船舶岸电系统在粮食码头上的应用与发展
1岸电系统运用背景
码头靠港船舶通常利用辅机发电，以满足船上冷藏、空调、加热、通信及照明等电力需求。但是，船舶辅机为燃油发电机，在消耗燃油的过程中，会排放出氮氧化物、硫氧化物、可吸入颗粒物等空气污染物，影响港口及所在城市的环境质量。
随着我国节能减排步伐的加快，交通运输已成为节能减排的重要领域，港口作为海陆运输节点，节能减排有着广阔的施展空间。交通运输部发布的《船舶与港口污染防治专项行动实施方案（2015―2020）》强调推进生态文明建设，推动船舶与港口污染防治工作，实现水运绿色、循环、低碳、可持续发展[1]。新兴船运电能供应技术是指在船舶停靠过程中，用来自港口的电力供应系统替代船舶发电机为船舶持续供电，以供船舶照明、通信、工程操作等电气设备使用，进而实现船舶系泊过程节能、减排、降噪的目标，并最终实现“绿色生态港”的建设[2]。与船舶发电的高能耗、高污染相比，岸电的使用更节能、环保，因此，靠港船舶使用岸电是节能减排的大势所趋。
2变频岸电系统功能
将岸基电源接入船舶使用，最大的障碍是两种电网存在频率差异。我国用电网络通常采用的频率为50Hz，电压为380V、6kV、10kV，而大部分船舶供电采用的频率为60Hz，电压为440V、6.6kV，如果直接将50Hz的电源接入船舶设备，会使设备的整体效率下降30%，并且由于供电频率及电压发生变化，可能造成部分设备不正常工作，产生安全隐患。变频岸电可由50Hz转变成60Hz，避免岸基电源接入船舶使用的障碍，且具有更高的性价比，可以向不同制式的船舶提供岸电；与发电机相比，岸电节能20%以上，且发电机具有噪声大、运行成本高、损耗大、有污染、维修困难以及需要专人管理等缺点；岸电具有更强的适用性，可以实时监控电源的运行情况，被国内各大造船修船及港口码头企业广泛使用。图1为变频岸电系统简图。
图1变频岸电系统简图
3项目应用案例
根据绿色港口建设需要，某码头公司在其散粮泊位投资建设高压岸电系统，岸电设施基本信息及供电情况详见表1，高压变频装置现场照片如图2所示。岸电变频变压系统核心工程主要包括工程设计、岸电设备购置、岸电设备系统集成、土建施工、设备安装、系统调试、试运行、系统运行以及连船等[3]。本岸电系统采用广州智光电气ZG-SPS高压变频岸电电源系统。
表1岸电设施建设情况表
图2码头岸电设施现场图
4ZG-SPS高压变频岸电电源系统结构
ZG-SPS高压变频岸电电源系统由配电及隔离保护部分、变频电源、插座箱及电缆管理系统等组成，其中变频电源为其核心部分。高压变频电源的核心技术主要有以下几方面。
4.1高效的拓扑结构
高压变频岸电电源系统主要由输入移相变压器和变频功率单元组成。系统采用功率单元串联技术，解决器件耐压的问题，级间SPWM信号移相叠加，提高了输出电压谐波性能，降低了输出电压变化率（dv/dt）；通过移相整流技术降低输入侧谐波，减小了对电网的谐波污染；主控制器以双数字信号处理器、超大规模集成电路可编程器件为核心，配合数据采集、单元控制、光纤通信回路以及内置的可编程逻辑控制器构成系统控制部分。
4.2优质的移向变压器
移相变压器采用干式结构，强迫风冷。变压器原边为Y型接法，直接与高压相连。副边绕组数量为18个。由于为功率单元提供电源的变压器副边绕组间有一定的相位差，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°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。从而消除了大部分由单个功率单元所引起的谐波电流，所以智光变频器输入电流的总谐波含量远小于国家标准5%的要求，并且能保持接近1的输入功率因数。
4.3经验证的逆功率处理
《码头船舶岸电设施建设技术规范》规定，岸电系统的继电保护应满足以下要求。电气元器件的选型要考虑其能承受的短路容量，并兼具可靠性、选择性、灵动性；重要电气设备应具备电流速断、过流、低压及超温等保护功能[4]。
岸电系统采用带电切换方式时，可能由于船/岸两侧检测误差，两侧电网运行参数在并网过程中存在差异，在岸电和船上发电机并网（岸电解列）过程中会引发逆功率现象。为了防止发生严重逆功率现象，损坏设备，应采取必要的安全措施。
智光电气岸电电源系统具有完善的逆功率判断以及控制保护算法，可通过双重检测手段判断是否产生逆功率，确保逆功率检测的可靠性；还可通过逆功率快速处理控制算法，迅速调整输出参数，将逆功率推送至船侧电网，保护变频电源安全。当逆功率现象过于严重，无法通过调整电压参数消除时，系统启动逆功率保护动作程序，断开功率单元进行保护。
4.4冗余能力说明
智光电气配置的高压变频岸电电源