电源输出电压初相位。

岸电船侧电压为

U船=U船，m ×sin（ω船t+φ船）

式中：U船为船侧发电机输出电压有效值；U船，m为船侧发电机输出交流最大值；ω船为船侧发电机输出电压角频率；φ船为船侧发电机输出电压初相位。

岸侧和船侧之间的瞬时电压差为

Ud=U岸，m×sin（ω岸t+φ岸）-

U船，m×sin（ω船t+φ船）

式中：Ud为瞬时电压差。

由式（3）可以看出，瞬时电压差Ud主要取决于合闸时船电与岸电之间的瞬时电压差、频率差和相角差。

岸电和船电的矢量图见图2，在岸侧电源与船上电网的并网时刻，要使瞬时电压差Ud尽可能小，当Ud=0时，没有冲击电流产生，此时是最理想的并网合闸时刻。

图2  岸电和船电矢量图

根据上述分析，要使岸电并网时船侧与岸侧之间的冲击为零，必须满足以下5个条件：待并网的岸电变频电源与船侧发电机输出电压的相序保持一致；待并网的岸电变频电源与船侧发电机输出电压的电压幅值相等；待并网的岸电变频电源与船侧发电机输出电压的频率相等；待并网的岸电变频电源与船侧发电机输出电压的相角一致。

2.2　逆功率处理

在船岸供电并网时，船侧发电机和岸电电源频率、电压、相位不可能完全一致，仅可能保持在很小偏差范围内，这时可能会出现短暂的船岸逆功率现象。针对船岸切换时存在的船舶电能倒灌入岸电电源，导致并网和解列的失败并可能出现损坏岸电电源设备的情况，岸电电源设备具备逆功率处理保护功能以避免危害的发生。

当船电和岸电电压及相位相同而船侧发电机频率大于岸侧电源频率时，岸电电源拖动船舶发电升速会产生正向有功功率。当船侧发电机和岸侧电源频率和相位一致，船侧发电机电压VG小于岸电电压Vsp时，岸侧电流I相对电压Vsp滞后90°，产生感性无功功率，感性无功功率的产生见图3。当船侧发电机和岸电电源频率和相位一致，船侧发电机电压VG大于岸电电压Vsp时，岸侧电流I相对电压Vsp超前90°，产生容性无功功率，容性无功功率的产生见图4。当船侧发电机和岸电电源频率和电压一致，船侧发电机矢量电压VG滞后岸电矢量电压Vsp时，岸电电流I相对于Vsp矢量同相，产生正向有功功率，正向有功功率的产生见图5。当船侧发电机和岸电电源频率和电压一致，船侧发电机矢量电压VG超过岸电矢量电压Vsp时，岸电电流I相对于Vsp矢量反相，产生逆向有功功率即逆功率，逆向有功功率的产生见图6。[2-3]

通过以上分析，若能设置同期表，船侧发电机与岸电电源频率偏差为负偏差，设置船侧发电电压相位滞后岸电电源相位，即相位偏差为负偏差，产生逆功率较小，基本是正功率。设置频率、电压和相位偏差越小越好，逆功率和无功功率都会很小。

当产生逆功率时，会导致船电向岸电变频电源送电产生逆功率，变频电源的电容会吸收部分逆功率。若逆功率过大，变频电源通过释放回路将剩余能量处理掉。[4]

3　船岸连接过程

船电和岸电的对接过程包括并网和解列2种情况，靠港船舶在接入岸电时是船舶电网并入岸电系统的过程，在船舶离岸时进行的是岸电系统从船电网络中解列的过程。

岸电并网阶段，在船岸电缆连接完毕后，船舶同期装置对岸电进行检测，查看岸电电压的频率、幅值、相位及自身各值的偏差是否在一定范围内。若各项偏差超出并网要求，同期装置会调整船舶发电机输出电压的各值，使其与岸电电压各值偏差在允许内，然后船舶电网并入岸电供电系统。随之船侧调节发电机功率逐渐减小，岸电电源输出功率逐渐增大。当船侧功率小于一定值时，切断发电机开关，由岸电电源供电，岸电电源并网完成。

在岸电解列阶段，船岸分离前船舶会逐步降低负载并起动船舶发电机，船舶通过调节发电机输出电压的频率、幅值、相位和岸电系统电压的各值偏差满足同期要求，然后船舶发电机并入船上电力系统，船侧调节发电机功率逐渐增加，岸电电源功率逐渐减小。当岸电电源功率小于一定值时，切断岸电电源并网开关，船上负载全波由船侧发电机供电，岸电电源退网完成。

4　结　语

靠港船舶使用岸电是解决船舶污染物排放的有效途径，本文提出船舶岸基供电系统的典型构成，并就大容量岸电系统的变频电源提出具有效率高、结构简洁、电能质量高等特点的拓扑结构，针对船岸对接的无缝切换问题提出实用化的解决方案。采用变频电源和无缝切换技术的船舶岸基供电系统已在部分港口岸电系统中成功应用，技术的先进性和可行性得到验证。随着我国蓝天保卫战和建设绿色港口工作的开展，靠港船舶使用岸电必定会发挥重要作用。

参考文献

[1]沈朗捷.集装箱码头配备岸电设施选型[J].港口科技,2015(7):2-3.

[2]张兴,张崇巍.PWM整流器及其控制[M].北京:机械工业出版社,2012:56-73.

[3]任宗基.重要负荷电源无缝切换供电方法的研究[D].重庆:重庆大学,2016:7-23.

[4]马昊立.高压交流岸电系统容量及冗余能力研究[J].电动工具,2017(5):20-21.