船舶岸电系统在粮食码头上的应用与发展

◎ 申鹏程，刘 鹏，孙振宇，孙泽豪，梁国庆，董良太

（日照港裕廊股份有限公司，山东 日照 276826）

1 岸电系统运用背景

码头靠港船舶通常利用辅机发电，以满足船上冷藏、空调、加热、通信及照明等电力需求。但是，船舶辅机为燃油发电机，在消耗燃油的过程中，会排放出氮氧化物、硫氧化物、可吸入颗粒物等空气污染物，影响港口及所在城市的环境质量。

随着我国节能减排步伐的加快，交通运输已成为节能减排的重要领域，港口作为海陆运输节点，节能减排有着广阔的施展空间。交通运输部发布的《船舶与港口污染防治专项行动实施方案（2015―2020）》强调推进生态文明建设，推动船舶与港口污染防治工作，实现水运绿色、循环、低碳、可持续发展[1]。新兴船运电能供应技术是指在船舶停靠过程中，用来自港口的电力供应系统替代船舶发电机为船舶持续供电，以供船舶照明、通信、工程操作等电气设备使用，进而实现船舶系泊过程节能、减排、降噪的目标，并最终实现“绿色生态港”的建设[2]。与船舶发电的高能耗、高污染相比，岸电的使用更节能、环保，因此，靠港船舶使用岸电是节能减排的大势所趋。

2 变频岸电系统功能

将岸基电源接入船舶使用，最大的障碍是两种电网存在频率差异。我国用电网络通常采用的频率为50 Hz，电压为380 V、6 kV、10 kV，而大部分船舶供电采用的频率为60 Hz，电压为440 V、6.6 kV，如果直接将50 Hz 的电源接入船舶设备，会使设备的整体效率下降30%，并且由于供电频率及电压发生变化，可能造成部分设备不正常工作，产生安全隐患。变频岸电可由50 Hz 转变成60 Hz，避免岸基电源接入船舶使用的障碍，且具有更高的性价比，可以向不同制式的船舶提供岸电；与发电机相比，岸电节能20%以上，且发电机具有噪声大、运行成本高、损耗大、有污染、维修困难以及需要专人管理等缺点；岸电具有更强的适用性，可以实时监控电源的运行情况，被国内各大造船修船及港口码头企业广泛使用。图1 为变频岸电系统简图。

图1 变频岸电系统简图

3 项目应用案例

根据绿色港口建设需要，某码头公司在其散粮泊位投资建设高压岸电系统，岸电设施基本信息及供电情况详见表1，高压变频装置现场照片如图2 所示。岸电变频变压系统核心工程主要包括工程设计、岸电设备购置、岸电设备系统集成、土建施工、设备安装、系统调试、试运行、系统运行以及连船等[3]。本岸电系统采用广州智光电气ZG-SPS 高压变频岸电电源系统。

表1 岸电设施建设情况表

图2 码头岸电设施现场图

4 ZG-SPS 高压变频岸电电源系统结构

ZG-SPS 高压变频岸电电源系统由配电及隔离保护部分、变频电源、插座箱及电缆管理系统等组成，其中变频电源为其核心部分。高压变频电源的核心技术主要有以下几方面。

4.1 高效的拓扑结构

高压变频岸电电源系统主要由输入移相变压器和变频功率单元组成。系统采用功率单元串联技术，解决器件耐压的问题，级间SPWM 信号移相叠加，提高了输出电压谐波性能，降低了输出电压变化率（dv/dt）；通过移相整流技术降低输入侧谐波，减小了对电网的谐波污染；主控制器以双数字信号处理器、超大规模集成电路可编程器件为核心，配合数据采集、单元控制、光纤通信回路以及内置的可编程逻辑控制器构成系统控制部分。

4.2 优质的移向变压器

移相变压器采用干式结构，强迫风冷。变压器原边为Y 型接法，直接与高压相连。副边绕组数量为18 个。由于为功率单元提供电源的变压器副边绕组间有一定的相位差，单个功率单元输入侧为6 脉波整流，工作时会产生5、7 次谐波，但是当多个功率单元由移相变压器提供幅值一致、相位角互差10°的工作电压时，各单元工作产生的35 次以下谐波相互抵消，自动消除。从而消除了大部分由单个功率单元所引起的谐波电流，所以智光变频器输入电流的总谐波含量远小于国家标准5%的要求，并且能保持接近1 的输入功率因数。

4.3 经验证的逆功率处理

《码头船舶岸电设施建设技术规范》规定，岸电系统的继电保护应满足以下要求。电气元器件的选型要考虑其能承受的短路容量，并兼具可靠性、选择性、灵动性；重要电气设备应具备电流速断、过流、低压及超温等保护功能[4]。

岸电系统采用带电切换方式时，可能由于船/岸两侧检测误差，两侧电网运行参数在并网过程中存在差异，在岸电和船上发电机并网（岸电解列）过程中会引发逆功率现象。为了防止发生严重逆功率现象，损坏设备，应采取必要的安全措施。

智光电气岸电电源系统具有完善的逆功率判断以及控制保护算法，可通过双重检测手段判断是否产生逆功率，确保逆功率检测的可靠性；还可通过逆功率快速处理控制算法，迅速调整输出参数，将逆功率推送至船侧电网，保护变频电源安全。当逆功率现象过于严重，无法通过调整电压参数消除时，系统启动逆功率保护动作程序，断开功率单元进行保护。

4.4 冗余能力说明

智光电气配置的高压变频岸电电源系统多设计了一组功率单元作为冗余。当1 台单元发生故障时，系统自动将故障单元旁路变为5 级单元工作，系统总输出电压仍然为6.6 kV，系统额定输出电流不变，容量不变，不降额向船舶供电。

以3 MVA 系统为例，6 级功率单元串联工作时控制每个功率单元输出634 V 电压，即系统输出3 810 V相电压，6.6 kV 线电压，系统输出容量为3 MVA。变为5级功率单元串联工作时，每个单元输出762 V电压，即系统输出3 810 V 相电压，6.6 kV 线电压，系统输出容量为3 MVA。

4.5 独特的散热结构

ZG-SPS 变频电源采用前后两侧进风，中间通风道短而宽，柜体上部安装大风量进口专用风机，散热效率大大提高，从而提高系统适应工作环境温度的能力，配合空调系统，完全可满足10 000 kVA 以内各种岸电电源变频装置（800 A)的散热要求。

5 码头岸电插座箱选型

码头岸电插电箱作为船舶岸电系统的重要组成部分，其选型及选址决定着岸电系统整体运转效率。常见的岸电插电箱安装有以下两种方式。①岸电插座箱明装。这种安装方式施工简单，成本低，不受潮汐影响，目前码头岸电插座箱多数采用明装方式。缺点是箱体突起，可能影响码头作业，有被缆绳刮倒风险。②岸电插座箱箱地坑安装。这种安装方式没有突出障碍物，不影响码头作业，无缆绳刮倒风险，但其施工复杂，成本高，受潮汐影响较大，需要预制件安装。

通过对码头岸电插座箱面明装和地坑安装进行比较，最终选择岸电插座箱明装施工方案。且根据码头现场实际，码头泊位已使用近20 年，插电箱底座利用原有门机低压供电箱体，在其底座上进行焊接加固10 mm 厚钢板，加装1.5 m 高挡浪板，防止海水侵蚀，图3 为岸电插座箱安装实景图。

图3 岸电插座箱安装实景图

6 岸电系统连船介绍

根据《码头船舶岸电设施检测技术规范》（JTS 155—1—2019）的相关规定，该码头公司在岸电系统建设完成后委托中国船级社对岸电系统进行了初次检验和年度检验，检验内容包括一般性检查、电能质量检测、额定负载运行试验以及过载运行试验等，检验结果合格。

船岸电网连接是通过电缆及辅助设备将岸基配电箱与船基配电箱相连[5]。连船正式运行前需测试船、岸间的polt 回路是否连接正确，检验船、岸间的保护性能，确保船舶岸电系统在用电过程中设备以及人员安全。测试分别在船侧、岸侧进行，采用急停开关进行分闸测试。

船舶岸电电源输送到船上后，先送到船侧主配电板并网开关上端。船方操作人员通过船侧开关柜检查确认岸电电源的相序、电压、频率是否满足船上电源要求。如相序反，可通过变频电源调整电压、频率偏差。确认船上的岸电电源正常后可进行下一步操作。码头作业方应与船方人员保持良好沟通，在船上岸电高压进线开关合闸带降压变压器之后且未并网带负载前，按泊位切换柜励磁涌流旁路开关合闸按钮，把输出限流电阻旁路后方可允许船方带负载。

7 结语

该码头公司船舶岸电系统建成后，经过一段时间的使用，整体运行效果较好。建议码头作业方加大与船方的沟通，继续组织操作人员进行专项培训，做好岸电系统的使用及维护工作。相关职能部门应出台相关政策，进一步提高岸电系统的覆盖面及使用频率，以更好地支持绿色港口建设。