无功补偿在船舶岸电系统中的应用探讨

林洋 徐永锋

摘 要：对上海港黄浦江部分码头及船舶岸电设备安装及使用进行调研，发现多数码头的岸电设备基本处于闲置状态，其中岸电的经济性较差是船方不愿选择使用岸电的主要原因之一；然后，介绍了船舶岸电系统及无功补偿的原理，并针对岸电经济性较差的问题，提出了一种通过提高功率因数来提高岸电使用经济性的无功补偿方式，并论证了其可行性和必要性。

关键词：船舶岸电；无功补偿；功率因数；经济性

0 背 景

船舶靠港使用岸电是减少靠泊期间大气污染物和二氧化碳排放的最有效措施之一，是促进水运行业减污降碳、绿色转型发展的重要抓手。自从2017年5月23日开始，我国陆续出台了如《港口和船舶岸电管理办法》《船舶及其有关作业活动污染海洋环境防治管理规定》等8部相关法律法规，规定码头、船舶应安装岸电设施，在2023年3月1日出台的《上海市船舶污染防治条例》也规定了船舶不按规定使用岸电的处罚措施。

为了了解码头岸电使用情况，以上海港黄浦江下游码头为代表，对靠泊船舶及码头进行了走访调研，其中，码头方面已按照交通运输部发布的《港口岸电布局方案》的规定安装了岸电设备，并按规定要求实现了码头50%集装箱泊位具备向船舶供应岸电能力的目标。

同时，靠泊具有岸电供应的泊位的船舶在2023年初也基本都安装了船载岸电设备。

但在实际调研过程中发现，岸电装置都处于闲置状态，大部分船舶只有在安装船载岸电设备调试时使用过一次岸电。询问船方不使用岸电的原因，主要包括岸电的经济性较差、船载岸电设备与岸基设备不匹配、连接岸电时对船载设备造成冲击、岸电设备容量不足等，其中岸电的经济性差是船方不使用岸电的主要原因之一。

进一步了解发现，船舶在靠泊使用岸电过程中的功率因数为0.7～0.85之间，较小的功率因数是导致岸电使用经济性较差的主要原因之一。同时，较小的功率因数也使通过提高功率因数来提高岸电经济性存在很大的必要性和可行性。

1 船舶岸电系统介绍

船舶岸电系统系指港口向靠泊其码头的船舶供电的设备，按供电电压不同可分为交流低压岸电系统和交流高压岸电系统[1]。

交流低压岸电系统：系指港口向船舶配电系统供电的电源（即岸电）额定电压（相间电压）为 1 kV 及以下的船舶岸电系统。

交流高压岸电系统：系指港口向船舶配电系统供电的电源（即岸电）额定电压（相间电压）为 1 kV 以上且 15 kV 及以下的船舶岸电系统。

本辖区内安装的为交流低压岸电系统，其系统参数如图1所示。

船舶岸电系统包括船载装置和岸基装置。

船载装置：系指安装在船舶上，用于连接岸电的设备。对于交流高压岸电系统，一般包括插头/插座、岸电连接配电柜（板）、变压器、岸电接入控制屏、岸电电缆和电缆管理系统[2]；

岸基装置：系指安装在港口，用于向船舶提供岸电的设备。典型的船舶岸电系统如图2所示。

2 无功补偿原理分析

2.1 功率因数及其影响

功率因数（PF）是有功功率（Real power）与视在功率（Apparent power）的比值，即PF=P/S=cosφ，如图3所示。功率因数是衡量供配电系统是否经济并可靠运行的一个重要指标。

配电系统输出的功率包括两部分[2]：有功功率P和无功功率Q。配电系统输出的一部分电能转变为机械能、化学能或热能，这部分做功的功率称为有功功率P；而另一部分电能并不直接参与做功，而是仅用于感性或容性负载设备建立交变电磁场，这部分功率称为无功功率Q。无功功率又分为感性无功功率和容性无功功率，当电网中感性负载为主时，电网的电流滞后于电压，电网表现为感性无功功率；当电网中容性负载为主时，电网的电流超前于电压，电网表现为容性无功功率；当电网中感性负载与容性负载相互抵消时，电网的电压与电流的相位相同，此时PF=cosφ=1，P=Scosφ=S，此时相当于纯电阻性负载，输出功率全部参与做功。

图3 功率三角形矢量图

与家用电网不同，船上的许多用电设备（如风机、空压机、变压器等）都是感性负载，此时电流相对于电压滞后一个角度φ。如图3所示，当有功功率一定的情况下，功率因数越小，無功功率就越大，供电系统的视在功率也就越大。由于船舶感性负载的存在，岸电系统的供电功率因数，一般功率因数为0.7～0.85之间，较小的功率因数会使电网产生大量的无功功率，从而导致电网损耗增加，加重电网负荷。具体主要体现在以下三方面：

（1）电压降，电流的无功部分会引起不必要的电压降，从而影响负载的正常运行。

（2）过电流，视在功率随着功率因数的增大而减小。如图4所示，同样产生100 kW的有功功率，当功率因数PF=0.7时，需要视在功率S=142 kVA，而当功率因数PF=0.95时，只需要视在功率S=105 kVA。即电网的电流在PF=0.7时要比在PF=0.95时，增加35%的电流来输出同样的有功功率。

图4 S示意图

（3）经济性下降，船方使用岸电的费用是按照岸基设备的输出功率，即如图4所示的视在功率S（kVA）计算的，所以在0.7的功率因数下，意味着船方要多付35%的电费。

综上所述，较小的功率因数会增加电网负荷，从而使电网损耗上升，系统线电压降低。为满足用电需求，较小的功率因数就要求更大的供电线路和变压器容量，这样对供配电系统是不利的。因此，国家管理部门规定，用电用户应装设无功补偿设备，提高功率因数至行业标准并防止逆功率。在行业标准中，要求高压系统的功率因数PF≥ 0.90，低压系统的功率因数PF≥ 0.85，功率因数是衡量供配电系统可靠性和经济性的一个重要指标[4]。

2.2 无功补偿

无功补偿（PFC），就是在电网中连接一定数量的电容器来抵消感性负载产生的无功功率，从而提高电网的功率因数，降低供电变压器及输送线路的损耗，提高供电效率，改善供电环境的技术，降低用电成本。所以无功功率补偿装置在电力供电系统中的作用至关重要。合理的选择补偿装置，可以做到最大限度的减少电网的损耗，优化电网供电环境。

3 无功补偿的可行性和必要性分析

本章主要在节约运营成本、增加系统容量和减少损耗3个方面论证无功补偿在岸电系统应用的可行性和必要性。

3.1 节约运营成本

岸电电费是以视在功率S（kVA）的形式计算的，当船舶所需的有功功率P（kW）一定时，功率因数PF越大，所需的视在功率S（kVA）就越小，电费就越少。通过如下案例论证无功补偿在运营成本节约方面的可行性。

图5 Qc示意图

假定船舶需要三相电的要求为480 V、容量460 kVA，其中电费38￥/ kVA，功率因数PF=0.87，如果将功率因数PF从0.87提升到0.97，需要增加的多大的电容，节约多少运营成本，需要多长时间能收回无功补偿设备的投资。

船舶有功功率P（kW）的需求：

P=S×PF=460 kVA×0.87 =400 kW

当PF=0.97

S=P/PF=400/0.97=412 kVA

将系统的功率因数从0.87提高到0.97，需要的安装电容器的额定值QC：

QC=P（tanφ-tanφ1） =400（tancos-10.87-tancos-10.97）=126.8 kVAR

由于实际电容器组以20 kVAR为单位，所以应选用480 V、140 kVAR的电容器组，其成本为12 800￥[5]。

修正前的费用：460 kVA×38￥=17 480￥/month

修正后的费用：412 kVA×38￥=15 656￥/month

收回成本时间：12 800￥/（17 480-15 656）￥/month=7.07month

该电容器的投资成本在不到8个月的时间内就能收回。

3.2 增加系统容量

在调研过程中，岸电容量不足也是限制岸电使用的主要原因之一。无功补偿可以在不额外增加视在功率S（kVA）的情况下，提高系统有功功率P（kW）的输出，从而增加系统容量。

图6 PF示意图

假定岸电系统容量为480 kVA，功率因数PF=0.75，有功功率P=360 KW，如果将输出功率增加25%，即输出功率增加至P=450 kW。

在PF不变的情况下，需要岸电系统的容量增加至：

S=P/PF=450 kW/0.75=600 kVA

在不增加系统容量的情况下，也可以通过无功补偿把功率因数PF从0.75提高至0.95来实现有功功率P增加25%的目标，具体如图7所示。其所需安装电容器的额定值为：

QC=450（tancos-10.75） - tancos-10.95）=450（tan41.4 - tan18.2）=248.8 kVA

由于实际电容器组以20 kVAR为单位，所以应选用260 kVA的電容器，费用为22 400￥[5]。

3.3 减少损失

通常，线路损耗约占总负载功率的3%～7%，如果负载功耗较高，那么减少线路损耗就是系统在设计时必须要考虑的问题。无功补偿正是减少线路损耗的主要方式之一，所以无功补偿不仅可以通过减少线路损耗来节省运营成本，还可以通过减少线路电流来提高系统运行安全性和延长系统使用寿命。由于线路电流的减小，单位损耗（I2R）减小为：

PUloss reduction=（PFold/PFnew）2

假定1 000 kW的负载每周运行60 h，供电电压为415 V，供电线路损耗为7%。负载PF=0.75，电费为0.80￥/kWh。将PF提高到0.95的成本效益是多少。

单位损耗（I2R） 为：

PUloss reduction=（0.75/0.95）2=62.3%

无功补偿之后的单位损耗为PUloss reduction×7%=4.36%

PF=0.75时损耗为：0.07×1 000 kW×60h=4 200 kWh

损耗费用为4 200 kWh×0.80￥/kWh=3 360￥/week

PF=0.95时损耗为0.0436 ×1 000 kW×60h = 2 618 kWh

损耗费用为：2 618 kWh×0.80￥/kWh = 2 094.4￥/week

每周节约的费用：3 360￥/week-2 094.4￥/week=1 265.6￥/week

将功率因数PF=0.75提高至PF=0.95，所需的电容额定值QC为：

QC=1 000kW（tancos-10.75） - tancos-10.95）=553 kVAR

由于实际电容器组以20kVAR为单位，所以应选用560 kVA的电容器，费用为88 480￥[5]。

收回收益的时间为88 480￥/1 265.6￥/week=16.1months

综上所述，由于船舶使用岸电过程中功率因素较小，通常在0.7～0.85之间，所以通过无功补偿校正功率因数在上述节约运营成本、增加系统容量和减少损耗三个方面有明显改善，前期投入的电容器安装成本也会在较短的时间内收回，这也证明了无功补偿在岸电系统中应用的可行性。另外，无功补偿也能解决岸电系统容量不足的问题，提高系统安全性和使用寿命，这也是岸电系统建造前所必须要考虑的问题。

4 无功补偿的方式

1）无功补偿方式[6]分为：

（1）集中补偿：在港口配电系统与港口配电柜之并联电容器组，能对港口所有岸基设备进行无功补偿。

（2）分组补偿：在港口配电柜与泊位配电柜之间并联电容器组，能对泊位所有岸基设备进行无功补偿；

（3）就地补偿：在泊位配电柜与每条船的主配电板之间并联电容器，只对本船舶进行无功补偿。

在岸电系统中通常采用前两种方式：集中补偿和分组补偿，具体如图8所示。

图9 电容器组 图10 无功发生器

2）无功补偿控制方式：

（1）固定方式补偿，通过连接固定值的电容器组（见图9）实现无功补偿。

（2）自动方式补偿，安装不同固定值的电容器组，可以根据实际负载的无功功率调整电容器额定值实现无功补偿。

（3）动态方式补偿，具有动态补偿功能，可用于补偿高度波动的负载。

集中动态补偿能按照负载的无功功率实时动态的进行补偿，对岸电电网和船舶负载具有动态适应性，是现阶段最优的解决方案。

现阶段主要的用于无功补偿的设备为：

（4）电容器组[7]，通过对电路中电容组进行投切的方式实现无功补偿，可实现静态和动态补偿。

（5）无功发生器[8]（见图10），利用PWM整流控制技术，通过对电网的电压和电流实时采样和高性能DSP计算出电网的无功功率，实现无功功率的补偿。

5 结束语

我国之所以积极倡导船舶使用岸电，其主要目的就是促进水运行业减污降碳、绿色转型。但是，由于现阶段岸电因功率因数较低、损耗较大等原因，使岸电使用的经济性较差，使用成本甚至高于使用船用发电机的成本，这种情况下，使用岸电并没有真正的起到减污降碳的作用。所以，我们应该借鉴国内外各行业先进的节能降碳排技术，如无功补偿、利用储能电池进行避峰调谷用电管理等，提高使用岸电的经济性，使其真正的起到减污降碳的作用。

参考文献

[1] 船舶与海上设施法定检验规则.2020[S].26-27.

[2] 王星昱.交流高压岸电系统的安全与保护装置设计[J].船舶与海洋工程.2014.

[3] 王玉华.供配电技术[M].北京：北京大学出版社，2012：86.

[4] 李尚，陈华.无功补偿电路浅析与维护[J]. 西部广播电视.2021.

[5] E. Csanyi， Reactive power and PF correction@

https：//electrical-engineering-portal.com/，EEP，2019.

[6] 柯国盛. 低压无功动态补偿装置CN203674724U[P].2014.

[7] 仲军.自动化系统中的无功补偿技术应用[J].集成电路应用， 2023， 40（02）： 315-317.

[8] 扬州市揽坤电气有限公司.一种具备逆功率补偿功能的无功补偿柜CN202111618327.1[P].INVENTION_PUBLICATION.2021.

作者簡介：

林洋，硕士研究生，船旗国监督检查员，（E-mail）17086261166@163.com，17086261166

徐永锋，本科，港口国监督检查员