崔 曉，柳貴東，熊 宇，曾貴娥

（廣東白云學(xué)院，廣東 廣州 510450）

0 引 言

船舶駛?cè)敫劭诖a頭泊位后，需要利用岸上電網(wǎng)及時(shí)為船舶供電。岸電接入之后，與船舶電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)并行并網(wǎng)運(yùn)行，可以直接將船舶用電負(fù)載轉(zhuǎn)移到岸電電源，能有效減少船用柴油發(fā)電機(jī)使用頻率，既能降低環(huán)境污染，又能節(jié)省發(fā)電成本。由此來(lái)看，船舶岸電變頻電源系統(tǒng)控制非常關(guān)鍵。目前，世界上絕大多數(shù)港口都以低壓供電為主，而低壓供電系統(tǒng)需要9根以上低壓電纜相連接，整個(gè)系統(tǒng)接線復(fù)雜、電線距離過(guò)長(zhǎng)，嚴(yán)重增加無(wú)功功率損耗。使用高壓供電的方式只需要使用少量高壓電纜，接線非常簡(jiǎn)單快速，線路損耗較小。但高壓供電應(yīng)用存在安裝船用簡(jiǎn)易變電站、自動(dòng)控制并網(wǎng)、大功率變頻變壓等問(wèn)題，使得岸基變頻電源供電不穩(wěn)。對(duì)此，積極針對(duì)岸基變頻電源系統(tǒng)控制進(jìn)行深入分析，運(yùn)用VF分離控制、三相獨(dú)立控制、雙向同步并網(wǎng)控制等關(guān)鍵技術(shù)，明確船舶岸電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，確保港口岸基變頻電源系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定。

1 船舶岸電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

船舶岸電系統(tǒng)主要包括岸基供電設(shè)備、接口裝置、受電設(shè)備，為了確保采用高壓變頻的設(shè)計(jì)方案，在岸電設(shè)備選擇上應(yīng)以固定式結(jié)構(gòu)為主，電源容量保持在2 000 kV，電源采用10 kV/50 Hz輸入，為停靠船舶提供穩(wěn)定電源。整個(gè)岸基變頻電源系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)高壓線高壓供電、低壓線低壓供電，避免高壓低壓相互干擾，滿足不同船舶供電系統(tǒng)的實(shí)際要求[1]，在不增加電力設(shè)備的基礎(chǔ)上提高岸電電源的綜合應(yīng)用范圍，具有較大的靈活性。岸基高壓變頻電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)保證所有電源和頻率設(shè)計(jì)嚴(yán)格按照《船舶電力系統(tǒng)等級(jí)》進(jìn)行，確保整個(gè)系統(tǒng)投入和退出穩(wěn)定可靠；供電系統(tǒng)運(yùn)行期間，要確保岸電系統(tǒng)的質(zhì)量與國(guó)家規(guī)定保持一致，岸電變頻電源裝置實(shí)現(xiàn)同步切換，增強(qiáng)自我保護(hù)能力和穩(wěn)定的信號(hào)傳輸能力，還要有一定的設(shè)計(jì)冗余度。岸電控制系統(tǒng)需要對(duì)整個(gè)岸電系統(tǒng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行及時(shí)的監(jiān)控和遠(yuǎn)程操作，確保未來(lái)智慧港口順利建設(shè)。

VFPS系列海岸電力系統(tǒng)采用“單元系列多級(jí)”“高—高”直接輸入輸出模式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1），并通過(guò)相移多級(jí)技術(shù)減少輸入端諧波，減少對(duì)電網(wǎng)的諧波污染。相位輸出電壓通過(guò)SPWM波形調(diào)制和疊加由多個(gè)電源裝置形成，減少輸出電壓諧波成分和輸出電壓DV/DT變化率。VFPS系列海岸電力系統(tǒng)采用電力設(shè)備的串行連接形式，電壓疊加原理與“電池堆棧疊加”技術(shù)相似。需要6.6 kV輸出時(shí)，6個(gè)電源設(shè)備串聯(lián)連接到每個(gè)相位，每個(gè)電源設(shè)備輸出的有效交流值為634 V，相位電壓為3 810 V，線路電壓為6 600 V。每個(gè)設(shè)備最多可輸出690 V，系統(tǒng)最多可輸出7 170 V。VFPS系列陸地電源系統(tǒng)由18個(gè)電源設(shè)備組成，每個(gè)電源設(shè)備串聯(lián)連接，形成相位。相位轉(zhuǎn)換變壓器的輸入端為36脈沖整流器，輸出線電壓完全調(diào)制到25級(jí)，輸出端為3相，形成Y型連接，直接為船舶系統(tǒng)供電。VFPS系列陸地電源控制器采用DSP+ARM+FPGA模型，采用多數(shù)字微處理器的配置。每個(gè)芯片都采用最先進(jìn)的配置。DSP頻率為150 m，特殊電機(jī)控制芯片為150 m。FPGA強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和豐富的接口功能，保證了主控機(jī)與各單元之間的通信，并保證了故障反饋高可靠性和計(jì)算快速，與將單片機(jī)作為核心設(shè)備組成的主控制系統(tǒng)相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)?？刂葡到y(tǒng)是逆變器的核心控制裝置，不僅能調(diào)整所有動(dòng)力裝置的工作，而且能實(shí)現(xiàn)負(fù)荷和陸上電力系統(tǒng)本身的各種保護(hù)功能，還能通過(guò)用戶控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)和模擬數(shù)量?？刂葡到y(tǒng)和電源之間使用高速光纖通信，確?？刂葡到y(tǒng)和高壓電源之間完全電氣絕緣，系統(tǒng)具有極高的安全性和抗干擾能力。主控制系統(tǒng)主要由主控制板、外部接口和部分檢測(cè)電路組成。其中，主控制板由主控制電路、監(jiān)控電路、液晶人機(jī)接口通信接口、電壓和電流檢測(cè)電路以及光纖通信電路組成。

圖1 高—高變頻系統(tǒng)拓?fù)鋱D

2 VF分離控制技術(shù)

變頻電源負(fù)載需要滿足不同電動(dòng)機(jī)的類型，利用VF分離控制技術(shù)可以輸出不同的電壓和頻率，增強(qiáng)船舶用電的適用性。還能根據(jù)實(shí)際工況按照比例調(diào)節(jié)，串聯(lián)多個(gè)電平疊加變頻電源，利用高—高的變頻設(shè)計(jì)方案，對(duì)無(wú)數(shù)個(gè)低壓功率單元進(jìn)行串聯(lián)，增強(qiáng)電壓的功率疊加輸出能力。整個(gè)電網(wǎng)電壓由許多逆向變壓器加壓后輸出給功率單元[2]。功率單元包括三相輸入單相輸出的逆變器，可以實(shí)現(xiàn)交直交、PWM轉(zhuǎn)換、串聯(lián)功率。在輸入和輸出端直接形成外形結(jié)構(gòu)，確保電壓頻率能實(shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié)，而變壓器二次繞組則采用絕緣形式，增強(qiáng)變頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性與可靠性。不同功率單元的整體結(jié)構(gòu)和形式基本一致，能實(shí)現(xiàn)互換共用。三相低壓電源的輸入端全部接入全波整流橋，能直接將低壓交流轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷鳌２捎秒娊怆娙莩浞烹姽δ芘cIGBT共同組合成H型逆變橋電路，實(shí)現(xiàn)快速逆變。根據(jù)高速率光纖基本功能單元，還能對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行及時(shí)接收，對(duì)IGBT A、B、C、D不同模塊進(jìn)行快速導(dǎo)通與關(guān)斷，整個(gè)功率單元具有多樣化的電壓輸出環(huán)境，能根據(jù)實(shí)際電壓頻率進(jìn)行準(zhǔn)確調(diào)節(jié)。每一個(gè)功率單元中的電壓等級(jí)，都直接決定變頻電源的輸出電壓，但與傳統(tǒng)意義上直接串聯(lián)的高壓輸出形式不同，不存在器件均壓?jiǎn)栴}，可以有效避免器件被擊穿，增強(qiáng)整個(gè)變頻系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性。變頻電源獨(dú)立的功能單元共同串聯(lián)輸出的電壓由每一個(gè)功率單元的電壓等級(jí)和串聯(lián)數(shù)量共同決定，船舶電氣負(fù)載均為電動(dòng)機(jī)類型時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際工況對(duì)電壓和頻率進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，保證單獨(dú)控制電壓和頻率[3]。

3 船岸同步雙向并網(wǎng)技術(shù)

進(jìn)行岸基變頻電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，岸基電源與船舶電力系統(tǒng)并網(wǎng)是非常關(guān)鍵的內(nèi)容。陸電網(wǎng)與船電網(wǎng)并車(chē)需要在電網(wǎng)接入岸電網(wǎng)以后，對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)的電力電壓相位頻率進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，與岸電網(wǎng)相關(guān)參數(shù)保持一致。系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)后，柴油機(jī)必須停止運(yùn)轉(zhuǎn)。船舶準(zhǔn)備離岸要及時(shí)開(kāi)啟船用發(fā)電機(jī)，對(duì)電壓頻率和相位進(jìn)行調(diào)整，保證與岸電電源參數(shù)一致，岸基電源停止供電，岸基電源電壓和頻率必須按照船舶電力系統(tǒng)的等級(jí)進(jìn)行設(shè)置[4]。實(shí)際操作時(shí)，需要對(duì)探測(cè)輸出開(kāi)關(guān)柜與網(wǎng)柜采集的岸電電壓信號(hào)保持同步，對(duì)岸電電壓相位和頻率進(jìn)行分析。變頻器輸出電流不斷提高，機(jī)電流在逐漸下降，最后整個(gè)船上系統(tǒng)信號(hào)切換完成，自動(dòng)切除輔機(jī)，確保船岸快速并車(chē)，整個(gè)運(yùn)行過(guò)程并不會(huì)產(chǎn)生干擾信號(hào)[5]。

4 三相獨(dú)立控制穩(wěn)壓技術(shù)

變頻電源自身特性與變頻器電機(jī)負(fù)載特性具有顯著差異，三相負(fù)載的分配也存在其獨(dú)特的特點(diǎn)。進(jìn)行三相獨(dú)立控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要保證三相均為獨(dú)立控制，要減少三相阻抗相互干擾的問(wèn)題，將采樣輸出電壓作為負(fù)反饋閉環(huán)控制，保證電壓供給質(zhì)量。三相獨(dú)立控制最終目標(biāo)是保證每一相輸出電壓的幅值和相位保持穩(wěn)定，運(yùn)用雙閉環(huán)的控制方式，以順時(shí)針作為實(shí)際控制對(duì)象，將輸出濾波雜質(zhì)去除，有效減少不必要干擾。在電容電流內(nèi)部形成反饋量，提高整個(gè)逆變器閉環(huán)控制效果?？刂破鹘Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單，不容易失真，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度非?？?。在雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)中，由于控制對(duì)象可以直接將瞬時(shí)輸出電壓作為外環(huán)反饋，保證并網(wǎng)逆變器直流側(cè)電壓穩(wěn)定。內(nèi)環(huán)反饋器主要運(yùn)用濾波電容電流，能實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)控制，還可以對(duì)輸出電壓電容電流微分環(huán)節(jié)快速校正，整個(gè)電源三相獨(dú)立控制系統(tǒng)負(fù)載能力更強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度非?？?、靜態(tài)誤差比較小[6]。

應(yīng)用雙向同步并網(wǎng)技術(shù)時(shí)，岸基電源與船舶電網(wǎng)的運(yùn)行控制與岸電離網(wǎng)和岸電并網(wǎng)分為兩個(gè)部分，在岸電并網(wǎng)和離網(wǎng)過(guò)程中，可以對(duì)船舶電網(wǎng)進(jìn)行及時(shí)調(diào)度。船舶進(jìn)港后，船用能量管理系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)岸電逆變器的輸出電壓頻率和幅值，與船用電力系統(tǒng)保持一致，經(jīng)同步處理后，負(fù)荷轉(zhuǎn)移率在85%以上，船用輔機(jī)停網(wǎng)運(yùn)行后由岸電供電，當(dāng)船用逆變器離開(kāi)時(shí)，首先啟動(dòng)船用逆變器，當(dāng)岸電電壓頻率與相位岸電一致時(shí)，岸電解列網(wǎng)由船用發(fā)動(dòng)機(jī)供電。

5 結(jié) 論

變頻電源系統(tǒng)對(duì)港口運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)行影響極大，能為船舶生產(chǎn)、生活提供必備能源，還可以有效減少環(huán)境污染，節(jié)約供電成本。目前，岸電以低壓供電系統(tǒng)為主，供電速率慢，而且存在許多問(wèn)題，必須積極針對(duì)大功率負(fù)載條件下非變頻岸基電源系統(tǒng)進(jìn)行高壓控制。運(yùn)用VF分離控制技術(shù)、船岸同步雙向并網(wǎng)技術(shù)及三相獨(dú)立技術(shù)，確保岸基變頻電源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，為建設(shè)智慧型港口自動(dòng)化港口提供重要技術(shù)支持。