（神华天津煤炭码头有限责任公司）
摘要：船舶岸电技术是近年来在国内快速发展的绿色能源技术。特别是最近几年，环保问题引起了全社会的广泛关注，船舶岸电也成为国家强制推广的防止污染措施。本文先对船舶岸电技术的整体发展和现状进行了梳理，然后对岸电装置的结构组成和主要电源形式进行了介绍，在文章最后对实际运用中常见的励磁涌流问题进行了分析。
一、船舶岸电技术的发展及国内现状
当下，全球经济一体化趋势越发显著，虽然世界经济仍在底部徘徊，但仍有接近90%的国际贸易是通过海洋运输完成。而伴随着船舶运输所产生的污染问题也越来越严重，特别是船舶靠港期间。船舶靠港时为满足船舶用电需求，传统方式一般采用船上辅助发电设备。辅助发电设备需要消耗大量的重油用以供电，不仅会对船上人员和港区人员的正常生活和工作产生影响，而且消耗了不可再生资源，更重要的是造成了极为严重的空气污染、水资源污染。
为减少船舶靠港期间船上发电设备运行所带来的种种问题，美国最先发起替代船上发电动力计划（Altemative Maritime Power，简称AMP），提出要求船舶靠泊后停止使用船上辅助发电设备，改用码头设施进行供电，这即是船舶岸电技术的雏形。
此后，2007 年 4 月，国际标准化组织发布 ISO/WD 29501《岸电供应标准草案》，这也是船舶岸电技术相关的第一个国际化标准。而从2012年开始，国际电工委员会、国际标准化组织、国际电气和电子工程师协会联合发布的 IEC/ISO/IEEE 80005可以说是现行国际上公认的岸电系列标准。
相对来说，我国的船舶岸电技术发展较晚。2011年开始实施的《GB/T 25316-2010 静止式岸电装置》只是对岸电装置基本的运行要求和试验项目进行了描述。后来，直到2015年开始实施的《GB/T 30845.1-2014》和《GB/T 30845.2-2014》进一步对高压岸电连接系统（HVCS系统）进行了要求。可见，国内现行的船舶岸电技术标准并不完善。由于整体的技术标准不完善，这使得船侧和岸侧岸电设备的配套造成了困难，加之技术推行的经济效益不明显等等一系列问题，国内岸电技术的推行进展十分缓慢。
直到近几年，环保问题逐渐引起了国家和全社会的广泛重视。2016年，交通运输部率先印发了《靠港船舶使用岸电2016-2018年度项目资金申请指南》。2017年交通运输部继续发布了关于《港口岸电布局建设方案》的征求意见稿，意见稿中对2018年-2020年几乎国内所有的主要港口岸电设施建设数量及泊位覆盖率进行了详尽的要求。可见，国内对于船舶岸电技术的推进放到了相当重要的位置，可以预见在2020年前国内的船舶岸电技术的发展和应用将突飞猛进。
二、船舶岸电技术的系统构成和电源结构形式
（一）船舶岸电技术的系统构成
船舶岸电技术的系统构成大致可以分为三个部分：岸上供电系统、电缆连接设备和船舶受电系统。
图1：典型的高压岸电系统结构
1.岸上供电系统
岸上供电系统是将高压变电站交流市电经变频、变压后，供应到靠近船舶的连接点。按照其设备组合方式不同，大致可以分为以下三种典型的配置方式：
（1）分布式配置方式
在这种方式中，每个码头上均设置一个分站。码头的分站中有变压设备和变频设备。电网电力先经过主变电站，主变电站通过电缆将电能传输到各个码头，码头上的分变电站根据停靠船舶的需要提供50HZ／60HZ的电力，并把电压调至船舶所需要等级。这种分布式岸电电源的好处是有非常高的容错能力，任何一个码头分变电站出现问题均不会影响其他码头岸电电源的正常使用。而缺点是占用的空间较大，而且每一套分布设备都需要配置变压设备和变频设备，因此成本相对较高。
图2：分布式配置方式
（2）集中式配置方式
只有主变电站拥有变频设备，码头的分变电站只安装变压装置。电网电力通过主变电站后能够提供50HZ和60HZ的电力，每个码头根据停靠船舶的需要选择相应频率的电力。这种方式把频率的变换集中在主变电站，相对于分布式，容错能力较差，一旦主变电站的变频设备出现问题，整个岸电电源均受到影响。但是这种方式对码头的空间需求较低，同时大大减少了对变频设备的需求。
图3：集中式配置方式
（3）直流型配置方式
变频设备被分成两个部分，主变电站首先把电网电压降低，并经过整流设备把电力变换为直流，通过电缆传输到码头边，码头边的变电站安装的有逆变器，把直流电力逆变为交流电，再次通过一个变压器把电压变换为船舶所需的电压等级。每个码头均需要安装一个变压器和逆变器，且在主变电站和码头变电站之间的电力是通过直流传输，对码头的空间要求也比较高，但相对于第一种方式需求要小，且传输中的电能损耗更低。这种方式对设备的要求很高，现有的技术条件下难以实现。
图4：直流型配置方式
2.电缆连接设备
电缆连接设备是指连接岸上供电箱与船舶受电装置件的电缆和成套接口设备。为了尽可能的减少船舶在港时的废气排放和提高岸电使用效率，岸电系统就必须具备能够快速、快捷进行电力接驳的连接方式。为了达到这个目的，连接设备需要采用具有互换性的接口设备。
由于岸电连接系统的特殊性，国际电工委员会（IEC）于2011年发布了IEC62613《高压岸电连接系统用高压插头、插座和船用耦合器》作为岸电连接的标准文件。相较一般的工业用插头、插座标准，岸电系统所使用的连接设备拒用工作电压高、工作环境相对恶劣、通过电流大、控制线路复杂、防护等级和抗机械撞击防护等级更高等特点。连接设备的标准主要差异在表1中进行列出。
3.船舶受电系统
船舶受电系统是指在船上固定安装船舶受电系统。船舶受电系统一般由高压电缆卷车、岸电控制屏、高压进出线控制柜、高压变压器、低压柜等组成。
高压电缆卷车的功能是收放岸电连接电缆。卷车应具有拉力恒定功能，以确保随着船舶的摇摆、升降可以自动进行伸缩，保持电缆拉力恒定。同时，电缆卷车还应能够对剩余电缆进行监测，当剩余电缆达到报警值时发出报警，甚至切断高压，预防潮汐过低或飓风破坏。
岸电控制屏为岸电接入船舶的接入屏，是岸电使用时的核心控制设备，该控制屏一般组合在机舱集控室的主配电板内，主体结构与主配电板一致，额定电压为400V，由低压主断路器、控制单元、通讯单元等组成。
表1：IEC 62613岸电连接设备规范与GB/T 11918（11919）工业用插头设备规范差异
控制屏对船载岸电设备和岸基设备进行实时监控，对异常情况进行报警和保护。采用光纤和无线双通讯进行保障，与码头岸电系统构成网络回路，闭环调节电源供电参数，船、岸电网的状态、参数、报警等信息均通过网络进行互相交换。
控制屏设有人、机对话界面，船、岸电网的状态、参数、报警等信息均在此集中显示，对供电状况进行实时记录和永久保存。
控制柜上装有紧急停止按钮，与岸基设备相连，用于应急切断岸基供电电源。
（一）船舶岸电技术电源的结构形式
在高压岸电电源系统中，可以从现有的静止频率变换器的电压等级以及受电船舶的电压等级上分成以下四种结构形式：低压船舶低压静止变换器、高压船舶低压静止变换器、低压船舶高压静止变换器和高压船舶高压静止变换器。
本文以港口的电网电压为10kV或者6kV为例来分析这四种结构形式。
图5：低压船舶低压静止变换器结构图
4.低压船舶低压静止变换器结构
低压船舶低压静止变换器结构的高压岸电电源结构图如图5所示，输入降压变压器将10kV或者6kV降压至380V／690V，静止频率变换器将380V／50Hz或者690V／50Hz交流电变换为440V／60Hz，输出升压变压器将440V／60Hz升压至6.6kV或11kV，船舶岸电配电板和码头岸电箱之间通过带有快速拔插件的电缆连接。降压变压器将6.6kV或11kV降压至440V／60Hz。降压变压器根据实际情况可以放在受电船舶上，或者停靠码头的驳船上。
5.高压船舶低压静止变换器结构
系统结构形式框图如图6所示。通过输入变压器把电网10kV或者6kV电压降至380V／690V，然后经过静止频率变换器变换之后为440V／60Hz，再通过升压变压器把电压升至6.6kV／11kV，最后通过电缆管理系统把电力供给船舶。此种方式适用于船舶供电采用6.6kV／11kV的高压船舶，其不需要进行二次降压。
图6：高压船舶低压静止变换器结构图
图7：高压船舶低压静止变换器结构图
6.低压船舶高压静止变换器结构
系统结构形式框图如图7所示。静止频率变换器输入为10kV／50Hz或6kV／50Hz，静止频率变换器将10kV／50Hz或6kV／50Hz交流电变换为10kV／60Hz或6kV／60Hz，变压器将10kV／60Hz或6kV／60Hz变换为11kV／60Hz或6.6kV／60Hz，船舶岸电配电板和码头岸电箱采用带有快速拔插件的电缆。降压变压器将6.6kV或11kV降压至440V／60Hz。降压变压器根据实际情况可以放置在受电船舶上，也可放置在停靠码头的驳船上。
7.高压船舶高压静止变换器结构
系统结构形式框图如图8所示。此结构中给船舶输送电力时没有采用降压变压器，静止频率变换器把电网的10kV／6kV 50HZ的电力变换为60HZ，再通过一个升压变压器把电压升至11kV／6.6kV，然后通过高压电缆传送至码头的岸电箱。此种结构可以直接用于船舶供电采用高压6.6kV／11kV的船舶。
图8：高压船舶低压静止变换器结构图
以上四种高压岸电电源系统的结构中主要是根据其频率变换器的电压等级和船舶电压等级进行分类，对于不同的船舶可以采用不同的结构形式。各结构形式中所采用的静止频率变换器可以根据实际的船舶需要，灵活的调整其输出为60Hz或者50Hz，四种结构均可以输出60Hz或者50Hz的交流电。
根据前文，按照使用变频器的电压等级，高压岸电电源的4种结构形式可以分为两类：“高压输入一高压频率变换器一高压输出"和“高压输入—低压频率变换器一高压输出"两种方式，可以简称为“高一高一高"和“高—低一高”两种方式。其中图5和6对应“高—低一高"方式，图7和图8对应“高一高一高"方式。
“高—低一高"方式是指通过降压变压器将高压降为低压，低压静止频率变换器进行频率和电压变换，然后通过升压变压器降电压升高至6.6kV／11kV。“高一低一高"方式具有以下缺点：
•经过几次电压变换，系统效率低；
•体积大，占地面积大；
•单台容量小，大功率场合600kW以上需要采取多台并联方式，如果并联控制不合理，可能存在较大环流，导致系统效率进一步降低；
•一般电网侧采用12脉波整流，功率因数低，电网谐波电流较大。
高压岸电电源另外一种方式即“高一高一高"方式即直接输入高压，高压静止频率变换器进行频率变换和电压变换，然后通过升压变压器将电压升高至6.6kV／11kV。相对于“高一低一高"方式，具有以下优点：
•效率高；
•体积小，功率密度高；
•单台容量大，最大功率可达数十兆瓦；
•输入侧功率因数高、谐波小。
通过以上分析，“高一低一高"的高压岸电电源结构方式，在大功率场合不宜应用；高压静止变换器的结构方式具有较多的优势，“高一高一高"的高压岸电电源结构方式将在大功率高压岸电电源中广泛运用，采用高压静止频率变换器更能够满足岸电电源的要求。
三、实际应用中常见的励磁涌流问题分析与解决方案
在岸电系统中，联接高压与低压电网的变压器容量一般较大，是岸电系统中的重要设备之一，其正常运行对岸电系统整体影响很大。正常运行时，变压器的励磁电流很小，一般为额定电流的1%-2%。当变压器空载科扎投入电网运行时，铁芯中磁通开始以空载合闸前铁芯中的剩磁为起点，按电源电压波形积分关系变化。由于磁通饱和以及材料的非线性特性，励磁电流可能达到很高的数值，同时波形会产生严重畸变，形成励磁涌流。较高的励磁涌流可能会导致变压器继电保护误动，大量的谐波会使系统中的电能质量大幅下降，影响周围电气设备的正常运行。
为了抑制变压器空载合闸时产生的励磁涌流，通常有两类方法：
1.改变变压器结构
该方法是通过改变变压器的结构，来改变变压器一、二次绕组的分布，增加合战过程中变压器的自感来达到抑制励磁涌流的目的。但是，该方法改变了变压器内部结构，会增加变压器的整体造价，可能会对变压器的稳定运行带来影响。而且，依靠增加变压器自感来抑制励磁涌流，其效果并不显著。
2.采用预充磁技术
该方法是对变压器进行预充磁，通过限制励磁涌流的幅值，是暂态磁通快速消退，从而达到抑制励磁涌流的目的。就变压器一次侧较为常见的Δ接法，一般的预充磁方案主要有串联电阻及并联变压器两种方案。
（1）串联电阻法
串联电阻法实在变压器合闸时串联上合闸电阻，合闸后再将合闸电阻短路的方法。通过电力仿真可以观察到串联电阻对励磁涌流的效果较好。但是，最佳的串联电阻阻值并不固定，而是随着变压器剩磁大小的变化而变化。考虑到变压器剩磁大多分布在15—21Wb之间，通过表2可以观察到变压器串联电阻一般选择在20-50Ω。
表2：不同剩磁对应串联不同大小电阻时的励磁电流
（2）并联变压器法
图9：变压器预充磁接线示意图
并联变压器法一般是将容量较小（主变压器容量的1%）、变比相当的变压器与主变压器并接（图9）。在进行预充磁时，主变压器为预充磁变压器的负载，相对于变压器正常工作状态。预充磁变压器工作一段时间后，主变压器内部通过预充磁建立稳态的交变磁通。当主变压器开关闭合时，由于其内部磁通已趋近于稳定，因此不会正常系统的磁通突变，励磁涌流随之消失。
需要注意的是，虽然利用小容量变压器进行了预充磁，在主变压器合闸前前其绕组已建立了稳态磁通，但是如果合闸时机不合适，依然会产生较大的励磁涌流。从图10的仿真结果可以观察到，选择合适的合闸时机，对于抑制励磁电流的幅值水平是有相当影响的。
图9：不同合闸时机对励磁电流幅值的影响
通过上述分析，适合于Δ接线的变压器可以采用串联电阻法和并联变压器法两种预充磁方案。串联电阻法对于励磁电流抑制效果稍差，但其方便实现。并联变压器法其抑制效果较好，但是前提是能对合闸时机进行较好的控制。从实用性上说，并联变压器法是相对较好的解决方案。
四、总结
在《港口岸电布局建设方案》中同时明确了将拟定船舶岸电技术的相关国家标准。可以想象，在不远的将来船舶岸电技术即将迎来爆发式的发展，而相关技术标准也将愈发规范化、标准化。
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论文作者:王培
论文发表刊物:《电力设备》2017年第24期
论文发表时间:2017/12/20
标签：变换器论文; 船舶论文; 变压器论文; 高压论文; 方式论文; 低压论文; 结构论文; 《电力设备》2017年第24期论文;