船用岸电系统的电压调节方法

张伟，彭杰，蔡洪波

（ 上海华润大东船务工程有限公司，上海 202155 ）

0 引言

近年来，随着节能减排、绿色环保等要求的不断提高，国际上许多港口管理部门采取措施减少船舶废气排放，控制港口污染，实施靠港船舶使用岸电，就是其中重要的一项。[1]我国也已出台相关的强制措施，要求船舶停靠港口、码头期间使用岸电，减少污染排放。船舶使用岸电时，受电设备（船舶）与供电设备间隔较远，岸电系统输出电压上船时存在较大压降，船舶实际受电电压与理想输入值存在差距。解决长距离电输送产生的压降问题是岸电供电系统中重要的环节之一。

1 概述

岸电供电系统普遍采用以变频电源为核心的供电方式。变频电源输出稳定性是系统基本指标，确保输出电参数实际值等于或无限接近于设定值，避免系统偏离预定目标是岸电供给的重中之重。

通过闭环控制系统对输出电参数进行控制，变频系统对反馈参数与输入参数进行比较，其结果施加于输出端，进行输出矫正。[2]常规的输出电参数采样点安装在岸电变频电源的输出端，只能保证系统输出柜的输出电参数与设定值一致。当受电设备远离变频电源时，因供电距离过长而产生较大压降，影响船舶的正常使用。将电压反馈闭环控制的采样点放置在码头接电箱处，可以扩大电压闭环控制范围，解决岸电供电线路过长带来的压降问题。

2 现有技术

岸电变频电源输出电压调节由内部闭环负反馈系统完成，分为信息采集、信息传输、信息处理、控制调节等四部分。[3]常规变频电源电压调节示意图如图1 所示。

图1 常规岸电变频电源电压调节示意图

常规岸电变频电源将电压调节放在滤波输出后端，在系统正常运行情况下，此电压调节系统能够确保滤波后端、输出前端的电压值与设定值一致。

电压调节系统具体工作原理：采集输出电压信息送至变频系统主控CPU，处理后与设定值比较，通过比较结果下达控制调节指令。循环往复，不断进行采集、比较、调节，促使实际输出值与设定值保持一致，变频电源系统运行在安全可靠的范围内。

常规电压调节系统仅保证输出前端的电压与设定值稳定一致，对输出后端至船舶线路的电压无调节功能。受电设备（船舶）耗电功率较小或输出后端至船舶段线路较短的情况下，此方案可保证系统符合要求。

在实际操作中，受到码头操作空间限制，变频电源设备通常远离船舶泊位，输出至船舶段线路延长。远距离传输接入大负载时产生较大损耗，致使负载端受电电压产生较大压降，船舶接收电压小于设定电压，无法达到正常使用要求。

使用岸电时，船舶装机容量与电压等级恒定，插座箱输出的电能容量与电压等级应满足船舶最大负载需求。

线路损耗由线路电流与电阻决定，提高送电电压可以满足减小输送电流的同时保证送电容量符合要求。但是，提高岸电供电的电压等级对供电设备的耐压能力以及安全性提出了更高的要求，船舶受电侧的接电设备也应进行相应调整。插座箱后输出的电压需要与船舶匹配，如采用高压输送电方案应安装降压变压器，使高压电转换为供船舶使用的电压等级。大容量变压器价格高、体积大，从成本和设置等环节考虑并非最佳方案。目前，低压岸电为船舶提供电力供应较为普遍。

电缆电阻由导体电阻率、导体长度、导体横截面积决定。选用导体电阻率低的材料作为电缆导体，减少电缆长度，增加电缆横截面积等，都是改变电缆电阻的可用方法。

减少电缆长度并不现实，变频电源至插座箱的距离已固定，走线方式通常选择经济节约方式。使用电阻率低的导体和在原有基础上增加导线横截面积等方法不利于成本控制。

3 设计方案

设计一种新型岸电变频电源电压调节方案，示意图如图2 所示。

从图2 可以看到，岸电变频电源的一次主回路并未发生改变，更改的仅是电源系统中闭环采样控制环节。与常规方案最大的不同处在于新方案将采样点置于插座箱，使得插座箱输出电压与设定值一致，规避了滤波至插座箱这一段线路损耗带来的影响。新方案增加了对电流、功率、相位角的测量，丰富了电源的功能。

图2 新型岸电变频电源电压调节示意图

3.1 方案实现

对原有闭环采样系统进行优化，设计了多种新型电器元件，为自动化电压调节系统的稳定高效运行提供帮助。自动电压调节系统装置示意图如图3 所示：

图3 自动电压调节系统装置示意图

自动电压调节系统分为四大部分：信息采集：非晶PT（电压互感器）、非晶BC（霍尔电流传感器）；信息处理：采样VT；信息传输：光纤电缆；信息比较：指令下达、主控CPU。

系统主要采集三相电压与电流信息。通过电压与电流计算功率与相位角，电压参与控制，电流、功率、相位角起到显示和保护作用。三相输出电压低于1 500 VAC 可通过采样板VT直接采集，高于1 500 VAC 可通过电压互感器变换电压后再由采样板VT 采集。三相电流通过霍尔电流传感器采集，传送至采样板VT 中处理。电压互感器与霍尔电流传感器均采用非晶合金材料制作，与传统硅钢片材料相比，具有精度高、体积小、发热小等优点。

将采集信息送至远端主控CPU 时，因距离较远，常规方式传送易受干扰而衰减，故设计采用光纤电缆进行传输。光纤电缆传输灵敏度高，不受电磁噪声之干扰，具有体积小、重量轻、寿命长、价格低等特点。

采集电压互感器与霍尔传感器电信号时，应在插座箱处安装用于信号转换的PCB 电路板。采样板VT 外观如图4 所示。

图4 采样板外观图

光纤电缆将采样板处理之后的信息传送至位于变频电源处的主控CPU。主控CPU 接收信息，将末端输出参数与设定值进行比对，根据结果下达调节指令至逆变器，促使输出电压与设定值保持一致。变频电源主控CPU 如图5所示。

图5 主控CPU

3.2 方案特点

改进的方案与常规方案从根本原理而言并无太大差异，均为测量采样点实际接收电压后将信息反馈至变频电源，由主控CPU 调节控制。区别在于采样点的选择不同。改进方案的优点如下：

1）独立设计采样单元，具有高精度特性与拓展功能；

2）光纤通信高效、稳定、抗干扰；

3）自动处理数据，精准下达命令，根据船舶侧的末端电压进行实时调节；

4）控制算法优化，扩大电压闭环控制范围，有效解决压降问题；

5）改造成本低，在已有的岸电变频电源设备基础上增加采样元件、光纤通讯元件即可满足使用需求。

4 结语

岸电变频电源系统是变频电源主要运用方向之一，随着靠港船舶排放控制要求的日益严格，船舶靠泊期间对于岸电的使用需求激增，促使岸电变频电源设备的需求不断增长。新型船用岸电电压调节方法旨在以经济、高效的方式解决岸电供应线路过长而产生的压降问题，使岸电变频电源能够在安全可靠运行的前提下为受电设备服务。设计的调节方法高效、快速、精准，且成本较低，适用于船舶岸电技术应用领域，提高岸电系统供电质量。