船用岸电供电主电气接线方式研究

田 鑫 赵国亮 赵 波 荆 平

（国网智能电网研究院，北京 102211）

中国是世界上最大的海运国，船舶到港停泊后需要关闭主机并起动副机发电，为船舶提供日常的电力。副机燃料大多为质量较差的重油，燃烧后会排放大量污染物，此外副机运转时也会产生较大的噪声和振动，给船员、旅客、码头工人和邻近社区居民的工作和生活带来了极大的困扰[1]。

船用岸电技术，是指船舶在停泊码头期间停止使用船上发电机，而改用岸上电源供电，获得其泵组、通风、照明、通讯和其他设施所需电力，既可以减少大气污染物排放，达到改善港口空气质量的目的，又可以使用价格低廉的电力降低船舶运营成本[2]。

采用岸电，实现“以电代油”，最明显的效益在于减少港口空气、噪声、水域污染，改善当地居民、工商业的环境。

本文对港口码头船用岸电的主电气接线方式进行研究，充分考虑港口码头电气布局及码头船舶用电需求，提出了三种不同的供电主电气接线方式，并对各种方式的优缺点进行说明，可用于指导国内岸电技术应用。

1 船用岸电系统组成

船舶岸用电系统包括三个重要组成部分：岸上供电系统，船岸交互部分和船舶受电系统。系统示意图如图1所示。

图1 船用岸电系统示意图

1）岸上供电系统：岸上供电系统使电力从高压变电站供应到靠近船舶的连接点即码头接电箱，需完成电压等级变换、变频、与船舶受电系统不停电切换等功能。

2）船岸交互部分：连接岸上连接点及船上受电装置间的电缆和设备；电缆连接设备必须满足快速连接和储存的要求，不使用的时候储存在船上、岸上或者驳船上。

3）船舶受电系统：在船上原有配电系统的基础上固定安装岸电受电系统，包括电缆绞车、船上变压器和相关电气管理系统等。船舶电站发电机电压等级可分为高压和低压两种。高压船舶电站电压等级为11kV，6.6kV（60Hz），低压船舶电站电压等级为400V（50Hz）或440V（60Hz）。

目前，船用岸电技术在美国和欧洲应用较为广泛，且目前已形成IEC/ISO/IEEE 80005-1 技术标准，指导岸电工程实施[3]。然而，该标准主要针对船舶侧需满足的条件进行要求，对岸侧技术包括主电气接线方式选取、接地技术等缺乏专业性的指导[4]。国内船用岸电技术目前尚处于起步阶段，截止2014年6月，国内有岸电设施的港口包括上海港、连云港港、深圳蛇口港和宁波港。文献5 中深圳蛇口集装箱码头船用供电系统采用高压和低压混合上船的方式，并对方案进行了详细的介绍，但并未给出普遍性的适用方案。文献6 中仅从满足港口单个船舶供电角度给出了多种情况下岸电主电气接线图，但供电方式单一，均采用单母线供电方式，且并未考虑港口供电可靠性和灵活性的需求。目前国内港口的岸电工程均以示范工程的方式建立，并未形成统一的工程标准。难以对岸电技术在国内的规模化推广应用形成支撑作用。

由于高压上船方式具有供电容量较大的优点，且采用一根电缆上船，易于操作，是船舶岸电技术推广应用的发展方向。本文将针对高压船用岸电供电系统主电气接线方式进行研究。

2 船用岸电供电系统主接线方式研究

高压船用岸电主电气接线主要有三种结构形式，分别为一对一供电模式，带直流母线的一对一供电模式和一对多供电模式。下面将分别对三种结构形式进行介绍。

2.1 一对一供电模式

一对一供电模式主电气接线图如图2所示。一对一供电模式主变电站把电力变换为6kV 或者其他的高压等级的电压，通过电缆传输到各个码头，每个码头上均设置一个分变电站。码头的分变电站中有变压设备和变频设备。码头上的分变电站根据停靠船舶的需要提供50Hz/60Hz 的电力，并把电压降至船舶所需要等级。

图2 一对一供电模式主电气接线图

这种供电模式的优点如下。

1）每个码头供电相对独立，任何一个码头分变电站出现问题均不会影响其他码头岸电电源的正常使用。

2）供电采用一对一模式，岸电并网等操作可在岸上执行，可将船舶改造部分最小化。

其缺点如下。

1）码头占地空间较大。每一个码头分变电站都需设置变压和变频设备，在空间不足的码头难以采用这种方式。

2）变频器需同时满足50Hz 和60Hz 两种供电频率，工作模式较多，控制复杂。

3）供电可靠性依赖于变频器，如变频器发生故障则无备用电源保障供电。

2.2 带直流母线的一对一供电模式

带直流母线的一对一供电模式主电气接线图如图3所示。该模式优化了一对一供电模式中码头变频器占地面积较大的问题。港口变电站的两段母线各连接一台整流器，整流器之后可根据码头数量连接多台逆变器，由逆变器提供60Hz 供电。逆变器既可放置在码头，也可放置在变电站。同时，该模式中增加了独立的50Hz 供电母线，可将50Hz 船舶通过变电站直接供电，逆变器只为60Hz 船舶供电，简化了逆变器的工作模式。

图3 带直流母线的一对一供电模式主电气接线图

这种供电模式的优点如下。

1）每个码头供电相对独立，任何一个码头分变电站出现问题均不会影响其他码头岸电电源的正常使用。

2）逆变器可根据需求安装于变电站或者码头，布局较为灵活。

3）供电采用一对一模式，岸电并网等操作可在岸上执行，可将船舶改造部分最小化。

4）增加了50Hz 供电母线，减少了逆变器工作模式，简化了其控制。

其缺点如下。

1）供电可靠性依赖于整流器，如整流器发生故障则无备用电源保障供电。

2）当50Hz 供电采用变压器直接供电时，仅能采用船舶并网方式，否则无法实现一对一供电。

2.3 一对多供电模式

一对多供电模式主电气接线图如图4所示。港口变电站的两段母线各连接一台变压器和一台变频器，变压器提供50Hz 供电，变频器提供60Hz 供电。日常运行模式下，每段母线仅变压器或变频器接入，且两段母线分别提供50Hz 和60Hz 供电。该供电母线直接连接至码头，每个码头根据停靠船舶的需要选择相应频率的电力。每段母线均设置备用变压器和变频器，当正常模式下的供电变压器或变频器发生故障时，可接入备用设备保障持续供电。码头侧50Hz 和60Hz 供电母线也分别采用双母线分段配置方式，当一段母线发生故障时可闭合母联开关由另一段母线保证供电。

这种方式把频率的变换集中在主变电站，通过设置冗余，提高供电可靠性。同时，这种方式仅需将供电母线铺设至码头，岸电设施对码头的空间需求较低，成本更加低廉。

图4 一对多供电模式主电气接线图

这种供电模式的优点如下。

1）供电范围可通过变电站辐射至港区所有需要岸电的码头，码头不需安装变频设备，降低了成本，铺设便利。

2）通过两段母线上的变压器和变频器设备提供50Hz 和60Hz 供电电源，互为备用，供电可靠性高。

其缺点如下。

1）每段母线通过一台变频器供电，所需容量较高。

2）船舶接入岸电时仅能由船舶侧控制实现并网，需对船舶部分进行改造。

3 结论

将以上三种主电气接线方式进行对比，得到三种模式的简要对比见表1。

表1 船用岸电主电气接线方式对比

由以上对比可以看出，一对多模式具有码头占地面积小，布线简单，工程造价低的优点，并且易于在不同的码头进行推广，符合船用岸电技术的发展趋势，应用潜力较大。

[1] 黄健毅. 大力推进港航业岸基供电系统的应用[J]. 电气时代,2013(10): 32-34.

[2] PAUL D,PETERSON,K,CHAVDARIAN,P. Designing Cold Ironing Power Systems: Electrical Safety During Ship Berthing[J]. Industry Applications Magazine,IEEE. 2014(20): 24-32.

[3] 卢明超,刘汝梅,石强,等. 国内外港口船舶岸电技术的发展和应用现状[J]. 港工技术,2012,49(3): 41-44.

[4] IEC/ISO/IEEE 80005-1 Utility connections in port—Part 1: High Voltage Shore Connection (HVSC) Systems-General requirements[S]. Switherland.2012.7

[5] 陈晓宏,王闯. 蛇口集装箱码头船用供电系统方案设计[J]. 水运工程,2012(1): 74-78.

[6] 杨瑞. 到港船舶接驳岸电技术研究与标准建设[J]. 港工科技,2013,50(5): 30-34.