港口岸基供电配网系统增容改造方案研究

余墨多，黄文焘，邰能灵，陈振宇，李瑶虹，杨 斌

（1.上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海 200240；2.国网江苏省电力有限公司，江苏 210024）

引 言

随着我国大开发的启动，港口船舶停靠码头的数量和密度也大幅增加，航运业务繁忙。以往船舶停靠港口必须使用船舶燃油发电机发电，对船舶上的电力负荷进行供电。发电机燃烧重油释放出不容小视的污染物，同时燃油发电机运行噪音对港口周边的居民生活造成了困扰[1]，这与将电网建设成绿色电网的出发点相悖。

船舶岸电技术是一项在国内起步不久的技术，在船舶停靠时，停运船舶发电机，由港口电站接电缆到船舶上进行供电。岸电技术能为船舶提供安全、可靠、清洁且经济适用的电能，对港口的运作产生长远且积极的影响，同时有效降低船舶靠港运营成本，提高整体经济收益[2-3]。文献[4]以建湖港与大丰港为例，计算了靠港船舶对岸电功率的要求，分析了船舶接用岸电系统的可行性和经济学性，并提出了岸电技术实现方案。文献[5]分析了张家港船舶岸电实施过程中存在的问题与困难，提出了实施建议及措施。

然而，船舶岸电系统的建成势必将造成港区负荷量的上升。若港区电网容量投入不足，在面对岸电系统所带来的增长负荷时，则会出现电站不能满足生产需求的情况。港口电网在此种情况下工作，可能造成停电，产生严重的经济损失，同时严重影响港口的社会、工作秩序，甚至发展成为更加严重的事故[6-7]。为了确保港口安全可靠供电、促进港口发展，以及满足岸电系统建设所带来的增长负荷，港口电网应该进行相应的建设与改造，改善港口电网的配电设备、优化电网接线方式，为港口电网提供优质可靠的电力保障。

本文基于船舶岸电系统连接技术、船舶岸电系统继电保护技术、船舶岸电系统谐波抑制技术等关键技术，对港口电网增容扩建、岸电系统设备选型等进行了分析，可为港口岸电改造提供技术支撑。

1 岸电系统增容扩建方案

1.1 港口负荷容量计算

为保证增容扩建后港口电网能够满足正常工作需求，应该对岸电系统增加的容量进行计算。按照三类负荷法对岸电系统供给的船舶进行负荷计算，可得：

船舶并非永久停靠在泊位上使用岸电，每次停靠的时间有限。港口可能会有多个岸电供应码头。考虑到以上两个因素，可得：

式中：N代表岸电供应码头数量；Mi代表第i个码头年平均停靠船舶次数；Ti1代表第i个码头船舶平均停靠时间；Ti2代表第i个码头岸电设备接入与脱离时间。

为简化问题，可将所有岸电系统码头供给的船舶等价位一艘一年四季长期停靠在码头边的船。该船舶的有功功率与无功功率如式(5)～(6)所示：

考虑电能传输与转换时的损耗，港口电网所增加的容量如式(7)所示：

该船可等价为一个阻抗：

1.2 最大电流计算

岸电系统建成后，港口电网原有的线路容量可能无法满足新的工作需求。因此需要对电网的线路进行校核、计算线路可能出现的最大电流。

图1 港口电网简化电路

岸电系统建设前港区电网电路如图1所示，港区电网是受端电网，无内部供电电源，电能全部由外部电网提供。港口由外部电网G以U1的电压等级供电，经过变压器T后，以U2的电压等级向港口的负荷供电。港口原负荷量为P0+jQ0，峰值负荷为P0,Peak+jQ0,Peak，可等价为阻抗如式(9)～(10)所示：

母线上流过的电流为：

式中：ZT是变压器折算到高压侧的阻抗值。

母线上流过的峰值电流为：

图2 建设岸电系统后港口电网简化电路

岸电系统建设后港区电网电路如图2所示。在港区变电站下，一艘永久停靠在码头，负荷量为S△的船舶等价为了岸电系统。

当岸电系统所有码头均停靠有船舶，负荷量达到峰值：

等价为阻抗：

建设岸电系统后，母线上流过的电流为：

母线上流过的峰值电流为：

1.3 电压调节计算

当岸电系统投入使用时，由于负荷量的增加，港口电网的电压值可能会下降。因此需要改进港口变电站的调压措施，以适应港口负荷的增长。一种调节电压的办法是改良港口变电站的变压器分接头来进行电压调整。港口变电站的变压器为降压变压器，低压方只有一个额定抽头，故需要调节高压方的抽头。

图3 变压器等值电路

如图3所示是变压器等值电路。T是一个理想的、高压侧有多个抽头的变压器，而RT+jXT是变压器折算到高压侧的等值阻抗。根据以上等值电路可得：

需要选择合适的抽头电压Ut1以满足低压侧的电压达到U2。为了选择合适的抽头，必须考虑港口负荷的变化情况，即考虑港口最大负荷与最小负荷。在增加岸电系统后，港口的最大负荷增加量应该等于岸电系统工作峰值容量，最小负荷则保持不变。在建设岸电系统之前，变压器的高压分接头电压应为：

式中：Ut1,max代表最大负荷情况下计算出的分接头电压；Ut1,min代表最小负荷情况下计算出的分接头电压。

在建设安定点系统之后，在最大负荷情况下计算出的分接头电压如式(24)所示：

式中：U2,N代表低压侧额定电压值；U2,max代表低压侧在指定调压方法下于最大负荷时的电压值。

新的变压器高压分接头电压应为：

除了改变变电站内变压器分接头以外，还可以采用增加无功补偿装置的办法进行调压。增设静止电容器、静止无功补偿器（SVC）以及同步补偿机均可有效改善港口电网的功率因素，维持港口电网的电压水平。

2 岸电系统改造方案

图4 岸电系统改造流程

图4显示了岸电系统的改造流程。首先，在确定了接用岸电的船舶类型后，需要对岸电系统的上船方式进行选择；根据对岸电系统未来发展的预测，选择合理的岸电系统网络结构以适应岸电系统今后的扩建可能。与此同时，采用三负荷法计算船舶所需的有功容量[10]；根据船舶容量，确定岸电系统的最优上船电压与岸电系统的变压方式；对联接电缆进行选型操作。在确定了岸电网络结构、上船方式、上船电压等级后，设计静止电子式岸电电源；计算岸电系统建设后，港口变电站所需要进行的增容量；确立岸电双频系统的保护方案。

完成岸电系统的改造流程后，需要对岸电系统网络中各类电力设备进行配置。各个岸电系统网络结构在电力设备配置难度上的优劣比较如表1。

表1 岸电系统网络结构的优劣

根据网络结构的选择结果，为了更好地完成岸电系统的匹配，需要对各个电力设备进行评估。从可靠性、占地面积、设备使用量等因素来看，集中式网络结构是一种较为合适的岸电系统结构，它在码头上的占地面积远小于分布式网络结构，因为它的变频单元已经集中在了岸电系统变电站中。分布式网络结构由于在码头上需要安装静止电子式岸电电源，码头将很难进行施工作业，同时岸电设备也无法顺利地进行移动操作。使用集中式网络结构，码头上的岸电设备只需很小的占地面积。

除了考虑设备的占地面积与网络结构的匹配，不同的网络结构中的设备数量、设备类型也有所差距。集中式网络结构相较于其他的网络结构，静止电子式岸电电源的设置方式是最为经济的，且变压器的数目也少于分布式网络结构。但集中式网络结构需要使用双母线接线，并配置双母线转换开关。为了进一步地分析岸电系统网络中不同电力设备的配置，需对各主要设施进行逐个分析。

2.1 岸电系统变电站

岸电系统变电站是岸电系统的核心，是系统的中心设施。在岸电系统变电站中，主要包含了断路器、隔离开关、过电压吸收器、变压器等设备，它们联接在一起，并与外部的大电网相连。岸电系统变电站对于集中式网络结构尤为重要，在变电站内器，双母线、双母线转换开关、仪用变压器等设备。一些继电保护装置和综合控制系统都集中于此。

在分布式网络结构与直流传输式网络结构中，岸电系统变电站中的设备不多，因此建设面积也不大；在集中式网络结构中，由于静止电子式岸电电源的存在，岸电系统变电站则占了很大的面积。若岸电系统供应容量较大，则可能使用多个静止电子式岸电电源并联工作，多个变频单元以及相应的变压器、测量设备、保护装置的加入，这将使得岸电系统变电站的占地面积急剧增大。另外，岸电系统变电站的合理选址能够有效减少岸电系统中的电缆总长度，这在多个码头都使用岸电时尤为显著。

2.2 双母线转换开关

集中式网络结构中的双母线转换开关是其他网络结构都不会使用到的设备。双母线转换开关用于连接50 Hz与60 Hz的母线，并将不同频率的电力根据船舶的需求分配至不同的码头。双母线转换开关由两部分组成，它们是电能流入端与电能输出端。电能流入端有着两个隔离开关，分别与50 Hz与60 Hz母线相连。电能输出端为一个在码头上的岸电箱供电。双母线转换开关如图5所示。

图5 双母线转换开关示例

双母线转换开关应有如下功能：

1）拥有两个隔离开关，能够将两条母线与受端电路分别隔离开；

2）具有内部闭锁功能，两个隔离开关不能同时闭合，当一个开关闭合后，另一个开关应该可靠闭锁；

3）具有外部闭锁功能，两个隔离开关和与双母线转换开关相连的断路器均应建立一套合理的闭锁逻辑；

4）便于安装与拆卸，能够在岸电系统要扩建时顺利安装在双母线上；

5）在过载、过电压或过电流的情况下，都能够保证在50 Hz与60 Hz两个频率下正常工作。

在双母线转换开关中，往往配置有两类工作在不同频率的电压互感器与电流互感器，它们被用来测量不同频率下双母线转换开关的工作电压与工作电流，并把数据传输到保护装置中，以在发生故障时使断路器启动。

为了更形象说明双母线转换开关的功能特性，以Uni Gear双母线系统中的ZS1转换开关为例，通过表2说明双母线转换开关的工作特性。

表2 不同额定电压双母线转换开关电气特性

与双母线转换开关匹配工作的是双母线断路器。双母线断路器与普通的断路器不同之处在于它需要工作在50 Hz与60 Hz两种频率下，因此在对双母线断路器进行选择时，需要在两种频率下进行试验，以判定是否能够在两种电力频率下均保证长期正常工作，并能够完成断路、灭弧等功能。

2.3 码头岸电箱

码头岸电箱包括了变压器、电缆管理系统等设备。如果为分布式网络结构，码头岸电箱中应该还含有静止电子式岸电电源；如果为直流传输式网络结构，码头岸电箱中应该还有可调频的逆变设备。码头岸电箱还应包含隔离开关、断路器等设备，以满足安全供电的条件。码头岸电箱在部分上船方式中被设置为可移动式的，拥有机动性的码头岸电箱能够完成更加可靠的电缆连接操作。

码头岸电箱中的变压器是岸电系统与船舶电力系统的最后连接环节，它能够保证船舶电力系统与岸电系统之间、连接了岸电系统的不同船舶之间的电气隔离。另外，码头岸电箱中的变压器能够有效减小故障电流，同时能够降低船舶上发生电气故障后发生致命的故障穿越的可能。码头岸电箱中的变压器更重要的功能是提高电压等级，使得供电电压与船舶电压匹配，同时降低传输中的线路损耗。

对于码头岸电箱中的变压器而言，流过的电能可能是50 Hz也可能是60 Hz，因此需要对变压器的工作频率进行研究。如果采用两台变压器进行工作，一台的额定频率是50 Hz，一台的额定频率是60 Hz，这样还需要配置相应的远程遥控装置、转换开关、保护装置，同时这样将会占用大量的码头空间，是十分不经济的。因此考虑采用一台变压器在两种频率下工作。如果采用额定频率为50 Hz的变压器，当它工作在60 Hz的电力下时，由于电力频率的上升，电抗值将会相应的提高，变压器的整体阻抗值将会变高，这势必导致较额定频率下更大的电压下降。但频率的上升除了带来电压下降外，并不会对变压器带来损害。如果采用额定频率为60 Hz的变压器，当它工作在50 Hz的电力下时，由于频率的下降，电抗值相应下降，变压器的阻抗值将会减小，这将导致流过变压器的电流上升。变压器若长期处于这样的工作情况下，较大的电流将会损耗变压器。因此，码头岸电箱的变压器应该使用设计为50 Hz的变压器，而不能采用设计为60 Hz的变压器。

当额定频率为50 Hz的变压器流过60 Hz电能时，各额定项的发生的变化如表3所示。

表3 50 Hz变压器流过60 Hz电能时各额定项变化

码头岸电箱中的变压器应采用Dyn型变压器，并且高阻接地。高阻接地能够避免暂态过电压，有效减小设备损伤。由于中性点高阻接地，接地电流将被限制在系统电容电流之下，这将使由于间歇性弧光故障产生的过电压被稳定到相电压值。ABB的岸电Resibloc干式变压器因为其体积小、冷却效果好、大容量、低噪声等性能被用在了岸电系统中，它的各项数据如表4所示，以下数据可作为岸电系统设计分析使用。

表4 Resibloc干式变压器

3 结 语

本文主要研究了船舶岸电系统的改造方案。首先，分析了港口电网的供电结构，而后提出了岸电系统增容扩建方案，具体指出了港口电站需要增加的容量、港口变电站母线需要增加的最大电流以及港口变电站电压的调节方案；最后，提出了岸电系统整体建设方案架构，并对岸电系统建设中变电站的选址、双母线转换开关以及码头岸电箱的设备进行了介绍。本文研究成果能够促进我国港口岸电电网的建造与扩容能力，极大地提高我国电力企业与船舶工业的技术协调能力、打破用电壁垒，并在增供扩销等方面为供电企业带来巨大的经济效益。