港口岸電系統(tǒng)及其電力變換研究

邵明杰，施偉鋒

（上海海事大學(xué) 物流工程學(xué)院，上海 201306）

港口岸電系統(tǒng)及其電力變換研究

邵明杰，施偉鋒

（上海海事大學(xué) 物流工程學(xué)院，上海 201306）

根據(jù)港口岸電的發(fā)展趨勢(shì)和大量的低壓電制船舶供電需求，本文首先設(shè)計(jì)了一種可供船舶靠港期間正常運(yùn)作和日常用電的移動(dòng)式岸基船用變壓變頻供電系統(tǒng)。然后，在MATLAB/Simulink中建立了此系統(tǒng)的數(shù)字仿真模型。最后，采用上海港外高橋二期集裝箱碼頭岸電嘗試案例中的數(shù)據(jù)進(jìn)行正常工況和單相短路故障仿真，仿真結(jié)果表明：正常工況下輸出電壓、頻率穩(wěn)定可靠，故障情況下，輸出線電壓波形不變，負(fù)載可短時(shí)間運(yùn)行。

港口岸電 移動(dòng)式 變壓變頻 仿真

0 引言

在港航業(yè)蓬勃發(fā)展的今天，靠港船舶依靠其輔機(jī)燃燒柴油供電對(duì)周圍環(huán)境造成的污染會(huì)嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境質(zhì)量。應(yīng)“十三五”規(guī)劃提出的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善指標(biāo)，港航領(lǐng)域通過對(duì)靠港船舶接用岸電為其提供電能會(huì)大大減少空氣污染，改善當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境質(zhì)量，同時(shí)這也是建設(shè)綠色港口的重要一步。先前的岸基船用變壓變頻供電系統(tǒng)需要對(duì)碼頭進(jìn)行動(dòng)工改造，碼頭還要為其提供必需的電氣設(shè)備才能供其正常運(yùn)作，應(yīng)用靈活性差。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國大多數(shù)是為電制380 V/50 Hz和 450 V/60 Hz的靠港船舶提供岸電，6.6 kV/60 Hz的船舶僅占10%左右[1]，所以研究輸出為450 V/60 Hz的可移動(dòng)式岸電電源具有實(shí)際意義。

1 岸基船用供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前，船用岸電供電方式有三種典型的方式，分別為：低壓岸電/低壓船舶/60 Hz直供電，高壓岸電/低壓船舶/50 Hz直供電，高壓岸電/高壓船舶/60 Hz直供電[2]。本文以上海港在外高橋二期集裝箱碼頭為集裝箱班輪提供岸電的嘗試（輸入為10 kV/50 Hz，輸出為440 V/60 Hz）[3]為例展開研究。其船用岸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，接電箱引出10 kV/50 Hz線纜至移動(dòng)岸電箱，該移動(dòng)岸電箱內(nèi)置變壓變頻裝置，可按需進(jìn)行電壓、頻率轉(zhuǎn)換，移動(dòng)岸電箱另一側(cè)直接接船舶負(fù)載，使用起來方便靈活。

圖1 岸基船用供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 移動(dòng)式岸電電源設(shè)計(jì)方案

該移動(dòng)式岸電電源系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：降壓變壓器、串聯(lián)整流器、兩電平逆變器、正弦濾波器、隔離變壓器，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 降壓變壓器

該降壓變壓器為三相三繞組變壓器，實(shí)現(xiàn)陸域電網(wǎng)電壓10kV/50Hz到岸電電源工作電壓的轉(zhuǎn)變，其一次側(cè)繞組采用三角形接法，二次側(cè)繞組一個(gè)采用星形接法且中線可見，另一個(gè)采用三角形接法，繞組間互差30°，其結(jié)構(gòu)在圖2中可見。

2.2 功率單元

功率單元即為整流逆變環(huán)節(jié)，整流電路采用兩個(gè)全橋二極管整流串聯(lián)形式，以抬高直流側(cè)輸出電壓，同時(shí)也可以減少對(duì)網(wǎng)側(cè)電壓電流波形的污染。為了減小整流過程中電容里會(huì)流過對(duì)二極管有損壞作用的浪涌電流，在直流側(cè)采取接入電抗器的措施，電感值為0.0002 H，電容值為0.005 F。逆變器是實(shí)現(xiàn)直流到交流和頻率轉(zhuǎn)換的重要部分，采用三相橋式逆變電路，通過調(diào)制信號(hào)控制晶閘管的導(dǎo)通關(guān)斷順序和作用時(shí)間來實(shí)現(xiàn)其逆變功能，其結(jié)構(gòu)在圖2中可見。

2.3 隔離變壓器

正弦濾波器將逆變輸出的方波濾成正弦波輸出到隔離變壓器，在得到所需電壓的同時(shí)可以避免非線性電氣負(fù)載對(duì)電源系統(tǒng)造成的諧波污染和由于負(fù)載設(shè)備故障造成的電源系統(tǒng)損壞，其結(jié)構(gòu)在圖2中可見。

圖2 移動(dòng)式岸電電源結(jié)構(gòu)

2.4 控制器

圖3 逆變器脈沖控制圖

實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器正確的脈沖觸發(fā)是控制器設(shè)計(jì)的重要一環(huán)，調(diào)制步驟主要是通過采集濾波后的電壓，在鎖相環(huán)（PLL）給坐標(biāo)變換器abc-dq0、dq0-abc提供角頻率的同時(shí)，采集到的實(shí)時(shí)電壓經(jīng)abc-dq0坐標(biāo)變換與給定值進(jìn)行比較，再通過 PI調(diào)節(jié)器和dq0-abc坐標(biāo)變換輸出給PWM發(fā)生器，進(jìn)而產(chǎn)生脈沖觸發(fā)逆變器，其結(jié)構(gòu)在圖3中可見。

3 仿真分析

3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

仿真程序中關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置集中如下：三相電源電壓等級(jí)、頻率、容量分別設(shè)置為10 kV、50 Hz、10 MVA；降壓變壓器變比為10 kV/720 V；正弦濾波器中L=0.005 mH，Qc=0.003 Kvar；隔離變壓器變比為660 V/460 V；PWM發(fā)生器載波頻率2400 Hz，控制器中PI調(diào)節(jié)器的比例、微分參數(shù)分別為Kp=0.4、Ki=500；鎖相環(huán)頻率設(shè)置為60 Hz。

圖4 岸基船用供電系統(tǒng)仿真圖

3.2 正常工況分析

圖5 隔離變壓器一次側(cè)線電壓

圖6 隔離變壓器一次側(cè)線電壓局部放大圖

靠港船舶正常用電情況下，輸出環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)曲線如圖5-9所示。 從圖5中可以看出隔離變壓器一次側(cè)線電壓曲線在0.01 s內(nèi)經(jīng)過一個(gè)過電壓之后便可達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，峰值為660 V。

從圖 7中可以看出負(fù)載端三相電壓曲線在0.01 s內(nèi)經(jīng)過一個(gè)不穩(wěn)定期之后便可進(jìn)入穩(wěn)定平衡電壓狀態(tài)，峰值為450 V。從圖9所示的頻率波動(dòng)曲線中可以看出，0.02 s內(nèi)頻率波動(dòng)誤差為0.25 Hz，之后頻率基本維持在60 Hz左右。

圖7 負(fù)載端三相電壓波形

圖8 負(fù)載端三相電壓波形局部放大圖

3.3 故障狀態(tài)分析

當(dāng)遭遇惡劣天氣時(shí)，靠港船舶很容易因?yàn)榧装迳侠藢?dǎo)致突發(fā)性短路故障，仿真程序中利用故障模塊模擬靠港船舶單相接地故障，由于船舶岸電系統(tǒng)采用分布式IT接地方式，故船體負(fù)載處于懸浮狀態(tài)[2]。設(shè)置0.05 s時(shí)發(fā)生A相接地故障，0.1 s時(shí)自動(dòng)解除。仿真結(jié)果如圖10-11所示，不難可以看出，故障相A的電壓降到零，非故障相的電壓升高為線電壓，且線電壓圖形依然保持對(duì)稱且大小不變，實(shí)際中應(yīng)根據(jù)故障信號(hào)人為排查解除故障，以免造成更大的危害。

圖9 逆變頻率圖

圖10 故障狀態(tài)三相相電壓

4 結(jié)束語

本文在采用三相三繞組變壓器二次側(cè)串聯(lián)二極管橋式整流電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上，和逆變器脈沖控制方法上有所新意，并在 MATLAB/Simulink中有效的模擬了上海港外高橋二期集裝箱碼頭岸電嘗試的例子，無論在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)還是故障情況下，仿真結(jié)果真實(shí)有效，能反映實(shí)際情況，可供港航業(yè)相關(guān)技術(shù)人員參考使用。

圖11 故障狀態(tài)三相線電壓

[1]崔杰. 低壓船舶岸電供電電源的研制[D]. 秦皇島：燕山大學(xué)碩士學(xué)位論文, 2015:2.

[2]畢大強(qiáng), 郜克存, 戴瑜興. 船舶岸電技術(shù)[M]. 北京:科學(xué)出版社, 2015: 4-6, 189.

[3]包起帆. 上海港岸基船用供電系統(tǒng)研究與實(shí)踐[J].中國工程科學(xué), 2011, (09): 63-68.

Research on Shore Power Supply System and its Power Conversion in Port

Shao Mingjie, Shi Weifeng
(Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

According to the development trend of ship-to-shore power supply and a large number of low-voltage ships, a portable land-based marine VVVF power supply system is firstly designed in this paper for ship-to-shore during normal operation and daily use of electricity, and then its digital simulation model is set up by MATLAB/Simulink. Finally, the normal working condition and single-phase short circuit fault simulation are carried out by using the data in the case of the onshore Power Supply in Shanghai Port Waigaoqiao Terminal. The simulation results show that the output voltage and frequency under normal condition is stable and reliable, the output line voltage is waveform unchanged under fault conditions, and the load can run in short time.

ship-to-shore power; portable; VVVF; simulation

TM43

A

1003-4862（2017）10-0064-04

2017-07-18

邵明杰(1991-)，男，碩士生。研究方向：船舶/港口系統(tǒng)的建模與控制。E-mail：mjshaomj@163.com