港口岸电系统及其电力变换研究

邵明杰，施伟锋

（上海海事大学 物流工程学院，上海 201306）

港口岸电系统及其电力变换研究

邵明杰，施伟锋

（上海海事大学 物流工程学院，上海 201306）

根据港口岸电的发展趋势和大量的低压电制船舶供电需求，本文首先设计了一种可供船舶靠港期间正常运作和日常用电的移动式岸基船用变压变频供电系统。然后，在MATLAB/Simulink中建立了此系统的数字仿真模型。最后，采用上海港外高桥二期集装箱码头岸电尝试案例中的数据进行正常工况和单相短路故障仿真，仿真结果表明：正常工况下输出电压、频率稳定可靠，故障情况下，输出线电压波形不变，负载可短时间运行。

港口岸电 移动式 变压变频 仿真

0 引言

在港航业蓬勃发展的今天，靠港船舶依靠其辅机燃烧柴油供电对周围环境造成的污染会严重影响当地的生态环境质量。应“十三五”规划提出的生态环境质量改善指标，港航领域通过对靠港船舶接用岸电为其提供电能会大大减少空气污染，改善当地的生态环境质量，同时这也是建设绿色港口的重要一步。先前的岸基船用变压变频供电系统需要对码头进行动工改造，码头还要为其提供必需的电气设备才能供其正常运作，应用灵活性差。据统计，我国大多数是为电制380 V/50 Hz和 450 V/60 Hz的靠港船舶提供岸电，6.6 kV/60 Hz的船舶仅占10%左右[1]，所以研究输出为450 V/60 Hz的可移动式岸电电源具有实际意义。

1 岸基船用供电系统结构

目前，船用岸电供电方式有三种典型的方式，分别为：低压岸电/低压船舶/60 Hz直供电，高压岸电/低压船舶/50 Hz直供电，高压岸电/高压船舶/60 Hz直供电[2]。本文以上海港在外高桥二期集装箱码头为集装箱班轮提供岸电的尝试（输入为10 kV/50 Hz，输出为440 V/60 Hz）[3]为例展开研究。其船用岸电系统结构如图1所示，接电箱引出10 kV/50 Hz线缆至移动岸电箱，该移动岸电箱内置变压变频装置，可按需进行电压、频率转换，移动岸电箱另一侧直接接船舶负载，使用起来方便灵活。

图1 岸基船用供电系统结构图

2 移动式岸电电源设计方案

该移动式岸电电源系统主要由以下几部分组成：降压变压器、串联整流器、两电平逆变器、正弦滤波器、隔离变压器，结构如图2所示。

2.1 降压变压器

该降压变压器为三相三绕组变压器，实现陆域电网电压10kV/50Hz到岸电电源工作电压的转变，其一次侧绕组采用三角形接法，二次侧绕组一个采用星形接法且中线可见，另一个采用三角形接法，绕组间互差30°，其结构在图2中可见。

2.2 功率单元

功率单元即为整流逆变环节，整流电路采用两个全桥二极管整流串联形式，以抬高直流侧输出电压，同时也可以减少对网侧电压电流波形的污染。为了减小整流过程中电容里会流过对二极管有损坏作用的浪涌电流，在直流侧采取接入电抗器的措施，电感值为0.0002 H，电容值为0.005 F。逆变器是实现直流到交流和频率转换的重要部分，采用三相桥式逆变电路，通过调制信号控制晶闸管的导通关断顺序和作用时间来实现其逆变功能，其结构在图2中可见。

2.3 隔离变压器

正弦滤波器将逆变输出的方波滤成正弦波输出到隔离变压器，在得到所需电压的同时可以避免非线性电气负载对电源系统造成的谐波污染和由于负载设备故障造成的电源系统损坏，其结构在图2中可见。

图2 移动式岸电电源结构

2.4 控制器

图3 逆变器脉冲控制图

实现对逆变器正确的脉冲触发是控制器设计的重要一环，调制步骤主要是通过采集滤波后的电压，在锁相环（PLL）给坐标变换器abc-dq0、dq0-abc提供角频率的同时，采集到的实时电压经abc-dq0坐标变换与给定值进行比较，再通过 PI调节器和dq0-abc坐标变换输出给PWM发生器，进而产生脉冲触发逆变器，其结构在图3中可见。

3 仿真分析

3.1 仿真参数设置

仿真程序中关键参数设置集中如下：三相电源电压等级、频率、容量分别设置为10 kV、50 Hz、10 MVA；降压变压器变比为10 kV/720 V；正弦滤波器中L=0.005 mH，Qc=0.003 Kvar；隔离变压器变比为660 V/460 V；PWM发生器载波频率2400 Hz，控制器中PI调节器的比例、微分参数分别为Kp=0.4、Ki=500；锁相环频率设置为60 Hz。

图4 岸基船用供电系统仿真图

3.2 正常工况分析

图5 隔离变压器一次侧线电压

图6 隔离变压器一次侧线电压局部放大图

靠港船舶正常用电情况下，输出环节数据曲线如图5-9所示。 从图5中可以看出隔离变压器一次侧线电压曲线在0.01 s内经过一个过电压之后便可达到稳定运行状态，峰值为660 V。

从图 7中可以看出负载端三相电压曲线在0.01 s内经过一个不稳定期之后便可进入稳定平衡电压状态，峰值为450 V。从图9所示的频率波动曲线中可以看出，0.02 s内频率波动误差为0.25 Hz，之后频率基本维持在60 Hz左右。

图7 负载端三相电压波形

图8 负载端三相电压波形局部放大图

3.3 故障状态分析

当遭遇恶劣天气时，靠港船舶很容易因为甲板上浪导致突发性短路故障，仿真程序中利用故障模块模拟靠港船舶单相接地故障，由于船舶岸电系统采用分布式IT接地方式，故船体负载处于悬浮状态[2]。设置0.05 s时发生A相接地故障，0.1 s时自动解除。仿真结果如图10-11所示，不难可以看出，故障相A的电压降到零，非故障相的电压升高为线电压，且线电压图形依然保持对称且大小不变，实际中应根据故障信号人为排查解除故障，以免造成更大的危害。

图9 逆变频率图

图10 故障状态三相相电压

4 结束语

本文在采用三相三绕组变压器二次侧串联二极管桥式整流电路的拓扑结构上，和逆变器脉冲控制方法上有所新意，并在 MATLAB/Simulink中有效的模拟了上海港外高桥二期集装箱码头岸电尝试的例子，无论在稳定运行状态还是故障情况下，仿真结果真实有效，能反映实际情况，可供港航业相关技术人员参考使用。

图11 故障状态三相线电压

[1]崔杰. 低压船舶岸电供电电源的研制[D]. 秦皇岛：燕山大学硕士学位论文, 2015:2.

[2]毕大强, 郜克存, 戴瑜兴. 船舶岸电技术[M]. 北京:科学出版社, 2015: 4-6, 189.

[3]包起帆. 上海港岸基船用供电系统研究与实践[J].中国工程科学, 2011, (09): 63-68.

Research on Shore Power Supply System and its Power Conversion in Port

Shao Mingjie, Shi Weifeng
(Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

According to the development trend of ship-to-shore power supply and a large number of low-voltage ships, a portable land-based marine VVVF power supply system is firstly designed in this paper for ship-to-shore during normal operation and daily use of electricity, and then its digital simulation model is set up by MATLAB/Simulink. Finally, the normal working condition and single-phase short circuit fault simulation are carried out by using the data in the case of the onshore Power Supply in Shanghai Port Waigaoqiao Terminal. The simulation results show that the output voltage and frequency under normal condition is stable and reliable, the output line voltage is waveform unchanged under fault conditions, and the load can run in short time.

ship-to-shore power; portable; VVVF; simulation

TM43

A

1003-4862（2017）10-0064-04

2017-07-18

邵明杰(1991-)，男，硕士生。研究方向：船舶/港口系统的建模与控制。E-mail：mjshaomj@163.com