港口船舶岸电电源系统研究综述

刘 杜，孙佳星，乔康恒，徐健超

港口船舶岸电电源系统研究综述

刘 杜1，孙佳星2，乔康恒3，徐健超3

（1. 国网湖北省电力有限公司检修公司，武汉 430000；2. 海军驻芜湖地区军事代表室，安徽芜湖 241000；3. 海军工程大学电气工程学院，武汉 430033）

随着造船技术快速发展以及国际贸易愈加频繁，国内外靠港的大吨位船舶数量急剧增加，传统柴油发电机船舶靠港的大量增加势必会给港口环境带来严重污染。船舶岸电电源系统作为靠港船舶新的供电方案，可极大降低靠港船舶产生的污染。本文对岸电电源系统国内外研究现状进行总结，并对岸电电源系统组成及其供电模式方案进行阐述，尤其对变流器部分进行重点分析。最后在综合分析的基础上对岸电电源在未来的研究发展方向进行了技术展望。

岸电电源 供电模式 变流器

0 引言

靠港船舶在停泊期间用电需求一般依靠船上柴油发电机满足。船舶柴油发电机主要消耗轻质或重质柴油[1]，其发电过程会伴随产生大量氮氧化合物、硫氧化合物、挥发性有机化合物和柴油颗粒污染物，会对港口及周遭环境造成极大的污染[2]。近年来，随着环保要求的提高，解决船舶靠港期间的污染问题显得愈发重要。船舶岸电技术在此背景下应运而生。

船用岸电技术是指船舶在靠港期间停止运转自身柴油发电机，而靠岸上电源供电，以满足其水泵、通风、照明、通讯和其他设施电力需求[3-4]。船用岸电技术作为我国建设绿色港口的重要举措，不但可以改善港口环境并降低船舶靠港成本[5]，而且能够保持港口行业健康可持续性发展，具有极大的现实意义及发展前景。

船舶岸电电源系统是船用岸电技术岸侧供电部分的核心。本文主要介绍了船舶岸电电源系统的发展及应用现状，对岸电系统结构及供电模式进行详细阐述，并对岸电电源系统中起到关键作用的变流器技术进行了分析，最后，针对岸电电源系统关键技术进行了总结与展望。

1 港口岸电电源系统的研究与应用现状

近年来，欧、美等国家已积极尝试使用岸电电源系统给靠港船舶供电。1989年，瑞典的哥德堡港率先使用400V低压岸电电源系统给滚装轮渡供电；2000年，哥德堡港又在渡船码头安装了世界上第一套高压岸电电源系统，该技术可使船舶靠港期间污染物排放量减少94%～97%[6]；2004年洛杉矶港建设了世界上第一个集装箱船只的岸电电源连接系统（AMP系统），并计划于2014年给所有集装箱码头安装岸电设备[7]；2008年长滩港首次将岸电电源技术应用于油轮码头，这套油轮供岸电系统上船电压为6.6 KV，功率可以达到10MW；国外岸电电源技术应用和发展迅速，其使用范围也从最初的滚装、邮轮码头扩大到集装箱、油轮和天然气码头。现阶段，国外拥有港口供岸电技术的公司主要包含ABB、Simens和Cavotec等公司[8]。它们在岸电电源的一些关键技术上也具有领先地位，例如Cavotec公司的高压快速接头和电缆管理系统，ABB公司的供岸电电源使用的静止频率变换器PCS 6000等[9]。

相较而言，我国在靠港船舶供岸电方面的发展起步较晚，但国内部分港口也在积极尝试该项新技术。2009年，青岛港招商局完成了5000吨级内贸支线集装箱船舶供岸电的改造[10]；2010年，上海港外高桥港区在二期集装箱码头安装了一套移动式的岸基船用变频变压供电系统，但该系统仅针对集装箱船舶，且工程规模较小[11]；2010年，连云港港口首次将高压上船的船舶供岸电系统应用于“中韩之星”客货两用船上；2011年，连云港与河北远洋公司的18万吨级的“富强中国”号船舶合作开发和研制第二套船舶岸基供电系统接驳岸电成功[12]； 2014年，位于天津港的“太平洋东二、东四泊位岸基船舶供电项目”在太平洋码头建成[13]；2015年，日照港的首套民用高压船舶岸电系统正式投运[14]；2016年，福建高压船舶岸电项目正式投运，设计供电容量3000 KW，预计实现年电能替代量150万kW.h，减少排放物近1000t[15]。

随着我国经济迅速发展，航运贸易呈现出蓬勃发展的趋势，船舶供岸电在我国港口的发展前景广阔[16]。

2 岸电系统结构及供电模式

2.1 岸电系统结构

船舶岸电系统主要由3部分组成[17]：岸上供电系统，船岸交互部分和船舶受电系统，其示意图如图1所示。

图1 船舶岸电系统结构

1）岸上供电系统

岸上供电系统是将电力从高压变电站连接至码头接线箱，可根据靠港船舶的电压以及频率需求完成相应的电压等级变换、变频、与船舶受电系统不停电切换等功能。

2）船岸交互部分

船岸交互部分是指连接码头接线箱及船舶受电装置之间的电缆连接设备，为满足实际应用需求，电缆连接设备应满足可快速连接和方便储存的要求，在不使用期间可放置于岸上、船上或者驳船上。

3）船舶受电系统

船舶受电系统是在船舶固有配电系统的基础上安装特定的岸电受电系统，其结构主要包含电缆绞车、船载变压器和相关电气管理系统等。船舶电站发电机的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 11 kV，6.6 kV(60 Hz)，6 kV(50 Hz)，低压船舶电站电压等级为 400 V(50 Hz)和 440 V(60 Hz)。

传统船舶电力系统以交流电制为主，因此，世界上已有的岸电项目都采用交流电制。但不同地区的不同港口为船舶提供的岸电电压、频率不尽相同，如北美地区港口提供岸电的频率为60 Hz，我国及欧洲大部分国家则为50 Hz[18]。

2.2 岸电电源系统供电模式

岸电电源系统根据受电船舶的电压等级及岸电变流器的电压等级可分为以下四种结构形式：低压船舶/低压岸电变流器、高压船舶/低压岸电变流器、低压船舶/高压岸电变流器、高压船舶/高压岸电变流器[18]。

1）低压船舶/低压岸电变流器

图2 低压船舶/低压岸电变流器供电模式结构图

低压船舶/低压岸电变流器供电模式结构图如图2所示，可将其分为岸上、船上两个部分。港口输入频率为50 Hz的市电电压10 kV或6 kV，经降压变压器降为690 V或380 V的低压电后输入岸电变流器，再经变流器变压变频至60 Hz后输入升压变压器，由升压变压器升压至11 kV或6.6 kV再送至码头岸电箱，码头岸电箱用电缆将电力传输至岸电配电板，再经船上降压变压器降压后送至船舶配电板以满足低压船舶负载需求。

2）高压船舶/低压岸电变流器

图3 高压船舶/低压岸电变流器供电模式结构图

高压船舶/低压岸电变流器供电模式结构图如图3所示。该供电模式下，岸电配电板直接将11 kV或6.6 kV高压电供给船舶配电板，以满足大型船舶的用电需求，无需在岸电配电板与船舶配电板间装设降压变压器。

3）低压船舶/高压岸电变流器

图4 低压船舶/高压岸电变流器供电模式结构图

低压船舶/高压岸电变流器供电模式结构图如图4所示。该模式直接将10 kV/6 kV的50 Hz市电输入岸电变流器，经岸电变流器变频后的电力由升压变压器升压至11kV/6.6 kV，再通过码头岸电箱和电缆将电力传输至岸电配电板，最后通过船舶自带的降压变压器降压至440 V，从而为低压船舶负载供电。

4）高压船舶/高压岸电变流器

图5 高压船舶/高压岸电变流器供电模式结构图

高压岸电/高压船舶供电模式结构图如图5所示。该供电模式直接将码头岸电箱的输出电力经电缆与船舶配电板相连以供给高压船舶负载，无需再配船上降压变压器。

上述四种岸电系统供电模式可以针对不同电压等级的船舶灵活调整其输出电压等级和频率，以满足不同船舶的应用需求。

3 岸电变流器

为满足国内外不同船只的用电需求，岸上供电部分的变流器环节将起到至关重要的作用。本节将重点分析岸电变流器并阐述其工作原理。岸电变流器是岸电电源系统的核心，其主要由整流器和逆变器两部分组成，可对电网工频电压进行变换、变频等功能，以满足不同电压等级船舶及部分额定频率为60 Hz的船用负载需求。

可实现变频功能的变流方式有交交变频和交直交变频两种。交交直接变频电路的最高输出频率会受到电源频率的限制，为了降低谐波的影响，一般不超过电源频率的三分之一，因此该变频方式不适用于岸电系统，现有岸电变流器的拓扑通常采用采用交直交方式。而交直交变流方式下的船用岸电变流器主要有以下几种拓扑结构：不控整流器与逆变器组合、后接升压环节的不控整流器与逆变器组合、双三相全桥PWM逆变器及基于单元串联多重化拓扑的岸电变流器[19-20]。其中，不控整流器与逆变器组合拓扑根据其逆变器的不同又可分为：基于IGBT串联二电平拓扑的岸电变流器、基于中性点箝位三电平拓扑的岸电变流器等。接下来将针对几种应用较为广泛的岸电变流器拓扑进行详细介绍。

3.1 不控整流器与PWM逆变器组合

二极管不控整流器与PWM逆变器组合构成的岸电变流器结构图如图6所示。

图6 不控整流器与PWM逆变器组合结构图

二极管不控整流器先将市电输入的50Hz交流电整流成脉动的直流电，经电容滤波后作为PWM逆变器的输入；逆变侧由全控型器件组成的PWM逆变器将直流电逆变为60Hz交流电输出。该类拓扑结构优点在于：整流侧结构简单，不需要额外的控制电路，缺点在于：采用不可控的整流器件，直流电压脉动较大，会对电网产生严重的谐波污染。

该类变流器根据逆变器的不同又可分为：基于IGBT串联二电平拓扑的岸电变流器、基于中性点箝位三电平拓扑的岸电变流器。

1）基于IGBT串联二电平拓扑的岸电变流器。基于IGBT串联二电平拓扑的岸电变流器结构如图7所示。

图7 IGBT串联二电平拓扑变流器

由图7可知，此时逆变器由12个可控IGBT构成，每个桥臂由4个IGBT串联而成以降低每一个IGBT所承受电压应力。该拓扑结构变流器的优点在于其结构简单，并且使用的功率器件数量较少。缺点是：a) 功率器件串联需要采取均压措施，大大增加电路复杂程度；b) 二电平结构开关过程中功率器件所承受的电压变化率较大，容易对系统产生干扰，带来电磁兼容性问题；c)输出电压谐波畸变率高，需采用滤波器对输出进行滤波，但高压输出所使用的滤波电感、电容制造较为困难。

2）基于中性点箝位三电平拓扑的岸电变流器。基于中性点箝位三电平拓扑的岸电变流器结构电路如图8所示。

图8 中性点箝位三电平拓扑变流器

这种拓扑结构下每个功率器件承受的反向电压为母线电压的一半。逆变部分由于采用了中性点箝位三电平拓扑结构，因此可以避免因功率器件串联而导致的均压问题，并减少逆变输出侧的谐波，还可以降低因开关过程中电压变化率较大所产生的电磁兼容性问题。中性点箝位三电平结构的优点在于：电路结构简单，所需的功率器件数量少，成本较低，体积小且可靠性高。缺点是：a)当输出电压要求高于现有高压IGBT耐压水平时，仅采用12个功率器件难以满足输出电压要求，此时必须采用器件串联的方式，该方式将会带来均压问题，并导致成本增加，还会极大地影响系统的稳定性；b) 输出电压波形中谐波分量较大，因此需要在输出侧增设LC滤波器。

3.2 后接升压环节的不控整流器与逆变器组合

后接升压环节的二极管不控整流器与PWM逆变器组合构成的岸电变流器结构图如图9所示。

图9 后接升压环节不控整流器与PWM逆变器组合结构

该拓扑特点在于其中间环节增加了DC-DC Boost升压环节，因此，这种拓扑的变流器可在市电电压水平较低的情况下，直流母线电压仍可保证在一个较高水平。其优点在于，在升压环节的作用下，逆变器侧所需直流母线电压可稳定在相对较高的电压水平，既增加了逆变器的输出能力，又提高了逆变器开关器件的利用率。

3.3 基于双三相全桥PWM逆变器的岸电变流器

基于双三相全桥PWM逆变器的岸电变流器结构图如图10所示。

图10 双三相全桥PWM逆变器变流器结构

该拓扑相较于前述两种拓扑结构而言，区别在于其前端采用全控型PWM整流器替换前述的不控二极管整流器。该拓扑下的变流器最大的特点是可将网电整流成恒定的直流电，从而为逆变器提供稳定的直流源，并且两侧功率因数均可调。

3.4 基于单元串联多重化拓扑的岸电变流器

基于单元串联多重化拓扑的岸电变流器结构电路如图11所示。

图11 单元串联多重化拓扑变流器

多重化高压变流器是由几个低压PWM功率单元串联而成，输出的三相高压电能可根据负载需求实现频率的变换。功率单元通过高速率光纤接收信号，采用空间矢量正弦波脉宽调制方式，控制功率器件低压IGBT导通与关断，每一个低压功率单元均可以产生1、0和-1三种电平。这种采用多重化技术的高压变流器，既可实现高压输出，又无需考虑功率器件均压问题。虽然单个功率单元会承受全部输出电流，但是每一个功率单元仅需承受部分输出电压和输出功率。多重化结构的高压变流器具有以下优点：a)单个功率单元输出电压低，因此可以使用技术成熟、稳定的低压IGBT构成逆变器；b) 可根据输出电压要求串联不同数量的功率单元，适用范围广；c) 输出波形稳定，能够满足多种工况使用；d) 各个功率单元的参数相同，具有冗余功能，当其中的某一个功率单元出现故障时，可以采用短路该故障单元的方式保证整个系统正常运行。该结构的其缺点在于：多重化技术使用的功率单元及功率器件数量太多，会使得变流器体积和重量较大，造价较高。

4 岸电电源系统技术展望

结合新形势下船舶负荷需求及响应国家政策大力发展清洁能源的背景下，对岸电电源系统技术做如下展望：

1）为满足大负荷或大功率船舶岸电供给，链式H桥结构的电力电子变压变频电源技术将进一步得到发展，如何解决采用多重化技术的电力电子装置同时还能保证岸电设备模块化、集约化还有待研究；

2）通过对变频器应用宏的编程，使普通变频器具有变频电源的使用功能，如电压调节功能，电源的输出电压不会因为负载的增大而下降，而且，在一定范围内，输出电压和频率都可以独立调整。

3）岸电变频电源可根据负载情况，周边用电的环境提出综合谐波抑制对策。主要作用是能够控制和保证输入变频器的电网电能质量。

4）岸电电源向电机类负载供电时，由于电机启停比较频繁，启动瞬时冲击电流远远大于电机的额定电流，这种瞬间大电流会导致岸电电源的输出电压急剧下降，影响系统正常工作。系统在冲击负载作用下保持稳定性能有待进一步提升。

5）岸电电源需要满足大功率的要求。尤其在给船舶电机类负载供电，岸电电源的功率需要大于电机所需功率的数倍，以满足电机启动瞬间的功率需要。但大功率往往意味着大体积，会占据码头空间，减小电源系统体积同时提高其输出能力是未来轻型智慧化码头发展的趋势。

6）利用港口风电、潮汐能等资源丰富的特点，未来可能考虑建立新能源互联的港口岸电技术，将风能、潮汐能等清洁能源通过面向港口的模块化多电平电力电子变压器、能量路由器连接至电网，并同时给船舶负载供电。因此，面向港口的模块化多电平电力电子变压器、能量路由器将为港口清洁能源供电提供更多可能。

5 总结

本文对港口船舶岸电电源系统研究进行了较全面的综述。首先对国内外关于岸电电源系统的研究现状进行阐述；然后对岸电系统结构及供电模式进行较为全面的总结；最后对岸电电源系统中的变流器进行了重点研究，对比了现有的各类岸电变流器拓扑结构，并对各变流器工作原理进行了简单阐述，对各拓扑下的变流器优缺点进行了分析与阐述，为不同场景下选择岸电变流器提供了一定指导意义。

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Review of Development of the Shore Power System for Port Ship

Liu Du1, Sun Jiaxing2, Qiao Kangheng3, Xu Jianchao3

（1.State Grid Hubei Electric Power Co., Ltd. Maintenance Company, Wuhan430000, China; 2. Navy Military Representative Office, Wuhu, 241000, China; 3. College of Electrical Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan430033, China）

U653.95

A

1003-4862（2021）06-0029-06

2020-12-24

刘杜(1988-)，男，工程师。研究方向：电力系统及其自动化，E-mail: 1379272902@qq.com