变频电源在港口岸电中的应用

梁光耀上海电动工具研究所（集团）有限公司上海电动工具工程技术中心

变频电源在港口岸电中的应用

梁光耀
上海电动工具研究所（集团）有限公司
上海电动工具工程技术中心

岸基电源系统是降低港口污染，提升环境保护的有效途径。详细阐述了本研究所的变频电源设计方案，对其系统冗余设计、故障模块热退出技术、末端电压校正技术、低电压穿越功能做了细致的分析。发现其具有电源的波形质量好、动态响应性能佳、可靠性高的特点。并针对本设计方案的实际应用案例做了详尽分析。

环保；岸基供电；变频电源

大吨位船舶在停靠港口期间，船上的部分用电设备，如照明、空调及水泵等辅助设施，需要保持持续工作状态，该时间段内需对船舶提供一定的电力供应。船舶大部分是依靠自身的燃油发动机带动发电机组来向自身的用电设备提供电力的，许多大型船只仍然采用重油等作为主要燃料，这样在停靠期间，由于发动机需要持续运行，必将会对停靠的港口造成严重污染。由此，设置岸基供电系统，向停靠船舶提供一定的电力以降低这一部分污染，成为众多港口城市建立“绿色港口”的有效途径。

我国拥有众多的涉外港口，大量的外籍船只采用60 Hz供电制式，与我国电网固定的50Hz供电制式不能直接连接，因此，采用变频电源来解决岸基供电系统与船用电网之间的供电制式匹配问题，成为有效的，也是目前主流的实现途径。

1 岸基电源系统简介

1.1 系统基本结构

岸基电源设备向停靠船舶供电系统主要由岸基公用电网、岸基电源、船岸接驳设备、船侧受电设备组成，典型的系统结构如图1所示。

来自公用电网的50 Hz供电电源（一般采用10 kV供电），经受电开关柜→电源变换装置（变频电源），变换为与船电电网相同的60 Hz完成供电频率匹配，由隔离变压器形成电压等级匹配，输出开关柜完成必要的控制保护，随后通过标准的岸船接驳设备（岸电接线箱及电缆管理系统），向停靠船舶提供电力。

1.2 变频电源实现方案

图1中关键设备是岸电变频电源，该设备起到了将公用电网的50 Hz频率转换为适用于船上用电设备所需的60 Hz频率，然后通过输出隔离变压器实现了电压等级的匹配。

变频电源采用成熟的高频开关电源技术，可以实现快速、精确控制，并大幅度提高了输出电压的质量，目前常用的变频方案一般有两种模式：一种为高压输入—高压逆变—高压输出的高—高变频方案，另一种方案采用高压输出—低压逆变—高压输出的高—低—高变频方案。

1.2.1 高—高变频方案

典型的高—高变频方案原理如图2所示。

图1 典型岸电电源供电系统结构

图2 典型高—高变频方案

高—高变频方案采用级联式逆变结构，每一个逆变单元输出电压约600 V，通过级联结构的多级串联方式，在输出端构成需要的输出电压，输出变压器通常为原边与副边相同的电压等级，形成变频电源与船侧电网的电气隔离，同时将变频电源的三线制输出变换为带有中性点的“三相四线”输出制式，以满足岸电电源国际通用标准IEC80005-1的输出制式规定。由于采用级联式多电平逆变结构，输出电压纹波较低，容易获得谐波含量很低的输出电压质量，且高—高变频系统结构较为简单，有利于减小设备占用空间。

1.2.2 高—低—高变频方案

高—低—高变频方案采用低压逆变技术路线，受单个功率模块IGBT的电流限制，单一模块无法满足岸电电源容量（一般不小于103 kVA），因此，高—低—高方案需要采用多模块并联技术，来满足船侧负荷要求。

典型的高—低—高变频方案如图3所示。

图3 典型高—低—高变频方案

系统中的低压逆变部分采用多个标准的逆变单元并联运行，各逆变功率单元采用共直流母线工作方式，因此，通过在直流母线侧增加统一的储能设备，可以形成对岸船并网过程中可能产生的逆功率的有效吸收，大大提高了系统工作的可靠性。

2 变频电源设计方案

我们经过对上述两种方案的充分研究，选择了高—低—高技术路线，在变频电源设计中采用了中压（1 100 V）等级的多电平逆变技术，并针对岸电电源的特殊性进行了多项专向设计，以完全满足岸基供电电源的需求。

2.1 系统冗余设计

系统采用高-低-高的供电方案，每套岸电电源由多台额定容量为750 kVA的多电平逆变器组成，系统采用n+1配置方案，即在采用n个模块满足负荷容量要求的前提下，配置n+1个逆变模块，不仅提高了系统抗冲击负荷的能力，同时，在一组模块发生故障时，通过对故障模块的切除（采用故障模块热退出技术，见后文介绍），剩余模块仍然可以满足供电的要求，大大提高了系统的供电可靠性。

2.2 故障模块热退出技术

热退出功能是专门为提高岸基供电系统可靠性而专门设计的。由前述的系统方案可知，岸基供电电源采用高-低-高技术路线，即高压进线——低压逆变——升压输出工作方式，与高压逆变技术路线所采用的串联（级联）方案不同，本方案的逆变系统采用并联运行方式，这样，在某一个功率单元模块出现故障时，具备了故障单元退出运行的可能，对系统整体而言，仅仅是配置容量有所降低，仍然可以担负正常的供电工作，只要在方案设计的时候，注意配置一定余量的功率单元，即可保证部分功率单元在出现故障时退出运行，仍然保持系统整体具有充足的供电能力。在向靠港船舶供电时，当某一台逆变器单元的某个设备出现故障时，则该单元将以整体的形式自动退出整套系统，岸电电源系统余下的逆变单元将继续在其容量允许范围内工作，故障自动退出的电源上的原有载荷，将平滑平均分配到其余逆变器上。由于岸电电源系统结构是冗余N+1形式，剩余容量仍可以满足码头的负荷要求，当船舶离港后，技术人员可通过更换故障模块的方式迅速完成故障电源整修工作。由上述分析可知，故障模块热退出功能实现的技术要点包括：

（1）模块化结构

功率单元的模块化结构，便于实现系统的整体管理，简化了主控模块计算方法，任意一组（或多组）单元投入、退出运行，仅仅通过运行基数的递增、递减即可方便的实现系统总体控制；同时，模块化结构，也大大降低了现场维修工作周期，便于快速完成故障检修工作。

（2）并联运行方案

采用并联运行方案，可以达到退出故障模块并不影响整体输出的可能，串联（级联）运行方式下，这个要求是不太可能实现的。

（3）快速的实时监测与判别技术

功率单元一旦发生故障，可能在极端时间内形成故障扩大，进而影响到系统的整体工作特性，因此，快速监测系统各个单元的工作状态，及时发现故障隐患成为热退出的关键，我们采用的系统快速监测功能，可以实现微妙级的系统判定，即便是对于100 Hz的电源系统而言，可以保证在不足1/4周波内准确判断故障部位。

（4）动态化的负荷平均分配控制

实现热退出的另一个关键技术是动态化的负荷平均分配控制，由于故障退出前后，系统总体的功率单元配置发生变化，这就要对当前投入的运行单元重新进行负荷平均分配计算。本方案基于快速监测技术、电流瞬时值反馈控制及标准化的模块结构，完美解决了负荷的动态分配问题，在80%额定负荷时的模拟故障状态测试条件下，系统输出平稳，故障模块退出后，剩余单元立即完成负荷“再分配”，通过示波器可以看出负荷再分配过程在一个周波内（60 Hz系统）重新达到平衡控制要求。

2.3 末端电压校正技术

岸电电源的输出电压闭环采样位于岸基系统的输出高压柜内，其与接线箱（接线坑）有一定的距离，有些甚至到达近千米，这就造成了长距离敷设产生的电缆压降问题。为确保接线桩输出点的电压稳定，我司采用了末端电源补偿技术，可以确保上船电压的稳定度：在岸电接线箱配置电压采样，检测供电末端实际输出电压值，并将数据通过光纤通信的方式输送给位于电源箱内的主控CPU，调整电压给定值，实现供电末端稳态电压校正。由于末端电压采样信号通过远端采样——通讯传输环节馈送至主控CPU，考虑到实际的通讯速率（100 ms以上）与系统调整速率（ms级）的差异，末端电压校正仅仅影响稳态电压输出参数，不会对系统输出电压的快速精确控制产生干扰。

2.4 低电压穿越功能

变频电源具有低电压穿越功能，此功能可通过人机界面设置“是否启动”，如果启动此功能后，当输出电流超过设定保护电流时，输出电压将迅速降低到一定额度，若在几秒内（电网允许最小电压时间长度）恢复，岸电电源的输出电压将迅速恢复到6.6 kV，如过超过最大过流时长，变频电源则会认定在电网侧存在短路点，并且此短路点为可靠链接短路点，设备需停机，防止设备烧毁。低电压穿越功能，所实现的系统功能见图5所示。

图4 岸电电源的末端电压校正原理

图中γ：电压跌落幅度，设定范围0～50%；t1：下降时间，最快10 ms；t2：穿越时间，设定范围0～999 s；t3：上升沿时间，设定范围0～1000 ms。

类似系统低电压穿越功能的实际测试波形见图6所示。

图5 低电压穿越原理

3 本设计方案的技术特点

3.1 电源的波形质量好

由于我们采用的多电平技术，可以实现完美的正弦波输出，本项目的电源输出波形失真度可以达到小于1.5%。

3.2 动态响应性能佳

由于我们采用瞬时值闭环技术，对输出电压的动态响应极快，电压波动恢复时间小于0.1s。尤其是突加突卸性能更好，在突加100%负载的状态下，电压降低幅度可以达到小于1%；突卸100%负载时电压升高幅度可以达到小于1%。这体现了电源的特性非常硬，内阻非常小，动态响应快。

3.3 可靠性非常高

本项目的岸电系统，可靠性最薄弱的环节就在于逆变器，而冗余功能和在线热故障退出功能可以至少提高产品的可靠性一个数量级，对整个可靠性的提高具有极大的作用。

图6 低电压穿越实测波形

图7 上港集团洋山深水港国际集装箱码头3 000 kVA岸电电源拓扑结

4 实际应用案例

我司于2016年与上港集团合作，在上港集团洋山深水港国际集装箱码头设计建造了一套额定容量3 000 kVA的岸电电源设施，该套岸电电源装置采用高—低—高变频方案，该电源充分应用了上述各项技术，系统主结线见图7所示。

该套电源主要技术参数如表1所示。

该岸电电源于2017年3月调试完成并投入试运行，首次连船供电即创造了国内同类型岸基电源最长连续稳定供电记录，目前已经平稳运行半年，对多艘船舶实现了联网供电，累计供电运行时间数百小时，以稳定可靠的供电能力，完善的系统保护和良好的操作界面，得到用户方的充分肯定。

表1 电源技术参数

5 结语

变频电源目前越来越多的应用于港口岸基供电领域，成为“绿色港口”建设的一个重要环节。与传统变频器不同，岸电电源有着许多专业性的特殊要求，针对岸电应用这一领域，我公司开展了大量的研究工作，开发了许多针对岸电应用的专用技术，这些技术在实际产品中得到应用，取得了良好的效果，尤其是系统中基于高低高技术路线的冗余设计方案和故障模块在线热退出技术，在现场的模拟测试时，获得用户的很高评价。

VF Power App lication at PPort Shore Electric Power Supp ly Systteem

Liang Guangyao
Shanghai Electric Tool Research (Group) LimitedCompany

Port Shore Electric Power Supply System is effective way to decrease port pollution and enhance environment protection. The author introduces VF power design solution of research institution and analyzes redundant system design, fault module hot swap technology, term inal voltage correction and low voltage traversal function in details. VF power has good shape, better dynam ic response and high reliability. The author analyzes design plan through detailed case.

Environment Protection, Port Shore Power Supply, VF Power

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.07.013