东莞电力设计院
摘要：伴随着社会经济的高速发展，我国跃升为世界第一大对外贸易国。货物主要通过海运运往国外，这就导致对港口数量的要求急剧增加，船舶停靠在码头数量和频率都大幅增加，靠岸的船舶仍需要维持动力系统，这就需要消耗大量燃油，产生大量颗粒物及废气，导致严重的大气和水土污染。为了有效减少船舶靠岸后产生的环境污染，岸电技术的应用越来越受到重视。按照国家交通部《船舶与港口污染防治专项行动实施方案（2015-2020年）》和《珠三角、长三角、环渤海水域船舶排放控制区实施方案》要求，规定珠三角地区属于排放控制区，必须使用硫含量低于0.5%的轻质燃油，并且2020年前完成岸电建设工作。
关键词：港口；岸电系统设计
东莞供电局及南网能源公司深入贯彻广东省政府和南方电网公司的节能减排部署，在公司经营区域全面启动电能替代工作。要求公司各级供电企业和相关单位面向终端能源消费市场，不断提高电能占终端能源消费比重，推进社会节能减排，缓解城市雾霭困扰。港口船舶岸电作为电能替代的典型模式，在虎门港建设港口船舶岸电创新示范项目，符合广东省科学发展的需要、符合当地民众对清洁环境的诉求、符合港口绿色发展的需求、符合南方电网公司推行电能替代的战略方针，因此，项目建设的必要性非常充分。
1.虎门港建设内容分析
按用途的不同，港口船舶可分为：集装箱船、散货船、滚装船、载驳船、散粮船、煤船、兼用船（矿石/油船、矿石/散货船/油船）、特种货船（运木船、冷藏船、汽车运输船等）、油船、液化气体船、液体化学品船等，其中以集装箱船和散货船最多。港口停靠船舶主要以散货船（粮食船）为主，散货船的用电负荷特点就是相对容量小，冲击负荷较大。针对目前港口码头停靠的船舶类型，建设具备相应适应性的港口船舶岸电系统，依此思路，本项目计划在东莞虎门港口建设岸电系统，具体如下：
本项目重点针对虎门港5-8号泊位进行建设，根据调研分析，在7-8号泊位建设船舶岸电系统。该泊位停靠船舶按2000标箱船型设计考虑。该型船舶靠港期间耗电量约为300-400kW左右。岸电容量设计为800kW，其容量考虑岸电电源可同时为两个泊位船舶进行供电，也可单独为将来耗电更大的冷藏集装箱船供电。具体方案如下：从码头变电所输出的10kV/50Hz高压电，经由变电所附近的集装箱式岸电电源装置进行高进低出变换，变为输出的440V/60HZ电源分两路引到岸边泊位接电装置，通过岸边接电装置的航空插头实现物理连接，实现同时对船舶的动力供给。变频电源可双频供电，低压输出可调至国内船只低压等级400V/50Hz或国际标准的440V/60HZ，但只能同时是60Hz供电或者同时50Hz供电。
2.项目主要技术指标
2.1工作环境条件
室内温度-5oC~+40oC；室外温度-20oC~+50oC；
相对湿度：不超过95%（≤45oC时）；不超过70%（>45oC时）。
运行环境：无导电或可致爆炸的尘埃，无腐蚀金属或破坏绝缘的气体或蒸汽。
2.2岸基供电系统容量
岸基供电系统容量根据船舶用电负荷进行设计，按两个泊位输出考虑，岸电容量可同时为两个泊位的船舶供电。设计考虑裕量后岸电电源容量设定为800KW。
2.3岸电系统输入电压
岸电系统额定交流电压为10KV，额定频率为50Hz。
依据GB12325《电能质量供电电压偏差》，10kV三相输入电压允许偏差为±7%，频率波动允许偏差为±2%。
2.4岸电系统输出电压及频率
本项目采用低压上船：输出的额定电压有两种，输出400V时对应的额定频率为50Hz，输出440V时对应的额定频率为60Hz。稳态输出电压的偏差范围≤±5%，暂态输出电压的偏差范围≤±20%，电压瞬变响应恢复时间不大于1.5S，符合GB12325-2008《电能质量供电电压偏差》的规定。
稳态输出频率的偏差范围≤±5%，暂态输出频率的偏差范围≤±10%，频率瞬变响应恢复时间不大于5s。
2.5电能质量指标
本项目注入虎门港配电网系统的谐波电流及电压畸变，满足GB/T14549《电能质量公用电网谐波》的有关规定。
2.6计量装置
本项目采用的计量装置满足DL/T5202《计量系统设计技术规范》的有关规定。
3.项目方案
3.1总体方案
针对港区现有泊位数及停靠船舶种类情况，因此本方案拟采用变频岸基供电技术类型，建设一套岸电容量为800KW岸电电源设备供7#或8#码头泊位使用（方案设计暂定7#码头泊位）。由码头中心变电所10KV进线作为供电线路，经岸基供电系统经变频变压装置转变为低压440V/60Hz输出至7#码头泊位的前沿岸电接电箱，容量能供其中两个泊位同时使用。岸电电源兼容60Hz/50Hz设计，变频电源可双频供电。
当使用用50Hz船舶接电时，低压输出可调至国内船只低压等级400V/50Hz。当采用变频时，低压输出440V/60Hz。两种电制的电源都可以双频供电。另外，因船舶停靠时船头船尾方向存在一定随机性，为方便靠港船舶方便接电，将在试点泊位两头各布置低压接电箱。
3.2岸电系统布局
采用系统室外集装箱的方式，变频电源放置于集装箱内，置于空余的引桥上。岸电电源系统采用港口标准配置集装箱形式，以便于港口吊运设备搬运移动。整个电源系统安装在定制集装箱内，可以移动至码头前沿，电缆通过地下电缆沟布置。
集装箱式岸电电源系统是专门针对船上、岸边码头等高温、高湿、高腐蚀性、大负荷冲击等恶劣使用环境而特别设计制造的变压变频电源设备。该系统具有较高的绝缘级别和防护能力，适用于船舶、船舶制造及修理厂、远洋钻井平台、岸边码头等需要供电的场合。
码头建设岸电电源系统包括：1台10KV进线高压开关柜→（连接至）输入端1台移相变压器→（连接至）1台6kV/800KVA岸电变频器→（分别连接至）输出端1台6000V/440V变压器→440V低压输出开关柜→低压岸电箱。该系统中，变频器、变压器、高低压开关柜可都置于预装式集装箱内安置于港口电缆沟或电缆桥附近的合适位置，低压岸电箱布置于6#泊位（暂定）的船头、船尾处（便于与船舶连接的位置）。方案系统单线图如图5.1所示。
3.3一次系统图
图5-1系统一次回路
采用如图5-1所示的系统主回路图，设计方案中考虑：
1、考虑到停船与船上配置的电缆卷筒电缆长度限制，在泊位合适位置设置一个岸电插座箱。码头潮位条件要求插座箱采用地面明装方式；采用国际通用知名品牌
2、输出隔离变压器采用Dy11接法的特殊设计变压器，配置温度保护，用于将船-岸两侧电网进行隔离，防止船上故障威胁岸上电网安全。隔离变压器可工作在60Hz和50Hz两种模式。，限制船侧发生接地时的故障电流，保护船上人员和设备安全。
3、变电所10kV/50Hz母线的开关柜（用户开关柜）配置微机综保保护，主要用于向50Hz船舶供电，工频旁路状态下保护变频器及其他相关设备。
4、岸电输出开关柜（每台插座箱对应一台低压开关柜）配置计量装置。
5、码头插座箱内配置一个岸电专用插座，简化操作，提高可靠性。插座设置“L1、L2、L3”——三相动力插孔；“E”——地线插孔；“P1、P2”——Pilot控制线插孔。
6、由于集装箱船船舷较高，一般在船上设置电缆绞车及电缆管理系统，码头不配置电缆绞车，连船时电缆从船上下放至码头面，提高连接效率。采用双电缆上船方案。
4.岸基高压变频电源系统的关键技术
4.1相序相位自动检测整定
本项目的岸电系统输出端电源相位跟踪技术。可随时跟踪输出端电源状态。ZG-SPS岸电系统也具备自动调整相序功能，可以接受来自船舶的调相指令，自动调整输出相序，或者通过检测输出端分析船舶电网电压，计算船电系统的相序，根据船电相序调整岸电相序，自动调整输出相序。现场施工时，选择其中一种相序检测调整方案实施。
目前，为了保持船舶与变频岸电系统和国外60Hz工频岸电系统并网方式和操作流程的一致性，降低船方技术人员的工作难度。已进行过岸电接入的船舶，基本上都采用船舶岸电屏检测相序、岸电电压幅值、频率、相位，并自动（或手动）完成船-岸并网与解列操作的运行模式。
4.2稳频稳压（含上电瞬间）
ZG-SPS岸电系统采用分相电压闭环控制，实时检测输出电压和单元直流电压，实现输出电压的稳定控制；当输入电压减小，直流电压减小，则控制器增大调制度，保持输出电压稳定；当输入电压增大，直流电压增大，则控制器减小调制度，保持输出电压稳定；当负载突然变大，隔离变漏抗压降变大，则输出调制度增加，保持输出电压稳定；当负载突然减小，隔离变漏抗压降变小，输出调制度减小，保持输出电压稳定。变频电源频率由数字量精确控制，数字设定功过模式下输出频率精度0.01hz。
4.3高低电压穿越性能优异
ZG-SPS岸电变频器是国内变频行业中少有通过国家电科院高低压穿越型式试验的设备。通过多路控制电源独立冗余技术和输出电压补偿稳定技术，使系统具备了优异的高低电压穿越性能。当系统输入电压长时间在85%～115%额定电压范围波动时，可全容量向船舶供电并保持电压和频率稳定；当系统输入电压在65%～85%额定电压范围波动时，可自动降额向船舶供电并保持电压和频率稳定；当系统输入电压低于65%额定电压时，可通过参数设置选择“维持热运行”模式或保护跳闸模式，保障船舶岸电系统安全。
4.4谐波抑制性能优异
ZG-SPS系统输入侧，采用移相多重化整流技术，六级功率单元串联的系统可消除35次以下谐波，额定工况下输入电流谐波<3%。与低压变频器类似，单个功率单元输入侧为6脉波整流，工作时会产生5、7次谐波，但是当多个功率单元由移相变压器提供幅值一致、相位角互差10度的工作电压时，各单元工作产生的35次以下谐波相互抵消，自动消除。
移相变压器一次侧Y接，二次侧有多组出线，中间组（第5组）采用Y接（奇数组时有中间组，偶数组时没有中间组），其余采用延边Δ接。
图4-2输出电压波形图
ZG-SPS系统输出侧采用载波移相控制技术，输出波形移相叠加后接近正弦波。在无输出滤波装置的情况下，额定输出电流谐波含量<3%.输出相电压波形如图4-2所示。
结束语
我国海岸线长，港口众多，推广应用港口岸电技术是响应国家节能减排，造福社会之举，本项目将在珠三角地区形成显著的示范引领效应，打造环境友好型港口。
参考文献
【1】常致；郑广博.内河航道低压小容量岸电系统建设方案研究.交通科技.2017
【2】刘洪波；董志强；林结庆.码头船用岸电供电系统技术.水运工程.2011
【3】金振楠；梁颖；李占宇；白民权.浅析船舶高压岸电系统.科技创新与应用.2013