国内外港口岸电技术发展现状

国内外港口岸电技术发展现状

船舶接入电源技术是指船舶在港外使用船舶发电装置，而不是向国家供电。港口提供岸电的功率应能保证满足停泊后全部电力设施用电需求,包括生产设备(舱口盖驱动装置、压载水泵等)以及生活设施、安全设备和其它设备,能对船舶实现不间断安全稳定供电,并能满足不同国家不同电制船舶需求。一、国内外岸电技术的发展现状作为一项新兴的绿色节能环保技术,船舶岸电技术的研发和应用,越来越得到世界各国的重视,可以说,谁拥有了领先的岸电核心技术,谁就拥有了未来在国际环保以及海洋船舶、码头建设技术标准等方面的话语权。目前,包括美国在内的诸多欧美国家正在积极加快岸电技术的研发应用,并着手起草国际标准。目前,国内外岸电系统主要有以下几类:上海港的低压变频岸电60Hz/50Hz,该系统虽然在船舶方面改造量比较小,需要加装电缆连接装置,但采用至少9根低压电缆上船,线损大,操作复杂,而且占用作业空间大;洛杉矶港的低压岸电60Hz直供电,该系统采用多根电缆,水上低压电缆双向接线,操作复杂,同时需另配泵船;哥德堡港的高压岸电对低压船舶50Hz直供电,该系统采用一根电缆,但需要在船上安装变压器,船舶方面改造很复杂;洛杉矶和西雅图集装箱码头高压岸电60Hz直供电,该系统船舶改造和操作性方面都一般,没什么突出优点。二、集水区海上基础设施网络系统方案分析广州港集团南沙港区三期工程建设6个大型集装箱泊位,通过对码头的一系列分析,计划方案分析如下:1.岸电系统供电能力靠港船舶接用岸电项目难度比较大,原因在于船舶来自不同的国家和地区,采用的电制不尽相同,这就要求岸电需经过变频变压处理,提供更为广泛的用电制式,便于不同的船舶靠港接用岸电;根据泊位实际情况,考虑到未来发展,需要岸电系统具有较高的供电能力;岸电系统在运行中要达到安全、稳定和可靠,在接线、投切、线路保护方面要达到实际应用要求;岸电系统在实际操作时要方便快捷,运行成本、维护成本等较低,达到易用性要求;岸电系统要占用码头空间小,不能影响码头正常的生产作业。2.采用低压-降压两种方案,主要解决两现有的岸电方案主要有低压方案、高低高变频方案、高高变频变压方案,以往的岸电低压方案均采用低压调速通用变频器,通用变频器不是电源专用产品,正弦锯齿波输出,波形差,滤波效果差,输出的不是船舶负载需要的理想正弦波,且对电网和负载干扰大。高低高方案采用高压电源经降压,低压变频器并联升压至高压,系统采用降压-升压两个变频器,系统占地面积大、结构复杂、谐波高、可靠性低、运行效率低从而影响节能效果。本文建议方案采用高高变频变压方案,高压输入、低压整流、高压正弦波逆变输出、微处理器总线控制的电源专用变频技术,输出的是船舶负载所需的理想正弦波电源,对电网干扰非常小,效率高,占地面积小,性能十分稳定。采用高压变频系统适用于包括大型集装箱船舶在内的世界各地各种高、低压电站系统的船舶,使用范围广,电源的使用率高,投资收益比较高。3.低负载下的高效电路设计本方案采用高压上船,两根高压电缆把岸基供电电力传输到船舶上,线路压降小,负载能力大,有利于设计较大功率的输出电源,节约了从码头到船舶大量的低压电缆,同时采用标准大电流连接器,船舶接用岸电时间短,效率高,并大幅降低了设备造价及使用成本。4.集装箱船舶电力使用情况根据对广州港南沙港区三期泊位设计装卸作业船舶统计分析,需要由岸电提供电源的靠港船舶主要有6kV/50HzAC及6.6kV/60HzAC两种供电制式,根据对集装箱船舶电力使用情况调研计算,万万吨级船舶靠港作业时,正常负荷容量约为1500kW左右,5万-7万吨级船舶靠港作业时,正常负荷容量约为1200kW左右。同时,通过对8530TEU集装箱船舶负荷进行研究计算,停泊装卸工况下最大负荷为2450kW,去除发电机工作辅助设备消耗,使用岸电的最大实际负荷不超过2300kW。为了满足实际应用情况并兼顾将来发展,考虑投资的大小,单个泊位岸电设备输出容量选为3000kVA,能满足10万吨级以下船舶靠港期间作业的供电负荷量。5.船舶用电源本方案变频变压系统将10kV/50Hz市电转换成6kV/50HzAC或6.6kV/60HzAC的船用电制电源,通过高压电缆输送至船舶,同时在码头泊位前沿安装两个接线箱,采用新型连接工艺并联连接,确保安全,满足船舶两需舷停靠接驳岸电的需求,系统功能性强。6.设置分离式小压电源系统通过对连云港港、青岛港、秦皇岛港等大多数港口集装箱码头实地勘测得出结论,一般集装箱码头前沿都没有岸电系统安装位置,没有在码头前沿实施项目的可能性。建议采用分离式设计,在码头变电所内增加变频电源系统,变频变压设备安装在电源室内,采用高压电缆输出的方式将高压电源输送到码头岸电接线箱,通过船载岸电连接设备将6.6kV/60Hz或6kV/50Hz连接至船舶上供船舶使用。码头接线箱采用地埋壁挂式,不占码头前沿空间。分离式设计布局合理,能实现码头前沿场地零占用,码头接线箱位置选择合理,连接方便,操作简单快捷。三、多泊实际供电系统设计方案广州南沙港区三期码头岸电供电系统建设将融入码头供电系统建设中,同时在变频电站内预留多个高压出线柜,对应多个泊位,满足多泊位供电需求。在码头前沿新建两个暗装壁挂式高压接线箱,满足船舶两舷停靠接驳岸电的要求。1.高压电缆电缆卷车安装在靠近码头接电箱侧中心区域集装箱堆场的2号变电所内布置高压变频电源及供配电设备,变电所设计为框架结构,设计布局符合变电所设计要求。变电所内需要安装高压变频电源装置、高压正弦波滤波器及相关电气设备。10kV馈线与变频变压电源以及码头接电箱电源连接采用电缆连接,构成船用岸电供电系统,具有综合保护装置。采用高压电缆,利用港区已设计的电缆沟等土建设施将高压电缆敷设至码头前沿,船用电源经船上高压电缆卷车放下的两根高压电缆接至高压接线箱,输送到船舶上。如果是高压船,直接连接至高压岸电连接屏对船舶供电。如果是低压船舶,通过安装在船舶上的船载变电站,将电压转变成低压后对船舶设备供电。码头接线箱和紧急停止箱安装在码头面靠海侧,位置根据船舶预计停靠位置、相关船载岸电连接设备(电缆卷车)的安装位置以及电缆卷车电缆长度确定。采用地坑壁挂式设计,不影响码头作业工作,其本体防护等级为IP67,嵌入安装在码头前沿地表下,安装坑地表上设置盖板。码头接线箱插座与船载高压插头均采用符合标准的快装安全接线装置,以减少接线工作强度和船舶靠港的接线时间,提高工作效率。根据船舶的停靠方式,考虑到船舶的左右舷靠泊,可通过相应的保护隔离措施和连接工艺,将两只码头接线箱并联连接,满足船舶供电需求。高压岸电电源系统组成:高压进线柜、变压器柜、功率柜、控制柜、滤波柜、高压出线柜、码头接线箱、紧急停止箱。2.高压电缆吊装船岸电方案采用高高变频变压技术,输入电流谐波失真很低,综合因数高,输出电压经过滤波后为正弦波,谐波小,对电网不造成污染。采用高压上船,两根高压电缆就可以把电源输送到船上,线路压降低,负载能力大,节省接驳时间,同时成本大幅降低。已有的低压九根电缆吊装上船岸电方案安装十分不便,安装难度大,时间长,一次对接要50分钟以上,安全隐患大且需要多人配合才能完成安装,同时成本也很大,9个接头造价就超过50万元。高压电缆上船2根电缆通过电缆绞车只需两人几分钟就轻松完成接驳。采用高压变频变压使得向船舶提供的岸电可以实现多样化,适合各种类型、各种电制的船舶;高压传输距离远,容易实现岸电电源与接电装置的分离式分布,设备分布合理;使用高压上船方案省去了每次船舶靠港后电站吊装和多根低压电缆对接工作。3.高压交流电源系统设计高压变频电源包括高压变频变压设备和高压正弦波滤波器,为了避免市电电网供电波动,避免滤波器、变压器以及供电线路造成的电力压降,避免大负载使用造成的电力压降,保证供电电压的稳定,船舶接岸电系统采用多重稳压和补偿措施。从滤波器输出端进行电压取样,反馈至高压变频控制端进行闭环电压稳定控制。电源装置采用若干个低压PWM变频功率单元串联的方式实现直接高压输出。该电源装置具有对电网谐波污染极小,输入功率因数高,输出波形质量好,谐波小等优越的特性。10kV电网电压经过副边多重化的隔离变压器降压后给功率单元供电,功率单元为三相输入、单相输出的交直交PWM电压源型逆变器结构,实现变压变频的高压直接输出,供给高压负载。流波形接近正弦波。由于输入电流谐波失真很低,变频器输入的综合因数可达到0.97以上。逆变器输出采用多电平移相式PWM技术,36电平输出回路,输出电压非常接近正弦波,dv/dt很小。功率单元采用模块化结构,同一变频电源内的所有功率单元可以互换,维修也非常方便。为使高压变频电源设备的稳定性能够更好的满足用户的要求,特在隔离变压器后端添加电流采样和电压采样反馈电路,使整体电源能够实现闭环反馈,从而来满足不同的工况下电源的稳定性。在变频电源内部,通过软件设置,建立负载—电压补偿曲线模型,确保达到船舶用电电气的电源规范要求。具体设计规格如下:输入侧为10kV交流电源,变频电源内部进行AC-DC-AC转换,输出侧6kV/50Hz或6.6kV/60Hz;输入侧为9n脉波控整流输入,输出侧为2n+1相电压输出,其输出波形几近完美,谐波电压和谐波电流满足技术要求;额定工况下,系统总效率在96%以上;变频电源额定输出功率因数大于0.97,无需功率因数补偿装置,变频电源的总体输出电压以变压器的二次输出电压为基准,在滤波器和变频电源之间进行实时闭环控制;采用全中文操作平台,LCD液晶显示,触摸品直接操作,并可保存多达20套参数设置;功率单元结构模块化,可以互换,维护简单。(2)高压变频电源电站高压变频电源系统由进出线柜、变压器柜、功率柜等设备组成,设备安装在港口变电所内,所内配有照明灯具、通风装置和空调。变频变压电源站建设融入到港区变电所设计中,结构更为合理。(3)高压接线箱高压码头接线箱是将岸电电源的高压馈线与船舶连接的装置,担当了高压供电连接、船岸通讯连接、船岸连接安全监测的任务。箱内装有两只标准的高压电插座,与船舶连接简单、快捷、可靠,仅需两人即可完成船岸连接的操作;箱内设备安装的插头插座配备了联锁装置,当高压电缆断缆或插头没有插入插座时,联锁线路开路,强制岸电设备无法送出高压;高压接线箱完成岸电连接后,系统在检测到正常安全状态下,才能输出高压,高压输出后,码头海侧高压接线箱的连接器自动上锁,人工将无法打开连接器,如果高压连接器受到破坏性外力强行打开,变频电源将自动停止变频,切断供电输出。(4)高压开关柜主要有高压进线柜和出线柜,柜内主要元件包括高压真空断路器及综合保护系统,在船用供电系统中作为进线柜使用,并配置综合继电保护装置。当遇到紧急情况时,远程也可发出紧急停止信号用来分断高压进出线柜,切断高压。(5)直流系统直流系统为船舶岸基供电提供系统的控制信号、继电保护、自动装置、断路器跳合闸操作回路等可靠的操作电源,当发生交流电电源消失事故情况下为事故照明、交流不停电电源等提供直流电源。直流系统对于船舶岸基供电系统的安全运行起着至关重要的作用,是安全运行的强大保证。(6)变压器变压器选用专用的变频电源变压器,电网电压经过副边多重化的隔离变压器降压后给功率单元供电,功率单元为三相输入、单相输出的交直交PWM电压源型逆变器结构,实现变压变频的高压直接输出。(7)电源管理系统电源管理系统依托港口的MIS系统,以计算机、通讯设备、测控单元为基本工具,为实时采集变频变压系统数据、开关状态检测及远程控制提供了基础平台。可以对船舶岸基供电运行进行监测和控制,在港口岸基供电系统中发挥核心作用,可以根据靠港船舶的类型确认身份,同时远程设置保护参数,对供电系统安全运行进行必要的监控,加快供电过程中异常的反应速度。4.变压器二次变换特性功率单元结构的确定:高压变频电源电网输入为三相10kV,经过移相变压器变为9个低压、独立、移相二次绕组电源,依次接入功率单元模块,经过整流、滤波和逆变输出单相交流电源。每相由9个额定输出电压为430V的功率单元串联而成,使输出的相电压额定值得到3870V,则线电压为:该值接近6.6kV,每个功率单元分别由输入变压器的一组副边供电,功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。二次绕组采用延边三角形接法,移相变压器电流多重化作用可以降低电网侧电流谐波。由于输入电流谐波失真很低,变频器输入的综合因数可达到0.97以上。电源容量的确定:靠港期间船舶最大需求负载以2450kW计算,岸电变频电源的功率因数设定为0.97,岸电变频电源的综合