大型集装箱船中压岸电系统应用研究

郑恒持，王孙清，张 炜，招 聪

大型集装箱船中压岸电系统应用研究

郑恒持，王孙清，张 炜，招 聪

（中国船舶科学研究中心，江苏无锡 214000）

中压岸电系统的应用在我国仍然处于起步阶段。为推动我国船舶岸电系统（简称AMP系统）的发展，对中压AMP系统进行了深入研究。通过对中压AMP系统的结构以及快速连接、无缝切换、变频稳压三项关键技术介绍，建立了理论基础。以CO2为例对AMP系统进行环境效益分析，验证了其发展的必要性。

AMP系统 快速连接 无缝切换 变频稳压

0 引言

作为最主要的海上运输工具，大型商船主要靠柴油机和柴油发电机来提供动力，而集装箱船几乎是同等情况下耗油量最大的船舶。柴油、劣质燃油燃烧产生大量的NOX、SOX、CO2和固体颗粒物，直接排放到大气中严重污染了空气并且会破坏臭氧层。船舶5%的燃油消耗是在港口，所以港口经常处于严重污染状况下。目前，解决港口的环境污染问题越来越受到各国的重视，美国率先提出：凡是新建码头，船舶靠港期间均要停止使用船用柴油发电机改用岸电电源供电，以此来降低环境污染[1]。

1 中压AMP系统的组成

中压AMP系统船端主要包括：电缆绞车、电缆、电缆快速连接接头、中压岸电连接屏、中压岸电接收屏、中压岸电控制屏、中压岸电供电屏等。AMP系统岸端主要包括：电站、高压大功率电力电子变换器、电缆、插座等[2]。AMP系统结构如图1所示。

两台电缆绞车分别位于船艉左右两舷电缆绞车室内，由电缆卷筒、液压驱动系统、电动机、电缆绞车控制屏等组成。通过调节装置可以使电缆始终保持恒张力，这样即使港口发生潮汐变化或是在装卸货物时船舶吃水发生变化都不会影响供电。

AMP系统的电缆是特制的，每根电缆包括动力缆芯（Power Cable）、接地缆芯(Earthing Cable)、引导缆芯(Pilot Cable)、通信缆芯(Optical Fibres)。电缆型号选取要根据岸电的电力容量，计算出正常的工作电流来选择合适的动力电缆截面积[3]。本船所需的电力容量是6600 kW（电压为6.6 kV），电流为1000 A，选用电缆的截面积是185 mm2，单根缠绕额定载流量为400 A，采用3根并联供电，电缆载流量为1200 A，满足要求。

图1 AMP系统结构示意图

电缆快速连接接头与岸上的接电插座必须能够在很短时间内实现紧固连接，确保岸电快速接入船舶。但是目前存在一个主要问题是各国的充电插口没有形成统一的标准，导致岸电系统不能实现标准化。DNV提出：到2020年不论是新建船舶还是现有船舶，港口与船舶之间的充电插口要标准化，要能够在任何一个港口实现船舶与岸电的连接[4]。

两个中压岸电接收屏在中压配电室接收岸电连接屏送来的岸电，并通过中压岸电供电屏供给电网。该屏设有数字显示继电器，实现岸电延时保护（过流保护、欠压保护、缺项保护）。同时设有数字式显示仪表（电流表、功率表、频率表、电压表、相序表）、选择开关、指示灯、真空断路器等。

中压AMP系统岸基需要设置高压大功率电力电子变换器。电力电子变换器稳定地将电压、频率转换成船上所需要的值，而且具有线路绝缘、消除谐波、校正功率因数等功能。

2 中压AMP系统关键技术

2.1 快速连接技术

船舶靠港后，如果使用岸电需要用电缆将码头上的岸电箱与船舶岸电连接屏连接。岸电和船舶的精确连接是AMP系统中的一个重要技术。为保证这一技术需要建立电缆管理系统。

AMP系统的电缆管理系统根据船舶的差异和港口的不同分成以下几类：

1）船载电缆管理系统

船载电缆管理系统是现在普遍应用的一种方式，把电缆管理系统安装在船的左右两舷，电缆和快速连接插头都在船上，通过绞缆车释放和回收电缆。这种方式几乎不会占用码头的空间，对那些空间不足的码头具有明显优势。当然这种方式必须对每艘要使用岸电的船舶进行改造，成本较高，并且会占用船舶空间。

2）岸装电缆管理系统

岸装电缆管理系统是把电缆管理系统装在码头上，船舶靠港后，岸上的电缆管理系统将电缆释放，通过人工或起重机将电缆拉至船上，与船舶的岸电连接屏连接。这种方式虽然不需要对每艘船进行改造，但是将会占用较大的码头空间，不利于码头装卸作业。

3）安装在驳船上的电缆管理系统

美国洛杉矶港口将电缆管理系统装在一个可以随时移动的驳船上。当船舶靠港需要使用岸电时，通过驳船将电缆一边连接到船舶上另一边连接到码头岸电电源上。这种独特的方式既不占用码头空间，也无需对船进行改造，只需要额外加一条驳船。

4）移动式电缆管理系统

移动式岸电管理系统比较灵活，可以自由地在码头上移动使用。当船舶需要连接岸电时，把它推到相应的位置；当船舶离港后，把电缆管理系统移开。这种方式一般不会占用码头的空间，比较适合空间较小的码头使用。并且可以在其上面安装二次变压设备，使得应用更为广泛。

岸电的连接比较耗时，根据实际情况选择合适的电缆管理系统有助于快速高效的使用岸电电源。

2.2 无缝切换技术

无缝切换技术也称为同步并车技术[5]，切换过程不断电，保证了设备的安全运行，对船舶上用电设备具有保护作用。无缝切换技术是未来岸电技术的发展趋势，将在AMP系统的推广中起到关键作用。

当船舶到达港口，可以使用所在地电网提供的60 Hz、6.6 kV岸电。起初岸基AMP主开关、船端岸电接收屏主开关都是打开的，船上左右舷的两个电缆绞车将柔性电缆通过快速接头连接到岸上连接箱插座上，并且闭合岸基电源主开关和船端岸电接收屏主开关，这样就可将岸电输送到船上；接着通过AMP控制屏的同步装置将岸电并入船舶电网（岸电和船舶发电机同时工作）；然后将负载从船舶发电机转移到岸基电源上、船舶发电机脱离电网、船舶柴油发电机停机，此时船舶完全由岸基供电。这样就完成了由船电到岸电的转换。

当船舶离港时，将使用船舶发电机供电。此时需要将岸电转换为船电，过程如下：空载启动船舶发电机、船舶发电机并入电网（岸电和船舶发电机同时工作）、负载转移到发电机、船端和岸端AMP主开关断开、断开快速接头收回电缆。

2.3 大功率电力电子变频稳压技术

实现大功率电力电子变频稳压技术的核心设备就是高压静止频率变换器，它直接影响着岸电电源的品质。高压静止频率变换器的变频驱动电路主要由整流电路（交流变直流的电路）、中间电路（控制直流电压的电路）、逆变电路（直流变交流电路）以及变频控制电路等组成。通过脉宽调制技术（PWM）将某种频率和电压等级的高压交流电转变为另一种频率和电压等级的交流电。

高压大功率静止频率变换器主要是由逆变器和整流器两部分组成的，功率逆变器主要拓扑有三种：功率器件（IGBT）串联均压二电平结构（DCC）、飞跨电容多电平变换电路（FC）以及级联H桥多电平变换电路（CHB）[6]。

1）功率器件（IGBT）串联均压二电平结构(DCC)

功率器件（IGBT）串联高压静止频率变换器主电路如图2。从图中可以看出高压交流电通过高压断路器进入高压静止频率变换器。交流电首先经过整流电路，通过二极管全桥整流完成交流到直流的变换，再通过中间电路的直流平波电抗器进行电容滤波，接着通过逆变电路把直流电重新逆变成交流电，最终将输出的交流电经过正弦滤波器滤波得到正弦交流电。

二电平结构由于串联带来了均压问题，特别是在输出有功功率时，无法保证每级直流母线电容的冲放电时间一致，使得电容电压不稳定，电路工作不正常。于是在此基础上演化出三电平中性点钳位变换结构(3L-NPC)。三电平结构每个元器件承受的反相电压是母线电压的一半，且结构简单，成本较低，是未来发展的趋势。

2）飞跨电容多电平变换电路（FC）

飞跨电容多电平变换电路的单相桥臂电路结构如图3所示。这种结构中采用飞跨电容取代了钳位二极管，工作原理与串联均压二电平电路相似。此结构有利于模块化设计，且当输入电压发生短暂变化时对输出的影响较小[7]。该拓扑结构节省了大量的钳位二极管，但是同时也引入不少飞跨电容，由于电容成本高、寿命短、体积大、可靠性低，使得飞跨电容多电平变换电路推广受到了影响。

图2 功率器件串联高压静止频率变换器主电路

图3 飞跨电容多电平变换电路的单相桥臂电路图

3）级联H桥多电平变换电路（CHB）

图4 级联H桥多电平变换电路的单相桥臂电路

级联H桥多电平变换电路的单相桥臂电路结构如图4所示。级联H桥多电平变换电路既不需要大量的钳位二极管也不需要大量的飞跨电容，但是它需要独立电源为每个级联单元供电[8]。这种结构不存在均压问题，有利于形成模块化，同等级数所需要的元器件数量最少，适合应用于高电压、大功率结构。但是为每个级联单元提供一个独立电源、移相变压器，无疑增加了成本。

3 AMP系统的环境效益分析

使用岸电最主要的原因之一是为了保护环境，为绿色航运的实现作出努力。那么岸电的使用究竟能产生多大的环境效益？下面将以温室气体CO2为例对岸电的环境效益进行分析。

为了方便比较，将船舶柴油发电机和岸上火力电厂所需要的燃料都转化为标准煤进行计算[9]。我国规定每千克标准煤的热值为7000千卡（7000 kcal/kg），即29.400 kJ/kg。船用重油HFO的基准低热值为42000 kJ/kg，船用轻柴油MDO的基准低热值为427000 kJ/kg，按热值计算得到如下（1）、（2）的换算关系：

单船靠泊期间的燃油消耗量由式（3）可得：

G为燃油消耗量(g)，P为每艘船靠泊期间平均用电负载（kW），T为单船靠泊时间(h)，g为船舶发电机燃油消耗率(g/kWh)，为有效效率。

一般船舶四冲程增压柴油机额定工况的有效油耗率为160~230 g/kWh[10]，靠泊期间柴油发电机低负荷运行，运行工况明显变差，设定此时的油耗率为230 g/kWh，船舶同步发电机的效率通常为85%~95%，本文取90%计算。由式（1）、（2）、（3）可得发电柴油机使用HFO和MDO转换为标准煤的供电耗能：

电力的热值一般有两种计算方法：一种是按理论热值计算，另一种是按火力发电煤耗计算。两种方法用途不同。理论热值是按每度电本身的热功当量860大卡即122.9克标准煤计算的。火力发电煤耗每年各不相同，为便于对比，以国家统计局每万度电折0.404千克标准煤，作为电力折算标准煤系数。为了方便，本文采用理论热值的计算方法，计算船舶使用岸电比船用柴油发电机燃用重油和轻柴油CO2减排：

根据计算不难看出，不论使用重油还是轻柴油，靠港后使用岸电可以减少至少66%的CO2气体排放，大大减小了温室气体的排放。而且石油制品燃烧还会产生大量的NOX、SOX、固体颗粒，NOX造成光化学污染，SOX形成酸雨，固体颗粒会增加雾霾程度。所以船舶靠港使用岸电可以很大程度上减少有害物的排放，环境效益是相当可观的。而且陆上电厂不受狭小空间和工作环境的限制，极易实现风力发电、水力发电、太阳能发电、核能发电，这样减排效果会更好。

4 结论

在环境问题成为世界主题的未来，AMP系统推广是必然的。然而，国内外一直没有制定统一的岸电标准，岸电受用电高峰影响会出现不稳定现象，AMP系统建造及改造的巨大花费等问题使得岸电推广受到阻碍。我国对岸电系统的关键技术掌握不够成熟，与发达国家还有很大差距。因此，我国更要克服阻碍加快岸电技术研究，为绿色航运做出贡献。

[1] 徐筱云, 刘维里. 中压岸电AMP系统的安全操作及管理[J]. 航海技术, 2011, (6): 54-57.

[2] 李学强. AMP系统在绿色航运中的应用[J]. 航海技术，2009, （4）：47-48.

[3] 杨海建. 船舶岸电系统简介[J]. 江苏船舶, 2011, （4）: 23-26.

[4] DNV. Technology Outlook 2020. 2011.

[5] 孙永涛. 靠港船舶供岸电电源技术及自动并车系统研究[D]. 武汉: 武汉理工大学, 2012.

[6] 郑晟. 中高压电力电子变换中的功率单元及功率器件的级联关键技术研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2013.

[7] Rodriguez J, Bernet S, Wu B, et al. Multilevel voltage-source-converter topologies for industrial medium-voltage drives[J]. Industrial Electronics, IEEE Transactions on, 2007, 54(6): 2930-2945.

[8] Bose B k. Power electronics and motor drives recent progress and perspective[J]. Industrial Electronics, IEEE Transactions on, 2009, 56(2): 581-588.

[9] 贾石岩. 船舶使用岸电对温室气体排放的控制研究[D]. 大连: 大连海事大学，2009.

[10] 李斌. 船舶柴油机[M]. 大连: 大连海事大学出版社, 2013.

Research on Application of MV AMP System for Large Container Ship

Zheng Hengchi, Wang Sunqing, Zhang Wei, Zhao Cong

(China Ship Science Research Center, Wuxi 214000, Jiangsu, China)

The application of medium voltage alternative maritime power (AMP) system inChina is still in its infancy. In order to promote the development of AMP system, the medium voltage AMP system is studied. The structure characteristics of the medium voltage AMP system and its three key technologies of fast connection, seamless switching and variable frequency stabilization is expounded, and theoretical basis is established. Taking CO as the example, the environmental benefit of AMP system is analyzed, and the necessity of its development is verified.

U665.12

A

1003-4862（2019）10-0042-04

2019-03-07

郑恒持（1990-），男，硕士生。研究方向：船舶电站自动化、系统建模与仿真。E-mail: hengchi_zheng@foxmail.com