浅析岸电技术的应用及管理

姜玉林

2020年9月22日，习近平总书记在联合国大会一般性辩论会上向世界作出庄严承诺，努力争取2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和。为了保护人类的共同家园，我国将完成全球最高碳排放强度降幅，用全球历史上最短时间实现从碳达峰到碳中和。《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》和《2030年前碳达峰行动方案》相继发布，为实现“双碳”目标作出顶层设计，明确了碳达峰碳中和的工作时间表、路线图和施工图。

为实现“双碳”目标，交通运输部积极响应并落实各项措施，实施交通运输绿色低碳行动。其中，岸电技术是推动港口、船舶航运业绿色低碳转型的一项创新技术，体现了“坚持生态优先，顺应绿色之变”可持续发展的理念；岸电技术有利于推动经济结构绿色转型，加快形成绿色生产方式和助推高质量发展。

1 岸电技术应用的意义

在港口码头安装岸电设施，是将船舶停靠时所需用电引入岸电供电，以替代原来船舶使用的柴油发电机组。岸电技术通过高压电缆、变电站和配电装置等设施，将电能供给码头，使停靠港口码头的船舶可随时接入岸电进行供电。

岸电技术与传统供电方式比较见表1。

港口岸电技术用清洁的电能替代传统的燃油发电，船舶靠港后关闭辅机，转由码头岸电电源向船舶输送电力，解决了噪音和CO₂等物的排放环境污染问题。岸电技术应用集港口、船舶制造、电力和海洋工程等领域的技术，提高船舶能源效率，减少对空气和水资源环境污染；而建设、改造、使用港口岸电设施作为一种可持续发展的解决方案，具有重要意义：

1）有利于减少船舶燃油消耗和废气排放。船舶在靠泊期间可以使用岸电电源供电，不再依赖船上的柴油发电机供电，通过使用清洁低碳的岸电能源，船舶燃油消耗和废气排放量将显著降低，保护生态环境改善空气质量。

2）有利于提高船舶营运效率、降低营运成本，获得可观的经济效益。岸电与使用船舶发电机产生的电能比较，稳定性好，减少了电力转换损耗，提高了能源利用效率。另外，岸电可以提供更大的电力容量，满足现代船舶日益增长的电能需求。

3）有利于实现“双碳”和可持续发展的目标。全球航海运输业拥有庞大的船舶规模和较快的年增长速度。因此通过建设、改造、使用港口岸电设施，可以将环保理念渗透到整个航运产业链中，推动整个行业向着更加清洁低碳的发展方向迈进。

4）有利于改善船舶轮机部的工作环境。船舶靠泊接用岸电，可减少船舶发电机组的振动和噪声，改善了轮机人员维修保养机舱设备时的工作环境。

2 船舶岸电系统的组成及分类

船舶岸电系统主要由岸上电源部分、岸船连接部分和船舶受电部分组成，其基本结构如图1所示。

岸上电源部分将变电站的电力根据船舶受电系统要求进行电压等级和频率变换后，输送到港口泊位的连接点或岸电箱。根据岸上电源系统输出电压等级的不同分为高压岸电和低压岸电。高压岸电是指岸上电源输出6.6 kV、11 kV或者更高的岸电电压，适用于对电负荷要求较大的大型船舶；低压岸电是指岸上电源输出440 V、400 V或者更低的岸电电压，适用于对电负荷要求较小的船舶。

岸船连接部分是指连接岸上接电箱和船上受电装置的电缆和设备的统称，安装在岸基或船上。一般设置有电缆管理系统，便于电缆的快速连接和储存。

船舶受电部分是指对船舶配电系统进行改造，安装岸电受电装置，一般可包括电缆绞车、船用变压器、控制设备和并车装置等，必要时还可安装船用变频器。

2.1 岸电依服务对象的分类

（1）港口码头供船舶使用岸电：用岸基电源替代船上的柴油机发电，并直接对邮船、货船、集装箱船、维修船舶等供电，以减少船舶在港口停泊期间的污染排放。

（2）海上油田平台装备生产使用岸電：岸电的输电方式主要有两种：即高压交流输电（HVAC）和韧性直流输电（HVDC-light）。当传输距离在50 km～70 km时，高压交流输电成本占优，而当传输距离在150 km以上时，韧性直流输电成本偏优。因此，高压交流输电用于近海，韧性直流输电用于离岸较远的平台。

2.2 岸电依岸上电源系统输出电压等级的分类

（1）高压岸电系统：是指港口向船舶配电系统供电的电源额定电压为1～15 kV的船舶岸电系统。对于辅机功率大，负荷高的大型船舶，如邮船、货船、集装箱船等，一般只有高压岸电系统才能满足其用电需求。

（2）低压岸电系统：是指港口向船舶配电系统供电的电源额定电压为1 kV及其以下的船舶岸电系统。主要运用的场合是中小型码头以及用电量较小，发电机功率800 kW以下的靠泊船舶。

（3）低压小容量岸电系统：主要适合内河、湖泊中的船舶使用，其供电容量一般在100 kVA以下，岸基装置较为简单，一般是以低压岸电桩为主，基本可以满足小内河船舶的需求，主要提供生活用电。

3 岸电应用的关键技术

3.1 电源装置的变压、变频技术

我国电网供电采用50 HZ的交流电，靠泊船舶来自不同国家和地区，采用60 HZ的交流电供船舶用电设备。因此，港口和船舶电制要协调一致，能顺利地实现港口变电站向靠港船舶供电，港口需要充分利用岸电技术，新建或改建岸电电源。

船舶岸电变频电源可分为控制电路和功率变换主电路两大部分。主电路采用交直交整流逆变型结构，由整流器、直流滤波器、逆变器、交流滤波及变压器等部件组成。其中，交直部分为二极管桥式整流，经交流接触器软启动整流器，然后经电解电容滤波，得到较为稳定的电源电压。逆变器选用IGBT作为软开关器件，采用正弦脉宽调制方式（SPWM）对逆变器进行控制，将平稳直流变换为脉宽调制输出的交流。该交流基波频率为所需要的岸电电源输出频率。逆变器输出的脉宽调制波经输出LC滤波电路滤波后，输出正弦波交流电。为提高电磁兼容性能，在电源的输出端和输入端都连接有抗干扰型滤波器。

3.2 维持岸电电源电压的稳定

岸电电源容量相对较小，而船上负载大多为感性负载，当船舶使用岸电时，由于负载的变化就会导致岸电电压发生波动。当电压偏离额定值较大时，会导致船舶电气设备运行效率降低，甚至损坏。因此，岸电变频器必须具备电压自动调节功能，维持输出电压稳定以满足船舶供电标准的要求。

3.3 供电系统电制差异匹配的兼容性

国内配电网一般采用中性点不接地系统为主，港口码头常采用三相四线TN系统为主，而船舶大多采用三相三线IT系统。如果TN系统直接向IT系统供电，则易引发绝缘被击穿等安全问题，造成岸电电源无法连接至船舶。如果为港口岸电设计特定的IT系统会导致成本大幅增加。因此应积极研发可供TN系统与IT系统相互兼容的供电模式。

3.4船电与岸电间的无缝转换

为实现船电与岸电间的无缝衔接，船上需要安装有一套自动并车装置。该装置检测船电和岸电的频率、相位以及电压信号。当三者的误差在一定范围内时，将岸电电源并网船舶电力系统，最后停止使用船用辅机发电。当船舶离港时，自动并车装置控制船舶辅机并网，然后断开岸电电源。自动并车装置的关键技术是实现船用辅机发电与岸电电源的同步，以减小并网时的冲击电流。

3.5 电缆管理和快速连接

考虑港口作业效率和船期等方面的要求，船舶连接岸电时需要快速，因此需要有高效的电缆管理方式，如设计移动式的码头恒张力电缆绞车或采用快速接头实现电缆的快速连接方法等。

3.6 岸电综合监控管理系统

岸电综合监控管理系统应具有对变频电源设备、变压器、开关柜、岸电箱、电缆卷筒等提供全面的实时监测和控制；：能够显示船舶岸电系统的运行数据，如高压开关柜、变压器及变频电源的电压、电流、功率 因数、频率、有功功率及无功功率等；能够显示船舶岸电系统的运行状态，如系统的开关状态、接电箱的电缆连接状态和综合保护装置状态等；能够及时显示岸电系统运行过程中发生的故障信息；具备岸电系统管理功能，便于随时查看船舶岸电系统的运行状况及历史记录;具备视频安防功能， 对岸电系统完成无盲区覆盖，以提高安保水平， 降低工作强度;具备计量计费功能，便于供电方和船方快速结算电费以及实时了解船舶靠港期间的用电量等情况。

4 管理上的建議

1）岸电设施分散在各个港口，涉及航运、电力等多个方面，为此需要探索出一种高效的管理方式。

2）岸电使用涉及港口、设施经营者、供电企业和船舶（或海上油田平台）等相关单位安全责任的划分，建立制度、操作规范和应急处置等方面的要求，激励相关单位购买涵盖安全责任的相关保险，以降低岸电使用的风险。

3）交通运输部出台的《港口和船舶岸电管理办法》，靠港船舶优先使用岸电。港口码头指挥调度中心，应根据船舶靠港计划、泊位、作业特点等方面，优先协调使用岸电；同时，完善岸电使用的法律法规，统一执法标准。

4）码头船舶岸电操作和监控相关人员，须进行相关的培训，应持有相应的资格证书。设备的操作、维护应按说明书、操作程序严格地执行。

5）岸电供电电源的电压、频率应符合船舶受载系统要求，对稳压稳频的性能有较高的要求。

6）岸电使用时，推荐使用《港口码头、船舶使用岸电检查表》；船电与岸电转换的2种操作方式；受气象水文、码头作业等因素影响，须加强对电缆的管理；船舶保安值班等涉及相关的内容纳入公司质量管理体系的文件中。

5 结束语

在“双碳”目标下，加快降低碳排放步伐，有利于引导绿色技术创新，加快绿色低碳发展，而岸电技术的应用是科技创新的一个缩影，不仅港口码头船舶用电，而且通过海底高压电缆能将陆上电网的电输送至海上油田用电。科技创新是走向“碳中和”的终极解决方案，岸电技术在海上油田的创新应用，展望“碳中和原油”的时代早日到来。

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