集中式供电的船舶岸基供电系统

张子才

(宝山钢铁股份有限公司运输部,上海 201999)

船舶靠港后,船员的生活、照明及船上的水泵、锚缆机等部分设备运转仍然需要船上的辅助发电机提供电源。发电机使用的燃油制品多为重油、柴油,不仅能耗高,而且会造成较大的环境污染,包括因重油和柴油在燃烧过程中所产生的大量硫化物和氮氧化物对周边环境造成的污染,以及船舶使用发电机引起的噪声污染。宝山钢铁股份有限公司宝山基地原料码头现有9个泊位,目前所有泊位都没有配置岸电设施,作业船舶靠岸以后,均使用船舶自带柴油发电机供电。原料码头靠泊的国轮和外轮,在船舶的电压等级、电源频率、用电容量等方面都有较大差异,无法采用简单的供电方案予以解决。集中式配置分布式供电的船舶岸基供电系统是解决这些问题的最佳选择。

1 岸基供电系统

1.1 系统配置和单线图及各部分说明

大容量高可靠岸电电源技术需要适应为多种船舶供电服务[1-2],要求电源系统具有良好的通用性和接入能力。宝钢原料码头采用的集中式配置分布式供电的船舶岸基供电系统,包括输入变压器(降压)、变频电源(整流、逆变、滤波)、输出变压器(升压、隔离)输出6 kV/50 Hz或6.6 kV/60 Hz交流电,由6.6 kV开关柜以电缆方式引接至码头前沿的岸电接电箱。岸电系统单线图见图1。

图1 岸电系统单线图Fig.1 Single line diagram of the shore power system

本项目码头前沿共有3个泊位,每个泊位设置1个高压岸电插座箱,每套岸电纳入岸电管理系统中,每个泊位采用一路独立供电的6.6 kV变频装置。连接器通过导入接触插芯的元件实现电气互锁,在实际操作插头插座连接和断开过程中,接触器是最晚实现连接也是最早实现断开的插芯,可实现快速、安全、可靠的连接。箱体防护等级IP65,插座防护等级IP67。作为唯一的岸基与船舶的供电连接点,岸电接电箱应选用带有机械联和电气锁控制的岸电箱,采用人工操作。岸电应有相应的保护,在插拔岸电箱时应保证在不带电的情况进行,岸电箱具防凝露功能,在与船电系统联接时与船电系统形成一个整体系统进行保护,具有从船—岸电接口箱—变频电源站一个整体系统的安全联锁功能[3-4]。

1.2 方案优势及配置特点

变频装置采用针对岸电电源应用需求特点定制开发的岸电专用变频电源。变频电源选用低压变频模块、多组并联方式,在某一模块故障时,其他模块可独立运行使用;采用模块化设计,具备扩展能力。

10 kV供电输入变频变压系统,经过变频变压系统处理并经隔离变压器后,可输出45～65 Hz、0～7 000 V三相交流电压,可预设50 Hz/60 Hz两个固定频率点,并提供分辨率0.01 Hz的频率精细微调功能。

在本系统中,输入按2 500 kVA配置,输出两路独立可变频变压的电源,容量分别为800 kVA和2 000 kVA的船舶供电系统。

变频变压设备具有额定功率20%的逆功率10 s的回收能力,吸收在并网操作过程中(尤其是被动并网的操作过程中)可能产生的准同期并网状态下的逆功率,保证并网过程的顺利进行,完成岸—船电网的顺利并列。电气柜体采用热涂锌钢板制作,内部布局电气结构合理、美观,可有效屏蔽柜内的部分EMC传导和辐射。

2组变频电源均采用4组整流模块并联,形成24脉波整流;其中800 kVA变频电源逆变采用2组逆变模块并联,2 000 kVA变频电源逆变采用5组逆变模块并联。

本项目采用的整流模块额定电流600 A,单组整流模块容量为750 kVA,4组并联组成24脉波整流回路,容量满足120%裕量需求。

逆变模块采用额定电流400 A,单组逆变模块容量为480 kVA,800 kVA电源逆变容量960 kVA,2 000 kVA电源逆变容量2 400 kVA,容量满足120%裕量需求。

变频装置具有故障穿越能力,可实现故障在线退出并仍能保证系统继续正常运行,以增加输出的连续性和可靠性。

变频装置输出侧配置专门滤波单元,确保变频装置输出侧输出电能质量优于国标要求。

1.3 使用操作说明

为保证岸基供电系统运行的安全性、可靠性,提高供配电系统的自动化水平,配置1套本地及远程监控系统,如图2所示。在岸电电源本体PLC控制柜中实现屏幕显示及实时控制,通信上传远程监控系统实现后台监控。

图2 本地及远程监控系统结构图Fig.2 Structure diagram of local and remote monitoring systems

本地及远程监控系统的范围包括岸基供电系统的输入10 kV配电系统、变频电源本体、变频电源输出系统及配套设备,远程监控系统的后台监控主机设在业主指定监控室。

2 控制策略

2.1 恒频稳压控制策略

由于本系统为电源产品,与变频器等其他设备相比,要求系统具有较高的输出电压精度和快速的动态响应。传统的高压逆变电源大多采用输出电压有效值控制或输出电压瞬时值控制,输出电压有效值控制是将输出电压有效值作为被控对象[5-6],由于有效值计算需要在基波周期内对输出电压波形进行均方根计算,故系统的响应速度一般都比较慢,很难满足高动态响应的要求。输出电压瞬时值控制虽然动态响应速度相对较快,但由于被控量为交流量,采用传统的PI控制将会有静差存在,输出电压无法完全跟踪给定电压的变化,输出电压精度相对较低。本系统对输出电压采用了基于d-q-0同步旋转坐标变换的PI控制方法(图3),首先对系统三相输出线电压进行d-q-0同步旋转坐标变换,将a-b-c静止坐标系下的三相交流量变换成了d-q-0同步旋转坐标系下的直流量,在d-q-0同步旋转坐标系下对直流量进行PI控制,解决了系统静差的问题,保证了输出电压较高的精度。而d-q-0同步旋转坐标变换是对系统三相输出线电压瞬时值进行变换,所以在d-q-0同步旋转坐标系下进行PI控制属于对输出线电压的瞬时值进行控制,因此系统具有快速的动态响应,当系统输出电压因扰动而发生突变时,控制系统能使输出电压迅速地恢复到额定值。

图3 恒频稳压控制框图Fig.3 Block diagram of constant frequency voltage stabilization control

2.2 无缝切换控制策略

变频电源输出电压采用闭环控制,将滤波器输出电压跟踪给定电压作为控制目标,从而稳定隔离变输出电压,船岸连接控制过程如下:①岸上变频电源接收到船侧合闸允许送电的信号后,岸电电源将电接至船舶;②船舶检测装置将判定岸电电源相序、频率、电压是否与船舶一致,船侧同期装置开始调节船舶发电机的发电电压的频率、相位、幅值与岸上电源的频率、相位、幅值之间的偏差,当偏差在允许的范围时岸电电源并入船舶电网,此时岸电与船侧发电机同时供电;③船侧调节发电机功率逐渐减小,岸电电源功率逐渐增大,当船侧功率小于一定值时切断发电机开关,完全由岸电电源供电,岸电电源并网完成。

船岸供电运行时,船舶负载变化使输出隔离变压器产生压降,变频电源可自行调高输出电压,增加变频电源本体的输出电压,从而确保船舶设备供电电压稳定在所需电压。

2.3 虚拟发电机功能

为了使岸电电源准确模拟发电机特性,并且适应多种并联接入能力,提高岸电系统的适用范围和经济性[7],本文采用基于虚拟同步发电机的岸电逆变器控制策略,在岸电逆变器的控制环路中人为地引入发电机的机械运动方程,通过模型中转动惯量的引入,使得逆变器具有与发电机相似的电气和机械特性,并且将实现系统下垂特性的功频控制器模块和励磁控制器模块引入该控制策略中,使岸电电源的逆变器侧具有与发电机相似的输出下垂特性。虚拟发电机控制框图如图4所示。

图4 虚拟发电机控制框图Fig.4 Virtual generator control block diagram

2.3.1 虚拟发电机

为了实现同步发电机的基本特性,并简化模型,采用同步发电机的二阶机电暂态模型,见式(1)、(2):

E0=U+IRa+jIXs

(1)

(2)

式中:Eo为励磁电动势;U为电枢端电压;I为电枢电流;Ra为电枢电阻;j为向量变换系数;Xs为同步电抗;J为转动惯量;ωm为机械角速度;Tm为机械转矩;Te为电磁转矩。

取极对数np=1,则电角速度ωe=ωm,式(2)可变换为式(3):

(3)

(4)

式中:ωN为同步电角速度;Pm为机械功率;Pe为电磁功率;θ为电角度。

由式(1)、(3)、(4) 可建立虚拟发电机模型。

本方案引入了频率反馈环节,使得逆变电源能够跟踪电网频率,同时采用并网电压闭环控制以保证并网电压稳定,可以无偏差地实现频率和电压的稳定。

2.3.2 虚拟发电机功频控制器设计

本方案参考同步发电机调速器原理,虚拟同步发电机功频控制器设计如图5所示,图中f为系统实际频率,fN为系统额定频率,PN为虚拟同步发电机在额定频率下的初始输出有功功率,Pm为虚拟同步发电机实际输出功率。

图5 功频控制器框图Fig.5 Block diagram of power frequency controller

发电机的频率调差系数R见式(5):

(5)

上式标幺化后可表示为式(6):

(6)

频率调差系数表示发电系统负载突变时相应的频率变化,决定了机组之间的有功功率分配。

2.3.3 虚拟发电机励磁控制器设计

无功功率不平衡会导致系统电压的波动,在电网中,为实现系统电压的稳定,通过改变发电机励磁电流的大小来调节发电机无功功率的输出值,从而维持系统无功功率平衡。但是,无穷大系统在实际中并不存在,电网电压将随负荷的波动而变化。

参考发电机的电压调节特性,虚拟发电机励磁控制器如图6所示。

图6 励磁控制器框图Fig.6 Excitation controller block diagram

图6中Qref为虚拟发电机在额定频率下的初始无功功率,当系统实际无功功率Q波动时,会偏离无功功率初始值QN,为实现对并网电压的闭环控制,将得到并网电压的幅值指令Uref与反馈的实际并网电压幅值Um相比较,经过PI控制器得到的Eo作为虚拟发电机控制算法模型中励磁电动势的幅值。

电压调差系数σ见式(7):

(7)

式(7)标幺化后可表示为式(8):

(8)

电压调差系数可以表示发电系统负载突变时相应的电压变化,决定了机组之间的无功功率分配。

3 实际应用情况

3.1 船级社测试情况

集中式供电的船舶岸基供电系统在宝钢原料码头安装调试完成后,依据JTS 155—2019《码头船舶岸电设施建设技术规范》、JTS155—1—2019《码头岸电设施检测技术规范 》、IEC 80005—1 Utility connections in port-Part 1:High Voltage Shore Connection (HVSC) Systems-General requirements、GD07—2018《船舶岸电岸上供电设施检验指南》(中国船级社)等标准,中国船级社进行高压开关设备工频耐压试验、电缆耐压试验报告审核、绝缘电阻检测、保护功能及其整定值检测、系统联锁功能试验、控制设备功能试验、相序检测、电能质量检测、突加、突卸负载试验(0—50%—100%、100%—0)、带载试验、额定负载运行试验、过载运行试验(110% 60 s)、电源切换等项目测试,各项指标合格,通过了中国船级社认证。

3.2 实际连船情况

在本文设计的大容量岸电回路架构下,通过采用虚拟发电机控制方法,实现了良好的供电运行。在实际连船运行中,获得如下实测结果:

第一次联船:**轮561号,用电463.32 kWh,连续6 kV 50 Hz供电48 h;

第二次联船:**轮508号,用电5 266 kWh,连续6 kV 50 Hz供电48 h;

第三次联船:**轮561号,用电1 925 kWh,连续6 kV 50 Hz供电48 h。

4 结语

稳定高可靠、稳健并联是大容量岸电供电技术的关键。船舶在停岸后,需要岸电快速有效地与船侧电源进行并联,逐步主导功率并替代船侧电源,要求岸电电源有稳健的并联和功频/电压调控能力。本文通过对大容量岸电电源连船稳健并联运行控制方法的研究,设计了基于虚拟发电机控制的岸电—船电并联运行控制策略。通过构建虚拟功频下垂控制和电压下垂控制,当系统运行在连船工况时,可以实现岸电电源与船侧电源负荷与电压的平衡配置,使得岸电电源具备稳健的交流并联构网能力,同时为本文设计的无缝切换提供了控制基础,在岸电—船电并联运行成功后,通过功频/电压调节,使岸电主导负荷供电并实现对船侧电源替代。本文所研究的岸电控制策略对于不同容量参数、不同特性的船舶,均可适用,对于其他交流并联供电系统应用也具有参考借鉴价值。