（电力系统及其自动化专业论文）静止式岸电电源研究.pdf

s t u d yo ns t a t i cs h o r ep o w e rs u p p l y at h e s i ss u b m i t t e dt o d a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y c a op e n g ( p o w e rs y s t e ma n da u t o m a t i o n ) t h e s i ss u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o r n i u x i a o b i n g j u l y 2 0 1 1 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文= = 登止式崖鱼鱼沤婴究= = 。除论文中已经注明引用的内容 外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的 成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：嗜f | 晦 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全 文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发 行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 论文作者签名：峦鸺 导师签名平磐 e l 期：7 僦年1 月 中文摘要 摘要 近些年，我国船舶制造业的迅猛发展，船舶出口订单越来越多。越来越多的 国外运输船来到我港口作业或中转以及维修。当出口船舶舾装，船舶自带的柴油 发电机组暂时不能工作，需要岸上供电；另外，国外船舶到我港口作业( 特别是 冷藏集装箱船) 或维护时，如果向船方提供符合该船电制的岸电，则船舶和码头 双方均能够在经济性和环保性方面获得很大收益。 我国的船舶或陆上用标准电压和频率为3 8 0 w 5 0 h z 的供电电源，而大部分国 外船舶用标准电压和频率为4 4 0 w 6 0 h z 的供电电源。国外船舶设备调试或运行都 要求供电频率必须为6 0 h z ，所以在我国的船厂或码头上必须有电气装置来将 5 0 h z 电源变换为6 0 h z 。与常规的发电机组式6 0 h z 电源相比，静止式岸电电源由 于效率高、噪声小、电气性能指标好等优点而备受人们关注。本文围绕静止式岸 电电源中的若干关键技术和运行成本及收益，进行了研究，文章的主要工作如下： 文章首先介绍了静止式岸电电源的基本原理，详细阐述了整流变压器、变频 器、正弦波滤波器、输出隔离变压器等组成部件的关键作用。并在此基础上，对 静止式岸电电源的若干关键技术进行研究，包括功率器件的参数选择，过流与过 压保护，岸电电源的功率选择，岸电电源与船舶电网的电制匹配，连接岸电时的 相序检测以及岸电电源系统的自动稳压装置等。 本文最后两章，首先对静止式岸电电源的规范制定工作的进展情况进行了介 绍，之后结合目前全球能源危机和油价上涨等因素，对静止式岸电电源的运行成 本和环境收益进行研究，并结合具体案例论证静止式岸电电源的应用优势。 关键词：岸电电源；变频器；效益成本分析 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n a ss h i p b u i l d i n gi n d u s t r y , i th a sm o r ea n d m o r ee x p o r to r d e r so fm a r i n ev e s s e l s ；a tt h es a n l et i m ew i t ht h eq u i c k l ye c o n o m i c d e v e l o p m e n ta n dh i g h s p e e dc o n t i n u o u se x p a n s i o no ff o r e i g nt r a d e ，m o r ea n dm o r e f o r e i g ns h i pc a m et oo u rp o r tf o ro p e r a t i n go rt r a n s i t i n go rm a i n t a i n i n g w h e nt h e e x p o r to fs h i p sl o a d e dh a b i t a t ，m a r i n e d i e s e lg e n e r a t o rs e t ss t i l li su n d e rt e s t ， t e m p o r a r i l yu n a b l et ow o r k t h e yn e e ds h o r ep o w e r w h e nt h ef o r e i g ns h i pt oo u rp o r t o p e r a t i o n s ( e s p e c i a l l yr e f r i g e r a t e dc o n t a i n e rs h i p ) ，o rm a i n t e n a n c e ，b o t hs h i p sa n d p o r t sd on o tw a n td i e s e lg e n e r a t o r so n b o a r dt ow o r k ，o n eo ft h er e a s o n si s t h a td i e s e l f u e lc o s t sa l eh i g h ，a c c o r d i n gt ot h ea r t i c l ed e s c r i p t i o n s ，t h er a t i ob e t w e e nt h ec o s to f s h i pd i r e c t l ys u p p l y i n ge l e c t r i c i t ya n dt h ec o s to fs h o r ep o w e rg e n e r a t i o ns u p p l y i n g e l e c t r i c i t yi s4 ：1 u s i n gs h o r ep o w e ri se c o n o m i c a l ；s e c o n d ，t h e r ea r eg a sp o l l u t i o na n d n o i s ep o l l u t i o n s h i po fo u rc o u n t r y u s e3 8 0 v 5 0 h zo fs t a n d a r dv o l t a g ea n df r e q u e n c y , a n dm o s t o ft h ef o r e i g ns h i p su s e4 4 0 v 6 0 h zo fs t a n d a r dv o l t a g ea n df r e q u e n c y t h e r e f o r e ，i n o u rs h i p y a r do rp o r tm u s th a v ee l e c t r i c a ld e v i c et oc h a n g et h e5 0 h zp o w e rs u p p l yt o 6 0 h z p o w e rs u p p l y c o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a l s t y l e6 0 h zp o w e rg e n e r a t i n gu n i t s ， 6 0 h ze l e c t r o n i cs t a t i cs h o r ep o w e rs u p p l yh a v ea d v a n t a g eo fe f f i c i e n c y , l o wn o i s e ，a n d g o o de l e c t r i c a lp e r f o r m a n c e t h i st h e s i sr e s e a r c ho ns o m ek e yt e c h n o l o g i e sa b o u t 6 0 h ze - s t a t i cs h o r ep o w e rs u p p l y , c o n d u c t e dt h em a i nw o r ki sa sf o l l o w s ： f i r s t ，t h i st h e s i si n t r o d u c e st h eb a s i cp r i n c i p l e so ft h e6 0 h ze l e c t r o n i cs t a t i cs h o r e p o w e rs u p p l y , d e s c r i b e st h er o l e so ft h er e c t i f y i n gt r a n s f o r m e r , i n v e r t e r , f i l t e r , t h e o u t p u ti s o l a t i o nt r a n s f o r m e r sa n do t h e ri m p o r t a n tc o m p o n e n t s b a s e do nd e t a i l e da n a l y s i st h ev a r i o u sc o m p o n e n t so ft h es y s t e ma r ec a l c u l a t e d a n ds e l e c t e d i no r d e rt or e d u c et h er a t e dc a p a c i t yo ft h ei n v e r t e r , t h er e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o nd e v i c e sa l ec a l c u l a t e da n ds e l e c t e d 英文摘要 f i n a l l y , f o rt h er e q u i r e m e n t so fo u t p u tv o l t a g ea n df r e q u e n c yo ft h ep o w e rs u p p l y , t h i st h e s i sd e s c r i b e st h er e g u l a t i o na n dr e a l i z a t i o nm e t h o do ft h ee - s t a t i cs h o r ep o w e r s u p p l yt h e r e s u l t sp r o v et h ef e a s i b i l i t yo ft h em e t h o d k e yw o r d s ：s h o r ep o w e r ；f r e q u e n c yc o n v e r t e r ；b e n e f i ta n dc o s ta n a l y z e 目录 目录 第l 章绪论l 1 1 课题背景1 1 2 静止式岸电电源的技术优势2 1 3 静止式岸电电源发展现状3 1 4 本论文工作5 第2 章静止式岸电电源基本工作原理7 2 1 静止式岸电电源基本框架7 2 2 国外港口静止式岸电电源的运行模式7 2 3 静止式岸电电源各组成部分及工作原理9 2 3 1 整流变压器9 2 3 2 变频器一l o 2 3 3 正弦波滤波器1 0 2 3 4 输出隔离变压器12 2 3 5 无功补偿装置1 2 2 4 静止式岸电电源运行环境浅析1 2 2 5 静止式岸电电源的电气性能指标l3 第3 章静止式岸电电源技术方案研究l6 3 1 静止式岸电电源变频装置研究1 6 3 1 1 大功率变频装置研究1 6 3 1 2 功率器件的参数选择17 3 1 3 变频装置过流能力研究1 8 3 1 4 变频装置过压保护研究2 0 3 2 静止式岸电电源功率选择2 3 3 3 静止式岸电电源的线制匹配2 6 3 3 1 船舶三相三线制电网分析2 6 3 3 2 陆上三相四线制电网分析一2 9 3 3 3 船舶岸电电网分析一3 0 3 3 4 电制不匹配解决方案一3 0 3 4 相序检测3 l 3 4 1 三相不对称电路分析。31 3 4 2 相序检测及整定解决方案3 3 目录 3 5 自动稳压装置3 6 3 5 1 交流岸电分析3 6 3 5 2 交流岸电稳压方案3 8 3 6 岸电电源的电力传输装置4 0 第4 章静止式岸电电源实施规范研究4 2 4 1 静止式岸电电源规范制定工作的展开4 2 4 2 规范制定的主要成果4 4 第5 章静止式岸电电源的效益分析与管理对策研究4 7 5 1 使用岸电的经济效益分析4 7 5 1 1 单船经济效益分析【5 2 1 4 7 5 1 2 港口经济效益分析5 0 5 2 我国港口使用岸电的环境效益分析5 1 5 3 静止式岸电电源管理对策研究5 3 第6 章结论5 5 参考文献咖一5 8 墅| 【 谢6 l 研究生履历6 2 静止式岸电电源研究 第1 章绪论 1 1 课题背景 伴随着全球经济的复苏以及国际贸易的稳定增长，各国的造船业和航运业也 正在蓬勃发展，全世界的船队数量和总吨位正在以稳定的速度持续扩充。我国是 造船业和航运业大国，2 0 10 年上半年，根据英国造船和海运动态分析机构克拉克 森( c l a r k s o n ) 的研究数据表明，在显示造船业竞争力的三大指标接受订单 量、未交付订货量、建造量方面，我国的造船总吨位超过韩国，成为世界造船第 一大国。此外，根据国家统计局网站于2 0 1 1 年3 月4 日公布的“十一五”经济社 会发展成就系列报告之七，我国2 0 1 0 年规模以上港口货物吞吐量达8 0 2 亿吨， 集装箱吞吐量达1 3 0 6 0 万标准箱。整个“十一五”期间我国的港口吞吐量已经连 续五年保持世界第一。 一方面，航运事业的发展为我国进出口贸易的扩大和国民经济的平稳快速发 展提供了强有力的物质基础，而另一方面，越来越多的船舶在我国建造和靠泊， 也给我国港口和修造船厂的可持续健康发展带来巨大压力。压力主要体现在以下 几方面： ( 1 )温室气体排放：船舶靠港时一般采用船用柴油发电机自行发电，而柴 油机工作时会向空中排放大量的温室气体，例如二氧化碳，氮氧化物 等。“根据国际海事组织( i m o ) 的数据显示，全世界以柴油为动力 的各类舰船每年向大气排放10 0 0 万吨氮氧化物和8 5 0 万吨硫氧化物 【1 1 o ( 2 ) 噪音污染：当船舶自行发电时，柴油机运行会产生大量的噪音和振动， 长时间运行，对现场工作人员和周围生态环境都会产生不良影响；此 外，传统的旋转式岸电电源通常采用同步或异步电动机带动发电机运 行，不仅需要专人维护，并且噪音大，效率低，性能较差。 ( 3 )能源消耗：在不可再生资源严重紧缺的今天，很多组织和机构都在积 极的研究新能源和可再生资源的应用以及提升能源使用效率的问题。 第1 章绪论 如果船舶在港区作业能够不使用柴油机发电，而采用陆地电网进行供 电，则可以更好的提高能源利用效率。 上述这些问题现在已经引起了我国政府和港航企业的高度关注，为了更好地 促进我国港口的可持续发展，“绿色港口”这一概念悄然走入人们的视野。“绿色 港1 5 1 的核心是节能、减排和环保 【2 1 。其中很重要的一个方面就是减少靠港船 舶和在建船舶的柴油发电机运行时间，使用岸电装置供电。 但在实际应用中，大部分国外靠泊船舶和为国外建造的低压船舶的电制均为 4 4 0 v 6 0 h z ，其船用设备的调试或运行都要求供电频率必须为6 0 h z ，而我国船舶 和港口的电制为3 8 0 v 5 0 h z ，所以在我国的船厂或码头上必须有电气装置来实现 两种电制的相互转换。因此，对符合我国实际需求的静止式岸电电源进行详细的 研究是必要的。 1 2 静止式岸电电源的技术优势 传统的岸电电源变换装置为发电机组式( 或称旋转式) ，即采用两台同步电机， 如一台1 0 极同步电动机作为原动机来驱动一台1 2 极同步发电机，这样可将电网 的某个电压等级5 0 h z 电源转换为4 4 0 v 6 0 h z 电源【3 1 。与旋转式岸电电源相比， 静止式岸电电源效率高、噪声小、电气性能指标好，因而备受人们关注。静止式 岸电电源的组成包括：变频器( 负责5 0 h z 和6 0 h z 两种频率的转换) 、正弦波滤 波器( 将变频器输出的s p w m 波变换为正弦波) 、输出隔离变压器( 电压变换、 电压隔离) 。两者相比，静止式岸电电源具有以下特点【4 】： ( 1 )能源转换效率高。静止式岸电电源的转换效率能够高达9 0 ，而传统 发电机组一般低于8 0 ； ( 2 ) 没有发电机的机械转动环节，噪音小，不需要专人维护； ( 3 ) 过载能力强。能够抵抗大功率用电设备的起停，突加负载响应速度快， 电压瞬态变化率 1 0 ，频率变化率 1 ： ( 4 ) 能动态设置保护电路动作阈限值。可根据不同规范要求变频器的p m 模块保护电路阈限值，调整动作时间； 静l ：式岸电电源研究 ( 5 )具有远程监控和数据记录功能，实时显示电源运行状态，并对设定时 间内的运行数据进行存储； ( 6 )初始投资成本高，运行成本低。目前，船用柴油机运行成本与岸电电 源的运行成本为4 ：1 ，从长远看，应用岸电电源对于船方和港口方都 是非常经济的选择。 1 3 静止式岸电电源发展现状 静止式岸电电源的核心部分，是大功率的变频电源。现代电力电子技术，尤 其是高压大功率开关器件的发展，给静止式岸电电源的发展创造了条件。以i g b t 器件和i p m 模块为主流的变流技术日趋稳定和成熟，大功率变频装置因为性能优 良，稳定可靠，在冶金、制造和能源等重工业部门得到越来越多的应用。 在国外，静止式岸电电源的研制和应用较早。1 9 8 9 年，瑞典哥德堡港开始为 3 艘客滚船供应岸电，这是世界上首个静止式岸电电源案例。到目前为止，世界 上已有近2 0 个港口在其指定的泊位上安装了岸电供应设施，详见表1 1 。其中比 较有代表性的是美国洛杉矶港的“a m p 计划。所谓“a m p 计划是指靠泊船舶 使用岸电替代船舶柴油机动力( a l t e r n a t i v em a r i t i m ep o w e r , 简称a m p ) ，我国中海 集装箱运输股份有限公司与美国洛杉矾港务局等单位共同新建的洛杉矶1 0 0 号码 头，就是被环保当局指定的这样的绿色环保码头。 鉴于实施a m p 计划能够有效减少港区及其附近区域的空气污染，欧盟委员会 于2 0 0 6 年5 月8 日通过的法案2 0 0 6 3 3 9 e c 中提出了在欧盟港口靠泊船舶使用岸 电的要求，这个草案的动力主要源于要减小柴油发电机的污染，提高空气环境质 量，同时减少温室气体排放，以及减小碳排放量。草案还规定了岸电比例的时间 表，逐步普及岸电，力争在2 0 1 6 年，使欧盟地区的岸电电源普及率达到1 0 0 5 。 从国外已投入运行的岸电系统来看，虽然均是静止式岸电电源，但均不涉及 变频环节。各港为船舶提供的岸电电压、频率不尽相同，如北美地区港口提供岸 电的频率为6 0 h z ，欧洲大部分国家则为5 0 h z ，而不同类型、不同吨级船舶上的 电压、频率也不相同，这就使得建设有岸电供电设施的港口不一定能为装备了岸 第1 章绪论 电接受设施的船舶供应岸电。目前这些各自为政建设起来的船用岸电设施，一般 只是针对某些特定航线或特定公司，基本上不具备通用性。 表1 1 全球已应用岸电系统的主要港口 t a b 1 1t h em a i np o r t st h a tu s i n gs h o r ep o w e rs y s t e m 港口国家 高压 低压频率 安特卫普比利时6 6 l ( v5 0 h z 6 0 h z 哥德堡瑞典6 6 k v4 0 0 v 5 0 h z 赫尔辛基瑞典 4 0 0 v 4 4 0 v5 0 h z 斯德哥尔摩瑞典 4 0 0 v 6 9 0 v5 0 h z 皮提阿瑞典6 k v5 0 h z 科密芬兰6 6 k v 5 0 h z 圣迭戈美国 6 6 k v l lk v6 0 h z 奥卢芬兰 6 6 k v5 0 h z 科特卡 芬兰6 6 k v5 0 h z 吕贝克德国 6 6 k v5 0 h z 泽布吕赫比利时 6 6 k v5 0 h z 洛杉矾美国 6 6 k v 1 l k v6 0 h z 长滩美国 6 6 k v4 8 0 v6 0 h z 旧金山 美国 6 6 k v 1 1 k v6 0 h z 西雅图美国 6 6 k v 1 lk v 6 0 h z 朱诺美国 6 6 k v 1l l 【v6 0 h z 匹兹堡 美国 4 4 0 v6 0 h z 温哥华 加拿大 6 6 l ( v6 0 h z 上海中国4 4 0 v6 0 h z 静止式岸电电源研究 从国外已投入运行的岸电系统来看，虽然均是静止式岸电电源，但均不涉及 变频环节。各港为船舶提供的岸电电压、频率不尽相同，如北美地区港口提供岸 电的频率为6 0 h z ，欧洲大部分国家则为5 0 h z ，而不同类型、不同吨级船舶上的 电压、频率也不相同，这就使得建设有岸电供电设施的港口不一定能为装备了岸 电接受设施的船舶供应岸电。目前这些各自为政建设起来的船用岸电设施，一般 只是针对某些特定航线或特定公司，基本上不具备通用性。 我国的静止式岸电电源研究起步较晚。“上海港于2 0 1 0 年3 月2 2 日在外高桥 二期集装箱码头进行了为集装箱班轮提供岸电的尝试( 低压岸电，低压船舶) 。这 开创了我国港口为船舶提供岸电的历史 t 6 】。近年来，我国越来越多的港口企业 响应政府号召，实施了“油改电 、新能源利用等一系列节能减排措施，为实现国 家“十一五”节能减排目标做出了应有的贡献。船舶利用岸电问题是交通运输部 拟在“十二五 期间强力推进的节能减排新举措。据悉，岸电应用工作的目标是 在“十二五”期间，“5 0 左右的万吨级以上集装箱码头、散货码头和大型邮轮及 客运码头、长江旅游客运码头，要具备向靠泊船舶提供岸电的能力，我国内河船 舶8 0 ，沿海船舶( 包括远洋和沿海) 5 0 以上具备接用岸电能力 r 7 1 ，如何启 动这项工作成为船舶利用岸电相关各方都极为关注的问题。 1 4 本论文工作 本课题研究的目的是通过对静止式岸电电源的系统组成、各部分工作原理等 进行分析，提出岸电系统总体与各部分的技术方案、技术重点及解决措施等。 第1 章介绍了静止式岸电电源的发展背景、技术优势，并简要地介绍了国内 外静止式电源的发展现状。 第2 章首先介绍了已投入运行的静止式岸电电源的类型，并对本文所要研究 的静止式岸电电源各组成部分的工作原理及作用进行阐述，最后分析在实际运行 中可能影响岸电系统电气性能的各种因素。 第3 章提出了静止式岸电电源设计过程中的关键性问题，包括岸电电源的功 率选择，岸电电源与船舶电网的电制匹配，连接岸电时的相序检测以及岸电电源 辱 第1 章绪论 系统的自动稳压装置等。 第4 章对静止式岸电电源的规范制定工作和工作成果进行了简要的介绍。 第5 章，本文将对岸电电源的运行成本以及收益进行研究，并介绍国内外已 提出的岸电电源实施规范，并提出符合我国国情的岸电实施建议。 第6 章总结全文内容，得出本文的结论。 辱 静止式岸电电源研究 第2 章静止式岸电电源基本工作原理 2 1 静止式岸电电源基本框架 静止式岸电电源，顾名思义，是指“通过采用电力电子变流技术的逆变电源 系统将岸上不同于船舶电站频率和电压的电源转换为船舶用电设备所需要的频率 和电压供电的电源 4 1 。其实质是一台能够在港口、船厂等恶劣环境下稳定运行 的大功率变频电源系统。岸电电源通常以交一直一交电压源型变频器作为核心部 分。港口中心电站总降压变电所和码头分变电所将输电线路的电能进行多次降压 后，输出给岸电电源系统的整流变压单元，该单元将输入的交流电转换为直流电， 再通过逆变器把直流电转换为所需要的频率和电压的交流电，最后经正弦波滤波 器的滤波，输出良好的交流电压波形，供船舶负载使用。 静止式岸电电源基本框架如图2 1 所示： 电能输入卜t 叫整流变压嚣卜_ 叫平波电抗嚣卜一直流滤波器卜叫逆变器 叫j i 三弦波滤波器卜坷输出隔离变压器 叫电能输i | i 燮鲎卜盛 屯驯盟h 燮薹 l 保护电路i 图2 1 静止式岸电电源基本框架图 f i g 2 1b a s i cf r a m e w o r ko fs t a t i cs h o r ep o w e rs u p p l y 上述框图中，整流变压环节、平波滤波环节、逆变环节、隔离输出等环节， 是岸电电源的整流变频部分；而电压电流检测环节、数模转换环节、s v p w m 调 制环节是岸电电源的控制电路部分。 2 2 国外港口静止式岸电电源的运行模式 目前，全球已投入运行的静止式岸电电源大多数是港口电网向船舶电网直接 供电，一般不涉及变频问题。各港口的岸电系统主要有以下几种情况： ( 1 ) 低压岸电低压船舶直接供电 以美国洛杉矶港为例，该岸电系统分为码头供电系统，电缆连接设备和船舶 第2 章静i f ：式岸电电源基本工作原理 受电系统【8 1 。当靠港船舶的电网为中高压电网时，码头供电系统会将电缆直接连 接到船舶受电系统上；当靠港船舶为低压电网时，则需要用装配有电缆连接设备 和变压器的驳船，将岸上供电系统输出的中压电压降低至船舶电网电压，连接到 船舶进行使用。一般来说，低压岸电低压船舶直接供电，不需要对船舶进行复杂 改造，只需安装受电装置。但低压岸电系统供电操作性较差，连接较困难，需要 多根电缆进行输电。洛杉矶港岸电系统结构示意图如图2 2 所示。 电缆连接电缆连接设 设备变骶器 备 靠港船舶岸电供电系统 通常为多根4 5 0 v 6 6 k v通常为。根 电缆电缆 驳船 图2 2 洛杉矶港岸电系统结构图 f i g 2 2t h es t r u c t u r ec h a r to fs h o r ep o w e rs u p p l ys y s t e mi nl o sa n g e l e s ( 2 ) 高压岸电低压船舶直接供电： 以瑞典哥德堡港为例，该港区电网频率为5 0 h z ，岸边连接点电压为1 0 k v ， 这种岸电系统将1 0 k v 的岸电直接输送到靠港船舶上，如果是船舶是低压电网， 则由该船自带的变压装置进行变压，再配送给全船使用【9 】，因此，这种岸电系统 对于低压船舶而言，改造较为复杂，需要在受电装置中安装大容量变压器。但由 于是高压供电，所以电能传输只需一根电缆，连接过程简易快速。哥德堡港岸电 系统结构图如下所示。 船舶负载卜 船用变电器 传输电缆 降压 6 - 2 0 k v 4 0 0 v 通常只需要2 0 k l 搬传输电缆 1 0 0 k v 靠港船舶 岸电连接点 交电站 图2 3 哥德堡港岸电系统结构图 f i g 2 3t h es t r u c t u r ec h a r to fs h o r ep o w e rs u p p l ys y s t e mi ng o t h e n b u r g 粤 静止式岸电电源研究 ( 3 ) 高压岸电，高压船舶直接供电 以美国朱诺港为例，“该港口主要对靠港游轮供应岸电，该港有6 6 k v 7 m w 和1 1 k w 7 m w 两种规格的岸电系统” 9 1 ，能够满足不同电压等级的中高压游轮靠 港时使用，与高压岸电，低压船舶供电方式一样，这种岸电系统也只需要一根电缆 向全船提供电能，简单可靠，连接方便。 6 6 k v 7 m w 圜惺 ll k v 7 m w 两种规格岸电系统 靠港船舶岸屯供电系统 图2 4 朱诺港岸电系统结构图 f i g 2 4t h es t r u c t u r ec h a r to fs h o r ep o w e rs u p p l ys y s t e mi nj u n e a u 通过以上陈述，我们可以得出，高压岸电供电能够提供更多的能量，需要较 少的电缆，但是，目前“大多数船舶都是4 4 0 v 或3 8 0 v 的低压电网，如果接高压 岸电，则需安装船用变压器，改造复杂”【1 0 1 。另外，现行的岸电电源系统均不涉 及变频供电，若船舶电网和港口电网频率不同，只能依靠靠港船舶自身发电。 2 3 静止式岸电电源各组成部分及工作原理 静止式岸电电源实质上是一台大功率的交一直一交变频电源。电能依次通过 变电站、整流变压器、变频器、滤波器、隔离变压器、岸电连接装置等，最终达 到符合船舶电网电压和频率的标准，输送给船舶电气设备。各组成部分工作原理 及作用如下。 2 3 1 整流变压器 大功率整流变压器应用在在岸电系统中，主要起降压作用，使电网电压与变 频器额定输入电压相匹配，同时，作为“多路移相电源，提供不同的整流方式， 减小谐波对电网的污染【1 1 1 。整流变压器还可以屏蔽变频单元对供电母线的高频 干扰，隔绝电网经过分布电容传到的瞬态过电压，保护变频器正常运行。 第2 章静l ：式岸电电源基本工作原理 2 3 2 变频器 变频器是静止式岸电电源的核心部分，也是其有别于传统旋转式岸电电源系 统的重要标志。变频器是利用触发脉冲控制功率器件的通断，将工频电源变换为 另一频率的电能变换装置。岸电电源系统中使用的变频器可采用交直交电压源型 方式，即先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再对直流电源进行 逆变转换成6 0 h z 频率、电压在一定范围内可控制的交流电源，此时的6 0 h z 波形 为p w m 波形。 变频器的电路一般由整流环节、中间直流环节、逆变环节和控制电路4 个部 分组成【1 2 】。整流部分可根据功率因数和谐波分量的要求，采用为桥式不可控整流 器或可控整流器，逆变部分通常采用i g b t 三相桥式逆变器，输出为p w m 波形， 中间直流环节的作用为滤波、直流储能和缓冲无功功率。 图2 5 变频器结构图 f i g 2 5t h es t r u c t u r ec h a r to ft r a n s d u c e r 在静止式岸电电源中，变频器单元除了完成常规的整流、变频、滤波等任务 外，还需要能够承受大功率电器设备启停所产生的短时过电流。这一点也是在进 行岸电电源设计时所必须考虑的因素。 2 3 3 正弦波滤波器 变频电源中常用的j 下弦波滤波器实际上是r l c 二阶低通滤波器的一个特例， 即r 为零时的l c 滤波器。常用的r l c 二阶低通滤波器的结构如下图。 静止式岸电电源研究 l 图2 6 正弦波滤波器结构图 f i g 2 6t h es t r u c t u r ec h a r to fs i n u s o i d a lf i l t e r l 图2 7 正弦波滤波器单相等效电路图 f i g 2 7s i n g l ep h a s ee q u i v a l e n tc i r c u i td i a g r a mo fs i n u s o i d a lf i l t e r 正弦波滤波器负责把变频器输出的p w m 波形转换为正弦波，以保证系统良 好的供电质量。通常为l c 形式的滤波器，设计上要防止滤波器中的电容与后面 的输出隔离变压器或负载发生谐振，为整个系统的输出提供良好的正弦波波形 b 3 q s o 静止式岸电电源系统要提供6 0 h z 的正弦波输出电压，根据钢制海船入级 规范( 2 0 0 6 ) ，船舶电力系统的电压波形总谐波畸变率t h d 要小于5 ，否则不 能保证船舶电气设备正常工作【1 6 1 。为降低谐波，减小t h d 值，在变频器后面接 入正弦波滤波器或l c 滤波器，用来滤除开关频率及其邻近频带的谐波，以保证 岸电系统能够输出电压总谐波失真度t h d 要小于5 的正弦波波形。同时，由于 电容电压不能突变，变频器输出电压变化率d v d t 会大大减弱，电磁干扰抑制效 静止式岸电电源基本工作原理 果突出。 2 3 4 输出隔离变压器 隔离变压器是一种特殊的变压器，基本原理与普通变压器一致，都是应用电 磁感应定律，不过其变比为l ：1 ，在电力系统中主要起保护作用。由于多数船舶 负荷的线制为三相绝缘系统，需要隔离岸电与船电，也可以减小共模电压和高次 谐波，降低交流电机直起时起动电流的冲击。同时，正弦波滤波器中的电感在流 过低功率因数的负载电流时，压降较大，通过输出隔离变压器进行电压变换，可 以使得正弦波滤波器的输出电压匹配船舶要求的电压。 2 3 5 无功补偿装置 无功补偿装黄的工作原理是，“把容性功率负载与感性功率负载并联接在同一 电路，能量在两种性质的负荷之间相互交换 【1 7 1 。这样，感性负载所需的无功功 率可由容性负载进行补偿。岸电系统为保证功率因数要求，应该使用可以进行自 动补偿的无功补偿装置，即根据功率因数检测电路采集的实时数据，计算出船舶 电网所需的无功补偿量，再控制电容器组的投放，从而达到实时补偿的效果。 提供无功功率补偿的方法有“同步发电机、同步电动机、同步调相机、静止 式无功补偿装置、并联电容器等【1 7 1 。在静止式岸电电源系统中，可以采用并联 电容器的方法，并以无功功率补偿控制器作为辅助，可以达到补偿方式简便易行、 功率补偿量精确的目的，同时，系统也更简单可靠，符合岸电电源的使用要求。 并联电容器参数的计算可以按需要提高的功率因数来确定，这一方法明确、 简单，并且在设计部门和生产厂家通用。 2 4 静止式岸电电源运行环境浅析 静止式岸电电源由于主要应用于港口船厂等恶劣复杂环境，因此，在电网供 电质量、周边环境、负载特点等方面，静止式岸电电源的工作环境与普通变频电 源都有很大不同，具体包括如下几个方面： 港区电网电能指标变化频繁。岸电电源的上一级，往往连接于码头分变电站， 处于电网供电终端。对于低压岸电系统，当岸电系统满负荷运行时，线路压降过 静l ：式岸电电源研究 大造成供电电压负偏差过大，会导致岸电电源输出电压过低，影响船舶用电设备 正常运行。对于中高压岸电系统，网侧断路器的合分闸操作可能引起整流变压器 二次侧过电压，损坏系统的半导体功率器件。 船舶负载复杂。首先，船舶用电设备类型繁多，运行方式复杂。对于船舶上 直接起动的电动机，起动电流通常有电动机额定电流的4 倍以上，这会导致岸电 系统的输出电压大幅度下降【1 8 】。同时，由于岸电系统中包括整流变压器和隔离变 压器等大容量感性设备，其本身的压降与负载功率因数角相关，当船舶用电设备 中也包含较多感性负载时，会使负载功率因数较低，a v 增大，也会导致岸电输 出电压降低。其次，船舶上大量的单项用电设备，如安装不当，会造成三相输出 不平衡，从而导致变频器单元发出故障信号。再次，线制方面，大部分船舶采用 的都是三相三线制，而陆地通常采用三相四线制，接地系统的不同，也给岸电系 统的安全运行带来了隐患。 工作条件恶劣。岸电在实际应用中，工作现场粉尘和腐蚀性气体多，空气湿 度和盐度大，周边温度高。粉尘和腐蚀性气体，尤其是金属粉尘，长期积累会造 成用电设备短路，电气开关接触不严；空气湿度高会使系统的电子元件受潮，寿 命和可靠性缩短，空气盐度对于接线端子的损伤较大，并加速金属电蚀和化学腐 蚀。 综上，静止式岸电电源工作环境复杂，负载冲击大，同时，需要长时间可靠 工作，因此，在对静止式岸电电源进行设计时，必须考虑到以上几方面的影响。 2 5 静止式岸电电源的电气性能指标 针对上一节中对岸电电源运行环境的介绍，静止式岸电电源是对船舶供电， 因此岸电系统的技术指标也应符合我国钢制海船入级规范中对动态指标和静 态指标的规定【1 6 1 ： 由主或应急电力系统供电的电气设备应能在正常的电压和频率波动情况下可 靠工作。 除非国际标准中另有说明，电气设备应能在表2 1 规定的电压和频率偏离额 1 孓 第2 章静止式岸电电源基本工作原理 定值的波动情况下( 在设备的输入端测量) 可靠工作。 表2 1 电压和频率波动表 t a b 2 1t h ef l u c t u a t i o no fv o l t a g ea n df r e q u e n c y 设备参数稳态( )瞬态 恢复时问( s ) 一般交流设备电压 + 6 专1 02 01 5 s 频率 5l o5 s 由交流发电机供电或经整电压 1 0 流器供电的直流设备电压周期性波动5 纹波电压 1 0 由蓄电池供电的设备： 充电期间接于蓄电池者电压 2 5 专+ 3 0 充电期间不接于蓄电池者电压 - 2 5 专+ 2 0 对于静止式岸电电源系统的网侧额定输入电压，具体的额定电压值，与安装 地点的电网相关，根据目前已投入运行的岸电电源系统，有1 0 k v 、6 l ( v 和3 8 0 v 等。 网侧输入电压可以有一定范围的波动，允许的正偏差取决于系统中变频器的 输入指标，“对于变频器额定输入电压为6 9 0 v 时，通常为+ 1 0 ；对于变频器额 定输入电压为3 8 0 v ，通常3 8 0 v 输入的变频器与5 0 0 v 输入电压的变频器相同， 在3 8 0 v 作为网侧电压时，最大的正偏差可达到5 5 0 v t 4 1 。 网侧额定输入电压允许的负偏差取决于系统的具体设计，采用二极管整流方 式的变频器通常为1 0 ，如果需要更大的值，则在系统设计时要考虑输出隔离变 压器的变比，以保证系统输出电压恒定。如果变频器的整流采用i g b t 方式，允 许的负偏差通常为一3 0 ，而输出隔离变压器的变比按正常设计即可。 系统额定输入频率可以为5 0 或6 0 h z ，允许的偏差取决于系统中变频器的输 静止式岸电电源研究 入指标，通常为4 8 - - 6 3 h z 。系统输入功率因素：基波0 9 3 一o 9 5 ，如果变频器的 整流采用i g b t 方式，功率因素可为l 。 根据钢制海船入级与建造规范( 2 0 0 6 ) 中电力系统的指标要求，对于岸电 系统的输出电气性能指标要求如下： 额定输出电压：输出电压可根据用户需要，提供三相电压等级； 额定输出频率：6 0 h z 5 0 h z ( 可任意转换) ； 输出频率精度：输出频率误差0 2 h z ；稳定度 o 1 ( o 1 0 0 负荷变化时 输出频率不变) ； 输出电压稳压率：静态 5 ；o 一1 0 0 负荷变化时，输出