國內(nèi)外港口岸電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)外港口岸電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

船舶接入電源技術(shù)是指船舶在港外使用船舶發(fā)電裝置，而不是向國家供電。港口提供岸電的功率應(yīng)能保證滿足停泊后全部電力設(shè)施用電需求,包括生產(chǎn)設(shè)備(艙口蓋驅(qū)動(dòng)裝置、壓載水泵等)以及生活設(shè)施、安全設(shè)備和其它設(shè)備,能對船舶實(shí)現(xiàn)不間斷安全穩(wěn)定供電,并能滿足不同國家不同電制船舶需求。一、國內(nèi)外岸電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀作為一項(xiàng)新興的綠色節(jié)能環(huán)保技術(shù),船舶岸電技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用,越來越得到世界各國的重視,可以說,誰擁有了領(lǐng)先的岸電核心技術(shù),誰就擁有了未來在國際環(huán)保以及海洋船舶、碼頭建設(shè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等方面的話語權(quán)。目前,包括美國在內(nèi)的諸多歐美國家正在積極加快岸電技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用,并著手起草國際標(biāo)準(zhǔn)。目前,國內(nèi)外岸電系統(tǒng)主要有以下幾類:上海港的低壓變頻岸電60Hz/50Hz,該系統(tǒng)雖然在船舶方面改造量比較小,需要加裝電纜連接裝置,但采用至少9根低壓電纜上船,線損大,操作復(fù)雜,而且占用作業(yè)空間大;洛杉磯港的低壓岸電60Hz直供電,該系統(tǒng)采用多根電纜,水上低壓電纜雙向接線,操作復(fù)雜,同時(shí)需另配泵船;哥德堡港的高壓岸電對低壓船舶50Hz直供電,該系統(tǒng)采用一根電纜,但需要在船上安裝變壓器,船舶方面改造很復(fù)雜;洛杉磯和西雅圖集裝箱碼頭高壓岸電60Hz直供電,該系統(tǒng)船舶改造和操作性方面都一般,沒什么突出優(yōu)點(diǎn)。二、集水區(qū)海上基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)方案分析廣州港集團(tuán)南沙港區(qū)三期工程建設(shè)6個(gè)大型集裝箱泊位,通過對碼頭的一系列分析,計(jì)劃方案分析如下:1.岸電系統(tǒng)供電能力靠港船舶接用岸電項(xiàng)目難度比較大,原因在于船舶來自不同的國家和地區(qū),采用的電制不盡相同,這就要求岸電需經(jīng)過變頻變壓處理,提供更為廣泛的用電制式,便于不同的船舶靠港接用岸電;根據(jù)泊位實(shí)際情況,考慮到未來發(fā)展,需要岸電系統(tǒng)具有較高的供電能力;岸電系統(tǒng)在運(yùn)行中要達(dá)到安全、穩(wěn)定和可靠,在接線、投切、線路保護(hù)方面要達(dá)到實(shí)際應(yīng)用要求;岸電系統(tǒng)在實(shí)際操作時(shí)要方便快捷,運(yùn)行成本、維護(hù)成本等較低,達(dá)到易用性要求;岸電系統(tǒng)要占用碼頭空間小,不能影響碼頭正常的生產(chǎn)作業(yè)。2.采用低壓-降壓兩種方案,主要解決兩現(xiàn)有的岸電方案主要有低壓方案、高低高變頻方案、高高變頻變壓方案,以往的岸電低壓方案均采用低壓調(diào)速通用變頻器,通用變頻器不是電源專用產(chǎn)品,正弦鋸齒波輸出,波形差,濾波效果差,輸出的不是船舶負(fù)載需要的理想正弦波,且對電網(wǎng)和負(fù)載干擾大。高低高方案采用高壓電源經(jīng)降壓,低壓變頻器并聯(lián)升壓至高壓,系統(tǒng)采用降壓-升壓兩個(gè)變頻器,系統(tǒng)占地面積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、諧波高、可靠性低、運(yùn)行效率低從而影響節(jié)能效果。本文建議方案采用高高變頻變壓方案,高壓輸入、低壓整流、高壓正弦波逆變輸出、微處理器總線控制的電源專用變頻技術(shù),輸出的是船舶負(fù)載所需的理想正弦波電源,對電網(wǎng)干擾非常小,效率高,占地面積小,性能十分穩(wěn)定。采用高壓變頻系統(tǒng)適用于包括大型集裝箱船舶在內(nèi)的世界各地各種高、低壓電站系統(tǒng)的船舶,使用范圍廣,電源的使用率高,投資收益比較高。3.低負(fù)載下的高效電路設(shè)計(jì)本方案采用高壓上船,兩根高壓電纜把岸基供電電力傳輸?shù)酱吧?線路壓降小,負(fù)載能力大,有利于設(shè)計(jì)較大功率的輸出電源,節(jié)約了從碼頭到船舶大量的低壓電纜,同時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)大電流連接器,船舶接用岸電時(shí)間短,效率高,并大幅降低了設(shè)備造價(jià)及使用成本。4.集裝箱船舶電力使用情況根據(jù)對廣州港南沙港區(qū)三期泊位設(shè)計(jì)裝卸作業(yè)船舶統(tǒng)計(jì)分析,需要由岸電提供電源的靠港船舶主要有6kV/50HzAC及6.6kV/60HzAC兩種供電制式,根據(jù)對集裝箱船舶電力使用情況調(diào)研計(jì)算,萬萬噸級(jí)船舶靠港作業(yè)時(shí),正常負(fù)荷容量約為1500kW左右,5萬-7萬噸級(jí)船舶靠港作業(yè)時(shí),正常負(fù)荷容量約為1200kW左右。同時(shí),通過對8530TEU集裝箱船舶負(fù)荷進(jìn)行研究計(jì)算,停泊裝卸工況下最大負(fù)荷為2450kW,去除發(fā)電機(jī)工作輔助設(shè)備消耗,使用岸電的最大實(shí)際負(fù)荷不超過2300kW。為了滿足實(shí)際應(yīng)用情況并兼顧將來發(fā)展,考慮投資的大小,單個(gè)泊位岸電設(shè)備輸出容量選為3000kVA,能滿足10萬噸級(jí)以下船舶靠港期間作業(yè)的供電負(fù)荷量。5.船舶用電源本方案變頻變壓系統(tǒng)將10kV/50Hz市電轉(zhuǎn)換成6kV/50HzAC或6.6kV/60HzAC的船用電制電源,通過高壓電纜輸送至船舶,同時(shí)在碼頭泊位前沿安裝兩個(gè)接線箱,采用新型連接工藝并聯(lián)連接,確保安全,滿足船舶兩需舷?？拷玉g岸電的需求,系統(tǒng)功能性強(qiáng)。6.設(shè)置分離式小壓電源系統(tǒng)通過對連云港港、青島港、秦皇島港等大多數(shù)港口集裝箱碼頭實(shí)地勘測得出結(jié)論,一般集裝箱碼頭前沿都沒有岸電系統(tǒng)安裝位置,沒有在碼頭前沿實(shí)施項(xiàng)目的可能性。建議采用分離式設(shè)計(jì),在碼頭變電所內(nèi)增加變頻電源系統(tǒng),變頻變壓設(shè)備安裝在電源室內(nèi),采用高壓電纜輸出的方式將高壓電源輸送到碼頭岸電接線箱,通過船載岸電連接設(shè)備將6.6kV/60Hz或6kV/50Hz連接至船舶上供船舶使用。碼頭接線箱采用地埋壁掛式,不占碼頭前沿空間。分離式設(shè)計(jì)布局合理,能實(shí)現(xiàn)碼頭前沿場地零占用,碼頭接線箱位置選擇合理,連接方便,操作簡單快捷。三、多泊實(shí)際供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案廣州南沙港區(qū)三期碼頭岸電供電系統(tǒng)建設(shè)將融入碼頭供電系統(tǒng)建設(shè)中,同時(shí)在變頻電站內(nèi)預(yù)留多個(gè)高壓出線柜,對應(yīng)多個(gè)泊位,滿足多泊位供電需求。在碼頭前沿新建兩個(gè)暗裝壁掛式高壓接線箱,滿足船舶兩舷?？拷玉g岸電的要求。1.高壓電纜電纜卷車安裝在靠近碼頭接電箱側(cè)中心區(qū)域集裝箱堆場的2號(hào)變電所內(nèi)布置高壓變頻電源及供配電設(shè)備,變電所設(shè)計(jì)為框架結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)布局符合變電所設(shè)計(jì)要求。變電所內(nèi)需要安裝高壓變頻電源裝置、高壓正弦波濾波器及相關(guān)電氣設(shè)備。10kV饋線與變頻變壓電源以及碼頭接電箱電源連接采用電纜連接,構(gòu)成船用岸電供電系統(tǒng),具有綜合保護(hù)裝置。采用高壓電纜,利用港區(qū)已設(shè)計(jì)的電纜溝等土建設(shè)施將高壓電纜敷設(shè)至碼頭前沿,船用電源經(jīng)船上高壓電纜卷車放下的兩根高壓電纜接至高壓接線箱,輸送到船舶上。如果是高壓船,直接連接至高壓岸電連接屏對船舶供電。如果是低壓船舶,通過安裝在船舶上的船載變電站,將電壓轉(zhuǎn)變成低壓后對船舶設(shè)備供電。碼頭接線箱和緊急停止箱安裝在碼頭面靠海側(cè),位置根據(jù)船舶預(yù)計(jì)?？课恢?、相關(guān)船載岸電連接設(shè)備(電纜卷車)的安裝位置以及電纜卷車電纜長度確定。采用地坑壁掛式設(shè)計(jì),不影響碼頭作業(yè)工作,其本體防護(hù)等級(jí)為IP67,嵌入安裝在碼頭前沿地表下,安裝坑地表上設(shè)置蓋板。碼頭接線箱插座與船載高壓插頭均采用符合標(biāo)準(zhǔn)的快裝安全接線裝置,以減少接線工作強(qiáng)度和船舶靠港的接線時(shí)間,提高工作效率。根據(jù)船舶的?？糠绞?考慮到船舶的左右舷靠泊,可通過相應(yīng)的保護(hù)隔離措施和連接工藝,將兩只碼頭接線箱并聯(lián)連接,滿足船舶供電需求。高壓岸電電源系統(tǒng)組成:高壓進(jìn)線柜、變壓器柜、功率柜、控制柜、濾波柜、高壓出線柜、碼頭接線箱、緊急停止箱。2.高壓電纜吊裝船岸電方案采用高高變頻變壓技術(shù),輸入電流諧波失真很低,綜合因數(shù)高,輸出電壓經(jīng)過濾波后為正弦波,諧波小,對電網(wǎng)不造成污染。采用高壓上船,兩根高壓電纜就可以把電源輸送到船上,線路壓降低,負(fù)載能力大,節(jié)省接駁時(shí)間,同時(shí)成本大幅降低。已有的低壓九根電纜吊裝上船岸電方案安裝十分不便,安裝難度大,時(shí)間長,一次對接要50分鐘以上,安全隱患大且需要多人配合才能完成安裝,同時(shí)成本也很大,9個(gè)接頭造價(jià)就超過50萬元。高壓電纜上船2根電纜通過電纜絞車只需兩人幾分鐘就輕松完成接駁。采用高壓變頻變壓使得向船舶提供的岸電可以實(shí)現(xiàn)多樣化,適合各種類型、各種電制的船舶;高壓傳輸距離遠(yuǎn),容易實(shí)現(xiàn)岸電電源與接電裝置的分離式分布,設(shè)備分布合理;使用高壓上船方案省去了每次船舶靠港后電站吊裝和多根低壓電纜對接工作。3.高壓交流電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)高壓變頻電源包括高壓變頻變壓設(shè)備和高壓正弦波濾波器,為了避免市電電網(wǎng)供電波動(dòng),避免濾波器、變壓器以及供電線路造成的電力壓降,避免大負(fù)載使用造成的電力壓降,保證供電電壓的穩(wěn)定,船舶接岸電系統(tǒng)采用多重穩(wěn)壓和補(bǔ)償措施。從濾波器輸出端進(jìn)行電壓取樣,反饋至高壓變頻控制端進(jìn)行閉環(huán)電壓穩(wěn)定控制。電源裝置采用若干個(gè)低壓PWM變頻功率單元串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)直接高壓輸出。該電源裝置具有對電網(wǎng)諧波污染極小,輸入功率因數(shù)高,輸出波形質(zhì)量好,諧波小等優(yōu)越的特性。10kV電網(wǎng)電壓經(jīng)過副邊多重化的隔離變壓器降壓后給功率單元供電,功率單元為三相輸入、單相輸出的交直交PWM電壓源型逆變器結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)變壓變頻的高壓直接輸出,供給高壓負(fù)載。流波形接近正弦波。由于輸入電流諧波失真很低,變頻器輸入的綜合因數(shù)可達(dá)到0.97以上。逆變器輸出采用多電平移相式PWM技術(shù),36電平輸出回路,輸出電壓非常接近正弦波,dv/dt很小。功率單元采用模塊化結(jié)構(gòu),同一變頻電源內(nèi)的所有功率單元可以互換,維修也非常方便。為使高壓變頻電源設(shè)備的穩(wěn)定性能夠更好的滿足用戶的要求,特在隔離變壓器后端添加電流采樣和電壓采樣反饋電路,使整體電源能夠?qū)崿F(xiàn)閉環(huán)反饋,從而來滿足不同的工況下電源的穩(wěn)定性。在變頻電源內(nèi)部,通過軟件設(shè)置,建立負(fù)載—電壓補(bǔ)償曲線模型,確保達(dá)到船舶用電電氣的電源規(guī)范要求。具體設(shè)計(jì)規(guī)格如下:輸入側(cè)為10kV交流電源,變頻電源內(nèi)部進(jìn)行AC-DC-AC轉(zhuǎn)換,輸出側(cè)6kV/50Hz或6.6kV/60Hz;輸入側(cè)為9n脈波控整流輸入,輸出側(cè)為2n+1相電壓輸出,其輸出波形幾近完美,諧波電壓和諧波電流滿足技術(shù)要求;額定工況下,系統(tǒng)總效率在96%以上;變頻電源額定輸出功率因數(shù)大于0.97,無需功率因數(shù)補(bǔ)償裝置,變頻電源的總體輸出電壓以變壓器的二次輸出電壓為基準(zhǔn),在濾波器和變頻電源之間進(jìn)行實(shí)時(shí)閉環(huán)控制;采用全中文操作平臺(tái),LCD液晶顯示,觸摸品直接操作,并可保存多達(dá)20套參數(shù)設(shè)置;功率單元結(jié)構(gòu)模塊化,可以互換,維護(hù)簡單。(2)高壓變頻電源電站高壓變頻電源系統(tǒng)由進(jìn)出線柜、變壓器柜、功率柜等設(shè)備組成,設(shè)備安裝在港口變電所內(nèi),所內(nèi)配有照明燈具、通風(fēng)裝置和空調(diào)。變頻變壓電源站建設(shè)融入到港區(qū)變電所設(shè)計(jì)中,結(jié)構(gòu)更為合理。(3)高壓接線箱高壓碼頭接線箱是將岸電電源的高壓饋線與船舶連接的裝置,擔(dān)當(dāng)了高壓供電連接、船岸通訊連接、船岸連接安全監(jiān)測的任務(wù)。箱內(nèi)裝有兩只標(biāo)準(zhǔn)的高壓電插座,與船舶連接簡單、快捷、可靠,僅需兩人即可完成船岸連接的操作;箱內(nèi)設(shè)備安裝的插頭插座配備了聯(lián)鎖裝置,當(dāng)高壓電纜斷纜或插頭沒有插入插座時(shí),聯(lián)鎖線路開路,強(qiáng)制岸電設(shè)備無法送出高壓;高壓接線箱完成岸電連接后,系統(tǒng)在檢測到正常安全狀態(tài)下,才能輸出高壓,高壓輸出后,碼頭海側(cè)高壓接線箱的連接器自動(dòng)上鎖,人工將無法打開連接器,如果高壓連接器受到破壞性外力強(qiáng)行打開,變頻電源將自動(dòng)停止變頻,切斷供電輸出。(4)高壓開關(guān)柜主要有高壓進(jìn)線柜和出線柜,柜內(nèi)主要元件包括高壓真空斷路器及綜合保護(hù)系統(tǒng),在船用供電系統(tǒng)中作為進(jìn)線柜使用,并配置綜合繼電保護(hù)裝置。當(dāng)遇到緊急情況時(shí),遠(yuǎn)程也可發(fā)出緊急停止信號(hào)用來分?jǐn)喔邏哼M(jìn)出線柜,切斷高壓。(5)直流系統(tǒng)直流系統(tǒng)為船舶岸基供電提供系統(tǒng)的控制信號(hào)、繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置、斷路器跳合閘操作回路等可靠的操作電源,當(dāng)發(fā)生交流電電源消失事故情況下為事故照明、交流不停電電源等提供直流電源。直流系統(tǒng)對于船舶岸基供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用,是安全運(yùn)行的強(qiáng)大保證。(6)變壓器變壓器選用專用的變頻電源變壓器,電網(wǎng)電壓經(jīng)過副邊多重化的隔離變壓器降壓后給功率單元供電,功率單元為三相輸入、單相輸出的交直交PWM電壓源型逆變器結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)變壓變頻的高壓直接輸出。(7)電源管理系統(tǒng)電源管理系統(tǒng)依托港口的MIS系統(tǒng),以計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備、測控單元為基本工具,為實(shí)時(shí)采集變頻變壓系統(tǒng)數(shù)據(jù)、開關(guān)狀態(tài)檢測及遠(yuǎn)程控制提供了基礎(chǔ)平臺(tái)。可以對船舶岸基供電運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)測和控制,在港口岸基供電系統(tǒng)中發(fā)揮核心作用,可以根據(jù)靠港船舶的類型確認(rèn)身份,同時(shí)遠(yuǎn)程設(shè)置保護(hù)參數(shù),對供電系統(tǒng)安全運(yùn)行進(jìn)行必要的監(jiān)控,加快供電過程中異常的反應(yīng)速度。4.變壓器二次變換特性功率單元結(jié)構(gòu)的確定:高壓變頻電源電網(wǎng)輸入為三相10kV,經(jīng)過移相變壓器變?yōu)?個(gè)低壓、獨(dú)立、移相二次繞組電源,依次接入功率單元模塊,經(jīng)過整流、濾波和逆變輸出單相交流電源。每相由9個(gè)額定輸出電壓為430V的功率單元串聯(lián)而成,使輸出的相電壓額定值得到3870V,則線電壓為:該值接近6.6kV,每個(gè)功率單元分別由輸入變壓器的一組副邊供電,功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣。二次繞組采用延邊三角形接法,移相變壓器電流多重化作用可以降低電網(wǎng)側(cè)電流諧波。由于輸入電流諧波失真很低,變頻器輸入的綜合因數(shù)可達(dá)到0.97以上。電源容量的確定:靠港期間船舶最大需求負(fù)載以2450kW計(jì)算,岸電變頻電源的功率因數(shù)設(shè)定為0.97,岸電變頻電源的綜合