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岸電、環(huán)保、變頻電源、逆功率、三相平衡
摘要：本文主要介紹了匯川技術(shù)HD90P系列變頻電源在寧波港集團(tuán)遠(yuǎn)東碼頭岸電項目的應(yīng)用。實踐驗證我司獨(dú)創(chuàng)的逆功率控制技術(shù)安全有效，完美的解決了連船過程中產(chǎn)生的逆功率問題。與此同時，經(jīng)專業(yè)儀器檢測記錄，輸出電壓THD、電負(fù)載穩(wěn)壓率、頻率穩(wěn)定率等指標(biāo)完全滿足并超出國際岸用電源標(biāo)準(zhǔn)，對我國岸用電源行業(yè)的發(fā)展起到了重大的推進(jìn)作用。
一、背景介紹
1.1發(fā)展背景
船舶靠港后，船上仍需要生產(chǎn)、生活用電，需要輔機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而消耗大量的能源，同時產(chǎn)生大量的廢氣及有害氣體。2013年有報道顯示，我國現(xiàn)有萬噸級及以上碼頭泊位中，專業(yè)化泊位942個，散貨泊位338個，雜貨泊位322個。而我國供電頻率50Hz，沿海船舶通常為60Hz，所以需要對工頻電網(wǎng)進(jìn)行變頻，才可接入船上。最適合上岸電的碼頭包括：集裝箱碼頭、郵輪碼頭、散貨碼頭等；
圖1.1靠岸船舶污染
1.2岸電建設(shè)意義
1）對于船方來講靠港后使用岸電，在靠港期間關(guān)閉輔機(jī)，使靠港成本減少30%以上，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。同時減少了船舶的振動和噪音，船員生活質(zhì)量大大提高；
2）對港口來講，一方面因提供電力而有收益，另一方面完善了港口的功能，提升了港口的核心競爭力，港方得利。使用岸電就會減少有害氣體的排放，使空氣質(zhì)量提升從而居民得利；
3）目前國際上在接岸電方面尚處探索階段，如果我們在這方面取得顯著成果，就很有可能在這個技術(shù)領(lǐng)域中推動制定世界標(biāo)準(zhǔn)，從而取得主導(dǎo)權(quán)及話語權(quán)，并在環(huán)保上樹立負(fù)責(zé)任大國的良好形象。
1.3宏觀形勢及國家政策
1）交通運(yùn)輸部印發(fā)《船舶與港口污染防治專項行動實施方案（2015—2020年）》，主要港口90%的港作船舶、公務(wù)船舶靠泊使用岸電，50%的集裝箱、客輪和郵輪專業(yè)化碼頭具備向船舶供應(yīng)岸電的能力。
2）《上海市清潔空氣行動計劃（2013-2017）》：開展岸電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和配套政策研究，推進(jìn)岸電試點(diǎn)工作，完成吳淞國際郵輪碼頭、洋山冠東集裝箱碼頭的岸電使用試點(diǎn)，在試點(diǎn)的基礎(chǔ)上逐步推廣；
3）《上海港船舶污染防治辦法》：要求政府有關(guān)部門積極推進(jìn)靠泊船舶使用岸電。規(guī)定船舶應(yīng)遵守國家和本市的大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)；
4）根據(jù)《江蘇省大氣污染防治條例》《江蘇省大氣污染防治行動計劃》：逐步擴(kuò)大港口岸電系統(tǒng)的覆蓋面；
5）《廣東省綠色港口行動計劃（2014-2020）》：截至2020年，實現(xiàn)大部分港作船舶靠港使用岸電。同時，對新建十萬噸及以上級別郵輪碼頭要求同步配套建設(shè)靠港船舶使用岸電供電設(shè)備設(shè)施；新建十萬噸及以上級別集裝箱碼頭優(yōu)先考慮同步配套建設(shè)靠港船舶使用岸電供電設(shè)備設(shè)施；
6）2016年4月1日起，上海、蘇州、寧波-舟山、南通率先實現(xiàn)港口節(jié)能減排，即船舶停靠期間使用硫含量≤0.5%m/m的燃油。
1.4技術(shù)難點(diǎn)及要求
1.4.1環(huán)境要求：岸電設(shè)備使用場所為港口，緊鄰大海。海邊為潮濕，多鹽霧環(huán)境，故對設(shè)備的抗腐蝕性提出了要求。
1.4.2 電源屬性：作為一個電源來講，評價其質(zhì)量的高低有以下幾個方面：諧波含量，負(fù)載能力。船上的導(dǎo)航羅盤等精密儀器對電網(wǎng)質(zhì)量要求很高，不干凈的電網(wǎng)，會導(dǎo)致此種設(shè)備的損壞，損失巨大。又由于船上單相用電設(shè)備的原因，三相負(fù)載不是完全的平衡，所以對三相電壓之間的平衡度要求很高，在相電流差別很大的情況下，要求相電壓保持平衡。
1.4.3 高可靠性：以集裝箱船為例，假若電源出現(xiàn)故障停機(jī)，船上的壓縮機(jī)一旦停轉(zhuǎn)，需要冷貯的貨物就會有巨大的損失，產(chǎn)生極其惡劣的后果。
1.4.4 逆功率問題：目前岸電的連船方式都是岸電送至船上，由船上發(fā)電機(jī)來主動跟蹤岸電的幅值、頻率、相位進(jìn)行并網(wǎng)，但是因為調(diào)節(jié)過程中發(fā)電機(jī)的調(diào)節(jié)不會那么精準(zhǔn)迅速，所以會產(chǎn)生由發(fā)電機(jī)往電源輸送功率的現(xiàn)象，導(dǎo)致電源損壞。
二、項目概況
寧波港是我國大陸重要的集裝箱遠(yuǎn)洋干線港，同時也是我國大陸鐵礦、原油、液化品中轉(zhuǎn)儲存基地和華東地區(qū)主要的煤炭中轉(zhuǎn)儲存基地，由北侖港區(qū)、鎮(zhèn)海港區(qū)、大榭港區(qū)、穿山港區(qū)、寧波老港區(qū)組成。現(xiàn)有生產(chǎn)泊位191座，包括萬噸級以上大型泊位39座，其中5萬噸級以上至25萬噸級的特大型深水泊位25座。港口吞吐量位居世界第四、中國第二。
圖2.1遠(yuǎn)東碼頭
遠(yuǎn)東碼頭為寧波港北侖港區(qū)集裝箱碼頭。為響應(yīng)交通部要求，提升港口競爭力，首先針對九號，十號泊位配置岸電系統(tǒng)作為試點(diǎn)工程。
根據(jù)靠港船舶容量，建設(shè)岸電項目容量選定為3MVA。
2.1岸用電源整體方案：
系統(tǒng)方案示意圖
圖2.2系統(tǒng)方案圖
系統(tǒng)方案主要包含以下幾部分：
圖2.3系統(tǒng)配置圖
2.2系統(tǒng)方案說明
（1）系統(tǒng)總體采用高-高方案，直接10kV輸入，6.6kV輸出，無需升壓變壓器，變頻電源部分采用成熟的單元級聯(lián)式方案，輸入諧波小、功率因數(shù)高，無需設(shè)置輸入濾波器及無功補(bǔ)償；
（2）變頻電源選型：HD90P-J066/3000-DN，容量為3MVA，每相配置6個功率單元，每個功率單元額定電壓690V，整機(jī)額定輸入10kV，額定輸出6.6kV/60Hz，同時可以選擇輸出6kV/50Hz。
型號解釋如下：
圖2.5產(chǎn)品命名
（3）匯川供貨范圍：HD90P系列高壓變頻電源，含輸出濾波系統(tǒng)，隔離變壓器（可選，若用戶自己采購，則必需符合我司所提供的技術(shù)參數(shù)）
注：其余輔助設(shè)備不在匯川供貨范圍之內(nèi)，如輸入、輸出開關(guān)柜、高壓接口箱。
2.3技術(shù)參數(shù)表
三、 HD90P簡介
3.1系統(tǒng)工作原理
圖3.1產(chǎn)品原理圖
電網(wǎng)電壓經(jīng)主變壓器隔離移相后為功率單元供電，每個功率單元為一個單相交-直-交電壓型逆變器，單元串聯(lián)星接后形成三相變頻電源給負(fù)載供電。根據(jù)串聯(lián)單元級數(shù)的不同，產(chǎn)品分為3kV、6kV/6.6kV、10kV三個系列。主變壓器采用移相整流方式，輸入功率因數(shù)高，輸入電壓電流諧波小。滿足IEEE519-1992和GB/T 14549-93對電壓和電流最嚴(yán)格的諧波失真要求。變頻器輸出采用多重化PWM技術(shù)，輸出為近乎完美的正弦波。
3.2環(huán)境適應(yīng)性專項設(shè)計
岸電安裝于海岸附近，屬于特殊環(huán)境應(yīng)用，具有潮濕及高鹽霧的特點(diǎn)，高壓變頻器針對此應(yīng)用環(huán)境需進(jìn)行特殊環(huán)境適應(yīng)性處理
3.2.1 整機(jī)柜體：
1）柜體噴涂戶外粉；
2）設(shè)計加熱器；
3.2.2 銅排：表面鍍鎳處理
3.2.3 功率單元：
1）散熱器酸化處理；
2）單元外殼采用覆鋁鋅板，切面防銹處理；
3）導(dǎo)軌采用覆鋁鋅板，切面防銹處理；
3.2.4所有PCB板：多加工一次三防漆，做加厚處理（匯川使用的三防漆品牌為德國ELANTAS以及PETERS）
圖3.2三防漆自動噴涂設(shè)備
3.2.5 移相變壓器：
1）變壓器金屬結(jié)構(gòu)件鍍鋅或達(dá)克羅處理；
2）變壓器緊固件三防處理；
3）變壓器鐵芯覆蓋漆使用三防漆；
4）變壓器風(fēng)機(jī)等附件三防處理；
四、技術(shù)方案優(yōu)勢
4.1逆功率控制技術(shù)
在連船并網(wǎng)及解列過程中可能會出現(xiàn)發(fā)電機(jī)頻率及幅值調(diào)節(jié)不準(zhǔn)確的情況，導(dǎo)致逆功率的產(chǎn)生，匯川變頻電源具有智能逆功率控制技術(shù)，能夠有效抑制逆功率的產(chǎn)生，提高了整個系統(tǒng)的可靠性；
圖4.1逆功率示意圖
4.2 V/F分離相序一鍵切換技術(shù)
在變頻電源類場合需要變頻器輸出不同電壓及頻率的組合，且負(fù)載不完全是電動機(jī)類，所以對于變頻器來說就需要具備VF分離控制技術(shù)，匯川HD90P系列高壓變頻器具備此功能，實現(xiàn)對電壓、頻率的分別控制，既可以滿足6.6kV/60Hz船用電的需求，也滿足特殊情況下6kV/50Hz船用電的需求，并根據(jù)實際情況進(jìn)行電壓和頻率的調(diào)節(jié)。
與此同時，在岸電連船過程中，若發(fā)生岸用電源與船用電相序不同的狀況，也可在觸摸屏上實現(xiàn)對電源相序的一鍵切換，簡單易用，節(jié)省時間人力，免去手動更改動力主回路的麻煩。
圖4.2電源調(diào)節(jié)HMI界面
4.3三相輸出獨(dú)立控制技術(shù)
因變頻電源的負(fù)載有別于變頻器的電機(jī)類負(fù)載，船上單相負(fù)載的使用，導(dǎo)致其三相間負(fù)載分配不可能絕對的平衡，從而每相之間的壓降可能會有差別。匯川變頻電源具有三相輸出獨(dú)立控制技術(shù)，對電壓實行閉環(huán)控制，三相負(fù)載不平衡度達(dá)20%，依然保持三相線電壓對稱輸出；現(xiàn)場測試波形記錄如下，啟動時三相負(fù)載并不平衡，兩相間電流相差別很大，但對比觀察下方電壓波形，依然穩(wěn)定對稱。
圖4.3三相輸出獨(dú)立控制技術(shù)
4.4 電子式單元旁路中性點(diǎn)漂移技術(shù)
因為岸電使用中，是有不停機(jī)要求的，傳統(tǒng)機(jī)械式單元旁路功能從單元故障發(fā)生到單元旁路啟動會有200ms的延時，這是不允許的，所以我司岸用電源產(chǎn)品采用電子式單元旁路。運(yùn)行中功率單元故障時，變頻器可將故障單元在線自動旁路并繼續(xù)運(yùn)行，等情況允許時再停機(jī)排除故障。
同時，HD90P的非對稱旁路技術(shù)在單元旁路后，通過改變相電壓的相位差，在僅旁路掉故障單元的情況下，實現(xiàn)三相間線電壓的對稱。可以得到比傳統(tǒng)旁路方案更高的電壓輸出幅值。
圖4.4非對稱旁路技術(shù)示意圖
4.5完美無諧波技術(shù)
匯川HD90P通過單元移相輸入，單元級聯(lián)多電平輸出外加濾波器的方案，保證輸入諧波質(zhì)量達(dá)到電網(wǎng)要求，輸出電壓諧波滿足船用電指標(biāo)，下圖為寧波港岸電連船實時監(jiān)測的輸出電壓諧波數(shù)據(jù)。可以看到，三相電壓最高總諧波含量只有0.8%，完全滿足并超出標(biāo)準(zhǔn)要求。
圖4.4諧波含量測試圖
五、現(xiàn)場應(yīng)用照片
圖5.1岸電設(shè)備配電室
圖5.2負(fù)載船只照片
圖5.3設(shè)備照片
圖5.4正常運(yùn)行照片
圖5.5岸電箱及連船照片
六、結(jié)束語
靠岸船舶燒重油運(yùn)轉(zhuǎn)輔機(jī)污染十分巨大，是近口岸城市空氣污染的重要來源。在集裝箱，郵輪，散貨碼頭中，對獲得向船舶供電能力的訴求是十分迫切的。首先可以減少廢氣排放，保護(hù)港口城市環(huán)境，其次降低船舶靠港成本，改善船員生活環(huán)境，提升港口競爭力。但目前我國岸用電源技術(shù)還比較落后。其中，不提電源質(zhì)量，單只逆功率問題就導(dǎo)致國內(nèi)大部分岸電項目以失敗告終。
蘇州匯川技術(shù)有限公司依托多年的自動化行業(yè)的應(yīng)用經(jīng)驗，對岸電行業(yè)所需變頻電源具有獨(dú)到的方案解決能力，HD90P系列高壓變頻電源為具有三相輸出獨(dú)立控制、逆功率智能控制技術(shù)的高可靠變頻電源。專為岸電行業(yè)設(shè)計，突破當(dāng)前岸電發(fā)展瓶頸，打破進(jìn)口品牌壟斷，為我國環(huán)境保護(hù)事業(yè)與港口發(fā)展做出貢獻(xiàn)。
