干液货发送装置无功功率补偿

黄家田，林雄伟，张 楠，张 健

（1. 北部战区海军保障部，山东青岛 266001；2. 上海船舶设备研究所，上海 200031）

0 引言

干液货发送装置作为海上航行过程中两船之间传输干货、液货的重要装备，为远海航行船舶提供了高效的续航保障。干货、液货发送装置的装机容量大，尤其在两舷的站位同时补给运行时，部分电机处于空载运行状态，导致功率因数降低，以至于影响到船舶电网的品质及用电设备的正常运行，降低了变电、输电设备的能力[1]。当负载侧功率因数较低时，船舶发电机受额定电压和额定电流的限制。因此，船舶电站是船舶的主要动力源，是船舶电力系统的核心，对干液货发送装置的电网进行无功功率补偿、改善船舶电网品质 尤为重要[2]。

1 干液货发送装置运行现状

液货发送包含以下工况：启动液压动力单元、架索、燃油输送和收索。

1）启动液压动力单元阶段。跨索、内鞍座索、中鞍座索、外鞍座索的电机启动后，均处于空载工况。

2）架索阶段。跨索、内鞍座索、中鞍座索、外鞍座索的电机依次缓慢放出钢索，放出钢索的电机为带载工况，未放出钢索的其它电机仍处于空载工况。

3）燃油输送阶段。跨索、内鞍座索、中鞍座索电机处于空载工况，外鞍座可能随船距进行收放，收放时的外鞍座电机处于带载工况，未收放时的外鞍座电机仍处于空载工况。跨索绞车会根据船舶运动情况自动进行两级补偿，两级补偿期间高架索绞车电机为带载工况。

4）收索阶段。跨索、内鞍座索、中鞍座索、外鞍座索依次缓慢收回钢索，回收钢索的电机为带载工况，未放出钢索的其它电机仍处于空载工况。

干货发送装置包含以下工况：启动液压动力单元、架索、干货输送和收索。

1）在启动液压动力单元阶段。高架索、内牵索、外牵索、升降装置的电机启动后，均处于空载工况。

2）在架索阶段。高架索绞车、外牵索绞车依次缓慢放出钢丝绳，其余泵则处于空载状态。

3）干货传输阶段。各索道处于张紧状态。货物在补给船升降时，升降装置电机带载输出；货物传送时，内牵索绞车电机带载输出，外牵索处于恒张力状态；补偿船舶运动时，电机带载输出，高架索绞车会根据船舶运动情况自动进行两级补偿，两级补偿期间高架索绞车电机为带载工况。

4）回收高架索阶段。主要为高架索绞车慢速收回钢丝绳。在整个补给过程中，高架索绞车自动进行二次补偿，4 个主泵均处于轻载货空载运行，导致功率因数较低。

通过分析补给工况得出，补给装置的电机除架索和收索外，基本处于空载或轻载工况。由于电机在空载条件下的功率因数约为0.3～0.4，补给工况的特殊性便决定了补给装置运行时的功率因数。

2 提高功率因数的可行性分析

无功功率补偿主要有以下2 种方法：传统纯电容无功补偿法和动态无功补偿法。

传统纯电容无功补偿法是将电容器直接并联到补给配电站的供电铜排上。补给作业的特殊工况决定了补给装置的无功功率是动态随机变化的。由于电容器补偿的无功功率是固定的，不能根据补给过程中负载的实时变化进行无功动态补偿，因而补偿响应速度慢，精度较低，稳定性差，所以该方法是不建议使用的。

若采用电容器进行无功补偿则可能存在以下风险。

1）电容器是传统的无功补偿装置，但不能对无功负荷进行动态调整，与电网的需要不能完全保持一致，由此便会影响电压质量和电网的稳定运行，严重时则会使电网崩溃。

2）电容器只能补偿固定的无功功率，电容量会随时间逐渐衰减，在电力系统中有谐波时，电容器会使得谐波放大，导致无功补偿装置有很高的并联谐振风险。因此电容器烧毁甚至爆炸事故时有发生，电网也会频繁出现空压机、变频器等设备模块莫名击穿、损坏的问题。

3）加入电容器可以进行无功补偿，但是只能补偿固定的无功功率，由于横补装置的无功功率是动态变化的，电容器不能对无功功率进行动态调整，无法与船舶电网的无功功率补偿需求完全保持一致，由此则会影响电网电压质量和电网运行的稳定性，严重时还会使电网崩溃。

4）对于电容固定补偿的方式，若电网无功容量不足，往往会造成负荷端的供电电压过低，从而影响设备的正常使用。反之，若无功容量过剩，则会造成电网的运行电压过高、电压波动率过大，也会造成不良影响。无功容量的计算需要综合考虑全船的电力系统，仅针对补给设备端的无功计算结果并不准确。

5）电容器的自然老化和运行中过电流、过电压、谐波、盐雾及环境温度过高等常造成电容器内部元件的损坏。如不能将故障电容器从电网上切除，故障电容器将会因绝缘而发生短路。电容器内部短路后，由于电弧产生的大量热能会使绝缘油分解，产生大量气体，使得壳箱内的压力增大，严重时还会引起剧烈爆炸，造成设备损坏及人员伤亡，甚至发生火灾、电网停电等恶性事故，大大威胁了船舶电网的安全运行。

6）电网中谐波含量过大易造成电容器的损耗或过早损坏，由于电容器谐波的放大作用会加重谐波干扰，进而影响整船供电电源的品质。

7）无功补偿电容柜体积空间较大，发热量大，需要专门的空调管道对其进行冷却通风散热。

8）舱室内含有空气瓶，因而周围禁止放置易燃易爆品；无功补偿电容柜内如果发生爆炸甚至火灾，后果会极其危险，对船舶甚至人身安全造成极大的危害。

9）采用电容补偿的方式，据初步估算占地空间 ， 每 个 液 货 站 共 需 2 面 约 为2 000 mm×800 mm×600 mm（高×宽×深）的电容补偿柜； 每个干货站共需 3 面约为2 000 mm×8 0 0 m m×600 mm（高×宽×深）的电容补偿柜，且重量较重。

10）电容补偿柜内的电容补偿器发热量大，需考虑足够的通风方式，但矛盾的是这会导致柜体泄露的电磁辐射量过大，从而影响船舶其他电子设备的正常运行。

先进的动态无功补偿方案，可根据补给装置的负荷变化有效调节功率因数，且效果较好。

如需将功率因数提高至0.8，则应保证电站的输出功率因数大于0.8，需在每个干液货发送装置站分别增加1 套无功补偿装置，共需4 套无功功率补偿装置，安装在电站配电板和补给装置之间（泵舱内），并连接到补给装置配电柜。初步计算分析，每个液货、干货补给站各需动态无功补偿装 置 柜 体 的 尺 寸 约 为2 000 mm×800 mm×600 mm，同时需考虑通风、散热、电磁兼容和环境温度的问题。

如果考虑加动态无功补偿装置，因市场上设备的电磁兼容性、可靠性无法保证，设备电磁辐射严重，无功补偿装置会对干液货发送装置电控系统造成电磁干扰，从而影响控制柜内电子元器件的正常工作，使补给装置无法正常工作；同时也可能造成对船舶电网的谐波污染，进而影响到船舶其它设备使用的电源品质。具体情况需要立项进行科研分析与论证。动态无功装置内含有IGBT 等电子元器件，运行环境温度苛刻，工作范围约为0℃～40℃，在运行时，发热量大，需考虑增加排风设施。

无论补偿装置放置采用何种补偿方式，其补偿效果均有待验证。无功补偿装置柜发热量大，电磁辐射较强，设备在船舶上的可靠性和环境适应性需进一步验证。若采用不合理的无功补偿装置，则会造成整个船舶的电能质量变差从而影响系统的正常运行。当电力补偿电容器自然老化以及运行中过电流、过电压、谐波及环境温度过高等原因，常造成电容器内部元件的损坏。如不能将故障电容器从电网上切除，将会因绝缘而发生短路。电容器内部短路后，电弧产生的大量热能会使绝缘油分解，产生大量气体。

3 解决方案

在干液货发送装置中，采用就近补偿静止无功发生器的方法，将电容器直接并联到补给配电站的供电铜排上，可根据补给装置的负荷变化有效调节功率因数。该补偿方案的效果较好，电容器靠近液压机组用电设备，就地平衡无功电流，可有效避免液压机组在空载或轻载时的过补偿。

干液货发送装置无功补偿装置通过提高液压机组功率因数，减少无功功率流动来提高输入端电压、降低船上电网的损耗。根据各补给阶段的负荷变化，进行频繁的投入或切除操作，而此投入或切除操作通过自动切换开关控制，能够准确、快速地实现无功功率补偿。选用静止无功发生器即静止同步补偿器是较为先进的静止无功补偿装置。装置中可关断晶闸管分别与二极管反向并联，适当控制晶闸管的通断可以把电容器上的直流电压转变成为与电力系统电压同步的三相交流电压、装置的交流侧通过电抗器或变压器并联接入系统。适当控制逆变器的输出电压可以灵活地改变静止无功发生器的运行工况，使其处于容性负荷、感性负荷或零负荷状态。静止无功发生器的响应速度快、运行范围宽、谐波电流含量小，在电压较低时静止无功发生器仍可向系统注入较大的无功电流。其储能元件如电容器的容量远比所提供的无功容量要小，将补给过程中的各补给站位功率因数提高至0.8。

3.1 补偿位置

补给船上设备较多，若提高功率因数，无功补偿位置可采用2 种方式，即集中式补偿和分布式补偿。

在大型船舶上，一般在主电站侧进行集中补偿[3]。因此，补给船上设备较多，采用集中补偿的方式最佳，即在发电机侧增加功率补偿装置，补偿功率因数稳定，造价低，占地空间少。采用分布式补偿，即在补给设备侧增加功率补偿装置，成本高，占地空间多。

3.2 实施方法

补给船舶有4 套干液货发送装置，每套分别增加1 套无功补偿装置，则共需4 套无功功率补偿装置安装在电站配电板和补给装置之间（泵舱内），且并联到补给装置配电柜。将液货站功率因数由0.34 提高至大于0.8，将干货站功率因数由0.42 提高至大于0.8。

3.2.1 液货发送站

1）目标功率因数

第一台发电机和第二台发电机的供电功率因数均为0.76，将此数据作为目标值。

2）液货补给功率因数

启动液压循环泵的最低功率因数为0.33，将此数据作为初始值。

3）有功功率需求量

回收跨索动作为最大功率状态49.2 kW，将此数据作为功率基础数据。另外，实际作业中还有可能出现短时极端工况，考虑安全翻倍裕量，即98.4 kW。

如果选择300 A 电子无功补偿设备，则尺寸为1 560 mm×582 mm×438 mm（高×宽×深）。通风形式为下进风上出风，需考虑在上端和下端分别预留200 mm 和220 mm 的散热空间。

3.2.2 干货发送站

1）目标功率因数

第一台发电机供电功率因数均为0.81，将此数据作为目标值之一。第二台发电机供电功率因数均为0.77，将此数据作为目标值之二。

2）现在功率因数

其中启动液压循环动的最低功率因数为0.37，将此数据作为现在值。

3）有功功率需求量

回收高架索动作为最大功率状态80.7 kW，将此数据作为功率基础数据。实际作业中有可能出现短时极端工况，考虑安全翻倍裕量，即161.4 kW。

由此可知，所需的无功补偿功率为235 kVAR ～253 kVAR，换算为无功电流为39 A～365 A，则可以选择360 A～400 A 的电子无功补偿设备。若选择360 A 电子无功补偿设备，为300 A＋60 A 的并联使用，其中300 A 的设备尺寸为1 560 mm×582 mm×438 mm。通风形式为下进风上出风，需考虑在上端和下端分别预留200 mm 和220 mm 的散热空间。合计设备所需空间尺寸为1 980 mm×1 003 mm×438 mm。

4 解决方案对比

增加无功补偿装置的利处在于，可使功率因数由0.65～0.76 升至约0.8，在一定程度上降低了电能损耗，进而节省了电能。然而，该装置也易对现有船舶电网造成谐波污染、电压波动等负面效果，影响其电源品质，进而干涉其他设备的正常运行，补偿效果难尽人意。很难满足船型试验的要求，如电磁辐射、散热、高低温、冲击、振动等。

基本无功功率的补偿装置宜在发电机输出侧进行补偿[4]。该装置功率因数补偿效果好，成本相对较低，占空间小，实施较容易，原理如图1所示。

图1 集中补偿原理图

功率因数补偿效果较差，成本相对高，占空间大，实施工作复杂，原理如图2 所示[5]。

图2 就地式补偿原理图

5 结论

无功功率补偿装置安装在发电机出线端，使电网的功率因数维持在cosΦ＝0.8（滞后），补偿效果较好。干液货发送装置无功补偿设备的合理配置，与电网供电电压质量的关系十分密切。进行无功功率补偿，不仅需要考虑干液货发送装置设备，还需考虑其它船舶设备，这样对功率因数的改善效果会更佳。对整个船舶的电网进行改造，可提高船舶运行的安全性和可靠性。