高压交流岸电系统容量及冗余能力研究

马昊立

（ 中国船级社质量认证公司，上海 200135 ）

高压交流岸电系统容量及冗余能力研究

马昊立

（ 中国船级社质量认证公司，上海 200135 ）

船舶高压岸电额定容量选择及系统冗余能力对岸电系统的经济性、可靠性及安全性有着至关重要的影响。通过对靠港船舶的用电数据采样以及稳态用电需求统计，分析船舶大功率设备的瞬态过程，以确定岸电系统的容量及冗余能力。

高压交流岸电；节能减排；容量；冗余能力

0 引言

高压交流岸电系统作为一种有效的船舶节能减排措施，在国际上有较为广泛的应用，我国电网电制为10kV/35kV 50Hz，国际航行船舶使用岸电时,需将上述电制转化为440V/6.6kV/11kV 60Hz,这不仅需要进行电压的变化，还需进行频率的变化。变频电源作为我国岸电设施的核心，其电气特性与单一的变压器设备有较大区别，其抗冲击能力及过载能力差，如容量及冗余能力设计过小，将无法满足船舶用电需求或引发供电不稳现象。容量及冗余能力过大，将引发系统总投资过大甚至后期电费耗损等问题。本文通过分析靠港典型船舶用电特性，得到适合的岸电容量及冗余能力要求，保证岸电设施安全性、可靠性及经济性。

1 容量确定

目前，国内岸电设施容量主要通过实船考察配合制造商推荐来确定，对船舶负载变化情况考虑较少，较易因货物种类、季节变化等原因产生误差。通过对典型船舶负载特性进行分析，引出两种方法确定岸电容量。

1.1 船舶电力负荷表

岸电系统的主要功能是在船舶靠港停泊期间，代替船用柴油发电机组向船舶电网供电。岸电系统的容量配置关系到整个船舶的电力系统及设备的使用安全。船舶电力负荷计算主要采用三种方法：概率法、昼夜航行图表法和负荷系数法。其中，负荷系数法被广泛使用，贯穿船舶设计、审图、建造、检验全过程。该方法由船舶设计方根据船舶设备的实际工况（包括航行状态、工作状态、进出港状态和停泊状态等），分别统计出舾装设备、轮机设备、空调冷藏设备、通讯导航设备等数量，通过分析电动机额定功率、机械负荷系数、电动机负荷系数、功率因数、负载同时系数、所需有功和无功功率等，以获得船舶需要配置的主发动机和备用发电机的容量及台数。图1为某船舶电力负荷计算表的结果。

表1 某型沿海散货船电力负荷计算表（靠泊时）

由表1可知，岸电容量低于481kW，不应向此型船舶供电。高于481kW，应向船舶提供使用岸电时的负载启动限制要求，避免过载使用。高于547kW，可不限制船舶负载的正常使用。通过搜集靠泊典型船舶的电力负荷计算表的方法，可得到岸电设施的基本容量。

1.2 燃油消耗率

根据我国海事部门要求，船舶应对燃油使用情况进行记录。船舶靠泊期间，燃油消耗主要为柴油发电机组发电及燃油辅锅炉燃烧，通过对柴油发电机组用油情况进行统计，可准确计算船舶的平均功率。

表2 某品牌柴油发电机组参数表

假设表1所述船舶，总计靠泊53h，柴油发电机组共消耗燃油4.71t，通过表2查询，此型船舶辅机燃油消耗率为201g/kW*h，53h共计用电23433°，平均功率为442kW。

通过以上两种方法，较为准确得到靠泊船舶的基本用电需求及平均用电需求，可在岸电设施的前期规划过程中，找到岸电的经济容量，提高岸电设备的使用效率，避免过度建设。此外，通过以上方法，还可配合船舶制订靠泊时的用电操作手册，避免由于非正常负载启动，造成船舶失电及其他用电事故。

2 冗余能力设计需求

2.1 电网特性差异

多数船舶是活动于水面上的独立体，因此船舶电力系统与陆地电力系统有很大差异，主要表现在：

1）船舶电站容量较小单机负载大

陆地电源可视为无限系统，而一般较大的远洋船舶主电站通常装3～5台发电机组，单机容量约为400kW～4000kW，船舶电源远小于陆地电源。因此船舶电源容量较小，仅视为有限电源系统。此外，船舶中某些用电设备的单机负载较大，其负载容量接近于单台发电机容量，当这些负载启动时，对船舶电网造成较大冲击(电压、频率跌落等)，局部故障或误操作极易导致全船断电，威胁船舶安全。

2）船舶电网线路短保护配合要求高

与陆地高压电网相比，船舶电网线路较短，电能损失较小。大多船舶发电机输出电压、电网电压、负载端电压为同一个电压等级，配电装置较陆地电网系统简单，但在保护配合方面要求较高。

2.2 设计目的及内容

在岸电供电过程中，为保证人员、货物及船舶设施的安全，应尽量避免由于岸电设施设备所引起的船舶断电事故，这就要求岸电系统具备一定的冗余能力，在系统发生故障或负载出现突变时，能在一定时间内持续输出满足标准规定的电能，且能够向船舶发出报警信号，保证岸电设备自身的安全。岸电系统的冗余能力，主要包括故障冗余能力、上级电源波动冗余能力、船岸送电抗冲击冗余能力、负载突加，突卸冗余能力。图1所示为典型的高压岸电系统示意。

图1 典型高压岸电系统示意图

2.3 故障冗余能力

根据船舶安全保护原则，岸电系统应对岸电变频电源故障及船舶端单相接地故障具备冗余能力。

1）岸电变频电源故障冗余能力

整流逆变系统是变频电源的核心部件，主要构成型式为IGBT的拓扑结构，由于IGBT元件耐过压，过流能力较差，易发生故障。在进行设计时，应考虑当单一元器件发生故障时，整个系统的冗余供电能力，以下针对IGBT拓扑结构设计差异进行分析。

整流逆变系统拓扑结构在行业内主要有高-低-高及高-高两种设计方法，见图2及图3所示。其中高—低—高方案通过降压变压器降压，多支路IGBT并联变换频率，升压变压器升压，达到最终的供电要求。高—高方案不进行降压，通过每相IGBT串联变换频率，隔离变压器调整电压，达到最终的供电要求。

图2 典型高-高变频电源拓扑结构

图3 典型高-低-高变频电源拓扑结构

对于高低高方案，当某支路发生元件故障时，应将当前支路进行隔离，由其他支路进行供电，此方法易于实现，但需考虑其他支路总带载能力，当带载能力不足时，应向船舶发送报警信号，提醒船舶降载。

对于高高方案，当某相IGBT发生故障时，应将当前IGBT元件进行旁路，通过软件算法控制，保证供电中性点不偏移，保证供电电能质量，此方法需要通过较多的软硬件调整，较难实现，还需考虑此相其他IGBT元件的耐压情况，防止由于控制不当，总成整相IGBT的损坏。

2）船舶端单相接地故障冗余能力

船舶交流电网有三种线制，即三相绝缘的三相三线制系统、中性点接地的三相四线制系统和以船体为中线回路的中性点接地的三相三线系统。大多船舶采用中性点不接地的三相三线制系统。该系统供电安全可靠，因动力与照明系统经变压器隔离，两者之间没有直接电联接，相互影响小。特别是易出绝缘故障的照明系统对动力系统的影响较小。同时，发生单相接地时不会产生短路电流而跳闸，也不影响三个线电压的对称关系，能最大限度地保持连续供电。

对船舶而言，短时间的单相接地故障是允许的，岸电电源应当在船舶端发生单相短路故障时具备向船舶报警并正常供电的能力。发生单相接地后，故障相对地电压降低，非故障两相的相电压升高。此时岸电系统的冗余，主要体现在供电电缆电压等级方面，根据GB 50217-2007 《电力工程电缆设计规范》相关规定，岸电系统应选用耐压能力不低于133%额定供电相电压的供电电缆；在单相接地故障可能持续8h以上，或发电机回路等安全性要求较高的情况，应选用耐压能力不低于173%额定供电相电压的供电电缆。

2.4 上级电源波动故障

岸电上级电源或可是码头主变电站，也可是陆网专线。如使用陆网专线向变频电源送电，电能质量相对稳定，需考虑的干扰因素较少。相对于由码头主变电站向变频电源送电的系统，特别是容量紧张的主变电站，在码头其他大功率设备启动或者退出时，可造成码头电网的电压波动及电能质量畸变。此时，需岸电设备具备一定的电源波动冗余能力，在上级电源发生变化时，输出电能质量依旧能够满足船舶需求。根据船舶电气规范，建议岸电设备在表3工况下可正常供电。

表3 岸电系统适应上级电源波动工况表

2.5 船岸送电抗冲击

岸电上船在行业内主要有两种方式：船岸无缝切换及船舶断电切换。

船岸无缝切换指船舶电站不断电，通过同步装置，使船岸相位角一致后进行并车，通过调整发电机转速，将负载转移到岸电侧后船舶发电机组退出电网的过程。岸电退出时是上述过程的逆向工作。

船舶断电切换指船舶发电机完全退出电网后，接入岸电。

在上述工作的进行过程中，易发生有功能量的冲击及无功能量的冲击，岸电系统应当具备一定的抗冲击冗余能力，以下分别就有功能量冲击及无功能量冲击发生的具体工况进行分析：

1）有功能量冲击发生原因及处理方法

有功能量的冲击主要发生在船岸无缝切换的过程中，当并车时岸电相位角落后于船电，船舶电站向岸电设施倒灌能量，一般称为逆功率。如逆功率过大，导致岸电保护，甚至导致岸电设施烧毁。此时，岸电的抗有功冲击冗余能力体现在系统足够的电压频率调整范围及逆功率吸收能力。为防止逆功率的产生，岸电设施在并车前应考虑其电压略高于船电电压，频率略高于船电频率，并具备在负载转移过程中稳定电压频率输出的能力。如不能完全达到上述目的，岸电电源应配备适宜的吸收装置，完成船岸切换。

2）无功能量冲击发生原因及处理方法

用电设备均根据电磁感应原理工作，如配电变压器、电动机等，依靠建立交变磁场才能进行能量的转换和传递。为建立交变磁场和感应磁通而需要的电功率称为无功功率，无功能量的冲击在船岸无缝切换及船舶断电切换过程中均可发生，主要的原因是船上部分变压器未配套预充磁设备，在进行通电时，需岸电进行充磁，产生6～10倍变压器容量的浪涌电流，使岸电变频系统发生故障及损害。图4为某岸电试验过程中，3150kVA 11KV变压器空载合闸所引起的冲击电流，冲击电流约为1900A，远超被试岸电设施的额定电流，最终造成被试岸电设施的变频单元损害。

图4 电压器充磁浪涌电流

为解决无功冲击的问题，岸电设施应配备适宜的预充磁辅助回路，在岸电电源接通前，提前向船舶变压器充磁，避免浪涌电流的产生，提高岸电送电的成功率。

2.6 负载突加

由于船舶电网容量小而单个负载容量大的特点，岸电系统在进行初步设计时，应考虑船舶大功率负载突加、突卸冗余能力。

负载设备（感性负载）在刚启动时的冲击电流是电机或感性负载通电瞬间到运行平稳的短暂时间内的电流变化量，该电流一般为额定电流的4～7倍，响应时间根据负载设备类型有所不同，如泵类，4s左右，如果是风机类，8s～ 15s。

岸电建设过程中，应对码头靠泊的典型船舶电力负荷计算表进行分析，找到负载突加、突卸等最不利工况，根据冲击电流及冲击时间计算岸电系统的冗余容量。如无法获得上述数据，建议根据岸电额定设计容量，分两次进行突加，一次进行突卸，确定岸电系统的突加、突卸冗余能力。

通过上述工作的进行，可以有效地确定岸电供电的冗余能力，保证岸电供电的稳定性及安全性。

3 结语

船舶高压岸电额定容量选择及系统冗余能力需求是岸电系统设计之初重要的技术输入。船舶岸电最终的服务对象是船舶，只有从用电特性入手，才能够制订更为合理的岸电设计方案，借以推进岸电技术更为广泛的运用。

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[3]王栩生.高低压变频岸电装置结构型式分析[J].港工技术,2015(2).

Research on HVSC Capacity and Redundancy

Mahaoli
( China Classification Society Certification Company, Shanghai 200135, China )

Capacity and redundancy have an essential effect on the economy, reliability and safety of HVSC. Through sampling the power data of the berthing ship,collecting the steady state power demand of the berthing ship and analyzing the transient process of the high power equipment of shipping, we can determine the capacity and redundancy ability of the shore power system effectively and scientifically.

HVSC; Energy-saving and emission-reduction; Capacity; Redundancy

TM919

A

1674-2796（2017）05-0017-05

2017-05-06

马昊立（1985—），男，大学本科，工程师，主要从事水运设备检验检测相关工作。