港口船舶高压岸电电源的研究与应用＊

刘玉振 刘倩

（1.许继电源有限公司，河南许昌 461000；2.国网重庆市电力公司，重庆 400000）

0.引言

港口船舶高压岸电电源，是船舶靠港期间，船舶柴油发电机停止运转，将船舶用电接入陆地侧岸电电站，从而获得船舶电力设备所需的电力[1-2]，减少大气污染物排放，改善港口空气质量、降低噪声与港口区域的振动，降低船舶靠港口或者码头成本，提高经济效益[3]，保障港口或者码头行业健康可持续性发展。

随着岸电系统写入“十二五”规划，相应的政策逐步稳定的推出。伴随着岸电的需求和政策的支持，船舶高压岸电电源得到了大力推广和应用。本文介绍了由监控系统、高压岸电电源和高压岸电接电箱组成的船舶岸电电源系统，提出了基于多绕组高脉波移相变压器和链式H桥逆变器的高压岸电电源拓扑结构，提出了基于虚拟同步发电机的分层控制网络架构。最后，研制了3MW高压岸电电源装置，应用实践表明了所设计装置的有效性和可行性。

1.岸电电源系统结构

船舶岸电电源系统是船用岸电技术岸侧供电部分的核心，其由监控系统、高压岸电电源和高压岸电接电箱组成，完成变压、变频、不停电切换及集中配置相关监测措施，示意图如图1所示。

图1 船舶高压岸电电源构成示意图

1.1 监控系统

监控系统主要包含服务器、监控计算机、模拟屏、以太网及现场总线网络等。在岸电监控室设置服务器，用于记录岸电系统的各种历史数据并经过以太网方式将控制信息、设备状态等信号传送至变电站内的监控计算机，运行人员在变电站内即可完成对整个岸电系统的状态监视、信息查询、设备操作，使运行人员远离噪音、振动等恶劣环境。在岸电监控室设置两台监控计算机，用于人员对岸电系统的监视和操作。其中一台设置为工程师站，一台设置为操作员站。监控计算机内置监控组态软件，编制各种组态画面，对岸电系统实时监视和控制。

1.2 高压岸电电源

高压岸电电源主要包括进线柜、软启动柜、输入变压器、变频电源、滤波柜、输出变压器、出线柜。船舶高压岸电电源进线开关柜电源取自港区10kV/50Hz高压电源，经变压变频电源变换为符合船舶电制要求的6.6kV/60Hz（IEC 80005-1）。船舶高压岸电电源信息通过以太网上传到网关，通过网关实现港口岸电监控系统与船舶高压岸电电源之间信息的交互。岸电监控系统与船舶通过光纤以太网通信，并实现岸电电源与船舶之间的信息交互。

1.3 高压接电箱

高压岸电接电箱含有高压主回路、光纤通讯、I/O信号等多种电缆接口，满足人工操作，快速插拔的要求，且设置机械连锁保护，确保人员操作时不带电。其直接将港口或者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，因此船舶上无需再配置降压变压器。

2.高压岸电电源

2.1 主电路拓扑结构

采用高—高方式的港口船舶高压岸电电源是岸基供电系统的一部分，将10kV/50Hz的电源经多绕组高脉波移相变压器和变频电源变换为6.6kV/60Hz的电源，通过输出隔离变压器配置的高压馈电单元向船舶供电并计费。图2示出高压岸电电源主电路拓扑原理图。

图2 高压岸电电源主电路拓扑原理图

高压岸电电源的主电路拓扑结构主要由进线单元、移相隔离变压器、高—高方式链式H桥变频单元、输出隔离变压器和出线单元组成。其中：移相隔离变压器[4]能够实现一、二侧线电压的相移和变频单元与电网间电气隔离，移相角采用30脉波。为了满足不同船只的用电需求，变频电源将起到至关重要的作用，二极管整流先将输入50Hz交流电整流成脉动的直流，经电容滤波后作为逆变器的输入[1]。变频逆变器采用高—高方式链式H桥[5]拓扑结构，根据脉波数进行5个单元相邻功率单元的输出端串联，构成11电平的级联逆变器，三相输出形成星型结构，实现60Hz交流电；功率单元是输入为三相输入不可控整流、输出为单相PWM电压源型H桥主电路拓扑结构，能够实现变压变频高压直接输出；功率单元需要承受全部输出电流，但是每个功率单元只需承担1/5输出电压，承受的功率为输出电压除以3[6]。

高压岸电电源采用链式拓扑方案，具有以下技术优势：（1）器件开关频率大幅降低，输出波形质量高，且电压谐波含量很少，提高了电源整体传输效率；输入采用多绕组移相变压器，电流谐波畸变率低，输入功率因数高；（2）容量范围宽、适合中高压大容量接入、上船电缆数量少、操作方便；（3）采用模块化结构，体积小、易扩容、易制造、易维护。

2.2 拓扑控制策略

高压岸电电源控制策略采用分层的控制架构，主要包括系统级控制、装置级控制和调制3部分。其中：系统级控制根据设定的电源制式、控制模式等，生成输出电压幅值和频率指令，主要实现虚拟同步发电机控制、同期控制和负载转移等功能；装置级控制根据电压幅值和频率指令，对输出电压进行闭环控制。虚拟同步发电机具有惯性和阻尼特性，在频率突变时，通过快速的功率控制向系统瞬时注入或吸收突变的有功方式实现模拟同步发电机的机电摇摆过程、减缓频率变化速度。阻尼特性在系统功率振荡期间，加速系统振荡衰减，主要由功频控制器、机械部分、励磁控制器3部分组成[7]。

功频控制器设计，可以定义有功—频率调差系数为Kp，由有功功率—频率静态特性可知：

机械部分设计，由牛顿第二定律可知，虚拟同步发电机的机械方程可表示为：

励磁控制器，定义调差系数为KQ，由无功功率—电压下垂静态特性可知：

因此，借助虚拟同步发电机使岸电电源在功能上模拟发电的外特性，从而改善岸电的稳定性，使其无扰动地并入船舶电网，且能够接受船舶能量管理系统的调度。虚拟同步发电机控制增加了系统的惯性特性和阻尼特性，避免负载波动或负载不平衡时频率大幅振动，该控制实现了岸电电源与船舶电网的并联运行和无功负荷分配。

3.实验

高压岸电电源的系统平其适用于船舶高压岸电系统，推广应用场合包括集装箱码头、散货船码头、邮轮码头、滚装船码头等港口。在实际工程应用中离网转并网，并网转离网均平滑无冲击；负载按照设定的斜率平滑从船侧转移至岸侧；负载转移时间可控。表明了所构建的高压岸电电源系统可以安全可靠的运行，且能够满足船舶对岸基电源的需求。

4.结论

通过以上对岸电电源系统结构的分析以及高压岸电电源拓扑结构和控制策略的理论研究，基于移相变压器和链式H桥逆变器的主电路拓扑结构，以及虚拟同步发电机的分层控制策略，能够实现高压岸电电源的安全可靠的运行，实际运行结果表明所设计装置的有效性和可行性，为高压岸电电源的推广应用提供了一定的借鉴意义。