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1、變頻電源應(yīng)用案例

1.1 廈門遠海集裝箱碼頭3MW岸電系統(tǒng)

廈門遠海集裝箱碼頭作為福建省首個港口岸電電源試點項目，得到了福建省、中遠海運集團、國網(wǎng)廈門供電公司領(lǐng)導高度重視與支持，并于2016年12月14日正式投運，意味著今后停靠在廈門遠海集裝箱碼頭的船只，可以通過岸上電源直接給船舶供電，減少對大氣與海洋的污染，對推動綠色港口建設(shè)，具有重要社會與經(jīng)濟意義。

2017年3月7日上午，隨著一艘巨輪EVERLISSOME LONOON號慢慢駛?cè)霃B門港遠海碼頭，由希望森蘭科技股份有限公司與上海艾臨科智能科技有限公司共同研制的新一代VFPS系列戶外集裝箱式智能岸電電源系統(tǒng)正式服役之旅。隨后EVER LISSOME LONNON號船上工作人員開始放船用連接高壓電纜，岸上工作人員將高壓電纜連接到港口#14泊位區(qū)岸電接線箱，EVER LISSOME LONNON具有連接岸電條件。經(jīng)過檢查船上連接安全回路，一切準備就緒。隨著連船總指揮一聲指令，希望森蘭VFPS系列岸電電源系統(tǒng)進入一鍵啟動程序。上午11點19分5秒，VFPS系列岸電電源系列正式進入并網(wǎng)程序，并網(wǎng)過程無沖擊，負荷從船上發(fā)電機系統(tǒng)慢慢向岸上電源系統(tǒng)轉(zhuǎn)移，并于10S后船上發(fā)電機系統(tǒng)順利解列，正式由VFPS系列岸電電源供電。經(jīng)過11個小時連續(xù)運行，晚上22:5分再次完成發(fā)電機并網(wǎng)，并將岸上電源順利解列，至此，與EVER LISSOME LONNON號連船順利結(jié)束，連船宣告成功。本次連船岸上供電14823度電，岸上電源最大輸出功率為1658KW，輸出電壓穩(wěn)定度0.3%，輸出頻率穩(wěn)定度0.1%。

1.2 嘉興港嘉化碼頭2MW低壓防爆岸電系統(tǒng)

“嗚——！”，一聲悠長的汽笛聲打破了嘉港石化碼頭的寧靜，一艘裝滿油品的貨輪緩緩駛?cè)氩次弧Ｒ幻a頭工作人員熟練得操作電纜卷盤車，將三根電纜輕松舉升至貨輪左舷，接到船用接電箱上，合上開關(guān)。隨即，貨輪上轟鳴的輔機停止了運行，岸電為靠岸船舶的后續(xù)作業(yè)提供了綠色能源。

防爆型電纜卷盤車

嘉興市嘉港石化碼頭有限公司是一家危險化學用品運輸物流公司，到港船舶必須采用船舶輔機發(fā)電，以滿足船上的用電需求。輔機在工作中燃燒大量油料，會排出大量黑煙，產(chǎn)生環(huán)境污染和噪聲污染。這不僅影響港口低碳生態(tài)的發(fā)展建設(shè)，而且增加了爆炸和火災(zāi)的風險，對碼頭的健康可持續(xù)發(fā)展帶來不小的挑戰(zhàn)。

嘉港石化碼頭前沿

2016年底，由希望森蘭科技股份有限公司與上海艾臨科智能科技有限公司聯(lián)合為嘉港石化碼頭提供了全新設(shè)計的專用于危險區(qū)域的SB70防爆型智能岸電電源系統(tǒng)解決方案。該系統(tǒng)將10kV/50Hz電源轉(zhuǎn)變?yōu)?40V/60Hz及400V/50Hz可變雙頻雙壓輸出至碼頭防爆接電箱，需要連船時將接電箱與移動式防爆電纜卷盤車連接，再由卷盤車將電纜舉升至改造后的船用接電箱處連接，進行岸電向船電的輸送。

嘉港石化碼頭岸電系統(tǒng)流程圖

本套岸電系統(tǒng)在碼頭前沿的電纜接電箱和電纜卷盤車的設(shè)計上都運用了國內(nèi)首創(chuàng)的防爆型設(shè)計，防爆等級為IIBT4，實際大部分設(shè)備防爆等級達到了IIBT6，符合GB3836.1-2000《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備 第1部分：通用標準》要求，較傳統(tǒng)岸電系統(tǒng)更加安全可靠，符合?；a頭接岸電需求。本系統(tǒng)核心部分變頻電源為2套森蘭SB70P系列變頻電源，單臺容量1MVA，采成直流共母排方案。SB70P系列低壓岸電變頻電源基于森蘭22年成熟低壓平臺技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對岸電電源應(yīng)用需求特點定制開發(fā)的新一代高性能變頻電源，具有動態(tài)響應(yīng)快，過載能力強，控制精度高等優(yōu)點，無論是系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)選擇，控制性能，還是散熱系統(tǒng)設(shè)計，都首屈一指。

森蘭SB70P系列變頻電源

岸電系統(tǒng)建成后，船舶停泊靠岸期間將由電網(wǎng)向船用設(shè)備供電，代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃料油發(fā)電，實現(xiàn)有害氣體零排放，大幅度減少船舶排放在大氣污染排放清單中的占比。同時有效降低了船方的運輸成本，提高了經(jīng)濟效益。船舶靠港期間關(guān)閉輔機，也將減少船舶振動和噪音，提升船員生活質(zhì)量和港區(qū)環(huán)境品質(zhì)。

常態(tài)化連船

以嘉港石化碼頭平均每天船舶停靠16h，平均負荷200kW計算，采用岸電技術(shù)后單艘船舶全年可增售電量116.8萬kWh。節(jié)約燃料成本方面，柴油發(fā)動機單位油耗約250g/kWh，全年可替代柴油292t（250g/kWh×116.8萬kWh）；1kg柴油約合1.16L，油價按照5.50元/L測算，全年減少柴油燃料成本186.3萬元（292t×1.16L/kg×5.50元/L)。全年用電成本為140.1萬元（116.8萬kWh×1.2元/kWh，注：1.2元/kWh為目錄電價加收服務(wù)費后的單價水平）。全年單船舶燃料成本節(jié)約186.3萬元-140.1萬元=46.2萬元。 

1.3 變頻電源類產(chǎn)品部分業(yè)績：

2、岸電系統(tǒng)關(guān)鍵問題解決方案

2.1 逆功率控制技術(shù)

2.1.1 逆功率產(chǎn)生的原理及危害

岸用電源逆功率產(chǎn)生的機理：

兩個電壓源同時給負載供電時，由于并網(wǎng)運行時的相位、頻率和幅值之差導致的逆功率。下面從矢量圖分析幾種逆功率產(chǎn)生的機理，V1為岸用電源，V2為發(fā)電機電源。

當岸電電源系統(tǒng)出現(xiàn)逆功率時，會導致其功率單元母線電壓升高，嚴重情況下會導致系統(tǒng)報“單元過壓”故障，從而導致設(shè)備停機。影響岸電電源的供電質(zhì)量。

2.1.2 逆功率處理方案

變頻電源自動檢測逆功率工況，出現(xiàn)逆功率工況時，變頻電源自動調(diào)節(jié)變頻電源輸出頻率及輸出相位，自適應(yīng)船上發(fā)電機電壓變化，達到逆功率控制目的。具體的操作過程是：

岸電電源系統(tǒng)實時采樣輸出電壓與輸出電流信號，并計算輸出功率，當輸出功率為負時，通過內(nèi)部PID控制算法實時調(diào)整輸出電壓頻率與相位，從而達到實現(xiàn)逆功率抑制功能。

帶有能量回饋的四象限岸電電源，一般情況下，通過軟件抑制控制算法能夠有效防止逆功率事件發(fā)生。根據(jù)原理，逆功率如果得不到有效釋放，最終導致直流母線電壓升高。森蘭岸電電源系統(tǒng)實時監(jiān)測直流母線電壓值，當直流母線電壓值上升，通過有源整流AFE前端，實現(xiàn)對直流母線電壓的精確控制，能夠使逆功率反饋的能量通過回饋功能反饋到電網(wǎng)，從而保證岸電電源系統(tǒng)運行可靠性。

2.2 無功抑制功能

根據(jù)連船實踐，發(fā)電機連船并網(wǎng)瞬間，因發(fā)電機系統(tǒng)與岸電電源系統(tǒng)電壓、相位存在一定的差異，從而導致產(chǎn)生瞬間無功功率，如果不能及時得到控制，則有可能導致連船失敗。希望森蘭最新研制的VFPS及SB70P系列岸電電源專用電源，具有防無功諧振功能，具有很強的抗沖擊能力，在電氣選型設(shè)計的時候，考慮到因并網(wǎng)無功而導致的沖擊。在控制階段實時對電壓、相位進行實時控制，從而避免連船失敗。 

2.3 自動穩(wěn)壓功能

VFPS及SB70P系列岸電電源輸出采用電壓閉環(huán)控制，通過偵測輸出電壓反饋給AI，采用PID方式來保證輸出電壓的穩(wěn)定和輸出精度。為了適應(yīng)不平衡負載，對每相電壓進行單獨閉環(huán)控制，在負載不平衡的時候可以獨立分配每相的負載大小，從而保證在不平衡負載下三相輸出電壓平衡，以使船上用電設(shè)備不會受到電壓波動的影響。

由于電氣設(shè)備存在內(nèi)阻，岸電電源系統(tǒng)的輸出電壓存在一定的壓降。當設(shè)備負載高的時候（輸出電流大），壓降隨之升高，導致系統(tǒng)輸出電壓不能達到預(yù)期值。針對該現(xiàn)象，岸電變頻電源采取了PID調(diào)節(jié)的方式來解決，通過實時監(jiān)控輸出電源電壓值并加以調(diào)節(jié)的方式，保證系統(tǒng)輸出電壓的準確性，消除系統(tǒng)壓降帶來的影響。下圖為PID調(diào)節(jié)的控制方案圖：

通過PID調(diào)節(jié)方式消除系統(tǒng)壓降影響

岸電系統(tǒng)在輸出隔離變壓器后端設(shè)置了輸出電壓采樣點，該點采樣得到實時輸出電壓值后將數(shù)據(jù)送往系統(tǒng)內(nèi)部PID機構(gòu)進行對比，將結(jié)果轉(zhuǎn)換為控制指令后送往岸電系統(tǒng)。岸電系統(tǒng)對輸出電壓進行調(diào)節(jié)，最終輸出電壓達到預(yù)期輸出值，岸船連接段系統(tǒng)壓降問題被解決。 

2.4 輸出同步追蹤鎖相

岸電供電并網(wǎng)切換系統(tǒng)是船舶岸電系統(tǒng)中一個重要的環(huán)節(jié)，也是一個技術(shù)難點。岸電電源在給靠港船舶供電時，可實現(xiàn)船舶電源與岸電之間的無縫切換，船舶不需停電，變頻電源具有同步追蹤鎖相功能，在變頻器輸出和船載柴油發(fā)電機所發(fā)電的電壓、相位、頻率同步后，切入為船舶用電設(shè)備供電。這樣能保證船上的用電設(shè)備安全，并能平滑同步切換，不影響船上用電設(shè)備使用。希望森蘭VFPS及SB70P系列岸電電源可以選擇主動并網(wǎng)與被動并網(wǎng)。當選擇主動并網(wǎng)時，由岸電電源監(jiān)測船上電壓信號，并實現(xiàn)鎖相跟蹤控制，實時調(diào)整輸出電壓大小，為了防止逆功率事件發(fā)生，在控制時，有意使頻率與相位超前一定范圍，再發(fā)并網(wǎng)信號，從而實現(xiàn)與船舶發(fā)電系統(tǒng)無縫切換。當選擇被動并網(wǎng)時，岸電電源系統(tǒng)輸出一定的電壓，由船舶同期裝置實現(xiàn)對岸電電源與船舶供電電壓進行檢測，當滿足并網(wǎng)條件時，發(fā)并網(wǎng)指令。此時，由于船上并網(wǎng)裝置采樣精度原因，可能會產(chǎn)生逆功率事件，當逆功率事件發(fā)生時，岸電電源系統(tǒng)能夠及時檢測出逆功率，并調(diào)整電壓輸出，從而防止逆功率事件發(fā)生。

2.4.1 兩種并網(wǎng)方式

l  主動并網(wǎng)切換

變頻電源僅作為整個電網(wǎng)切換的主體，變頻電源根據(jù)采集到的船上輔機發(fā)電機發(fā)出電源的信息，包括電壓及電流，電壓信號主要用于變頻電源輸出電壓的標準，變頻電源輸出鎖頻鎖相，使輸出電源的相位、頻率、幅值、相序等與船上完全一致；

電流信息主要作用是讓變頻知道此時發(fā)電機的輸出功率，進行負載轉(zhuǎn)移，變頻電源可控制輸出，使輸出功率逐漸增大，直至將發(fā)電機所帶負載完全轉(zhuǎn)移至變頻電源供電；

主動并網(wǎng)目前有少部分應(yīng)用，其優(yōu)點是可以做到整個切換過程的智能化，如一鍵切換，中間所有過程可自動全部完成。

缺點是：需要船方的配合進行改造，否則無法知道發(fā)電機的電壓、電流等信息，那么此套系統(tǒng)將無法更加通用。

l  被動并網(wǎng)切換

變頻電源僅作為恒頻穩(wěn)壓的電源，按照要求輸出電壓及頻率，所有的電網(wǎng)之間的切換均依靠船上的同期柜，具體步驟如下：

變頻根據(jù)命令要求輸出電壓/頻率，電源通過輸出濾波、隔離變、接口箱、船上進線柜，直接送至船載的變頻電源并網(wǎng)柜，并網(wǎng)柜根據(jù)采集到的信息，顯示電源的相序、頻率、幅值、相位等信息，自動判斷是否具備并網(wǎng)條件，通過調(diào)整發(fā)電機的發(fā)電信息，直至具備并網(wǎng)條件后將變頻電源接入，成功并網(wǎng)后，發(fā)電機減小輸出功率，負載自動逐漸轉(zhuǎn)移至岸用電源供電，切換完成后，發(fā)電機退出工作；

被動切換是目前比較流行、采用最多的方案，因為其具有簡單、通用等特點，且可以實現(xiàn)單個電源同時給多條船只供電的情況，但缺點是目前船上與岸基電源之間除了安全聯(lián)鎖信號外，沒有其他信號交互，自動化程度低。

2.4.2 并網(wǎng)程序

在岸電供電并網(wǎng)切換系統(tǒng)中岸電是處于被控制和支配位置，并網(wǎng)、解列等指令皆有船電系統(tǒng)發(fā)出，為此現(xiàn)在岸電所要做的就是如何使岸電系統(tǒng)的電參數(shù)要求符合船電的要求。在首次并網(wǎng)運行前要有以下程序：

1) 確定船電的電壓、頻率等基本電參數(shù)要求；

2) 確保聯(lián)船前的相序確認；

3) 保證船舶的負載在岸電的負荷能力內(nèi)；

4) 安全回路要經(jīng)過驗證；

2.4.3 并網(wǎng)時要注意的問題

1) 并網(wǎng)會有輸出電流、電壓及頻率出現(xiàn)漂移而偏離電網(wǎng)頻率，產(chǎn)生不穩(wěn)定的情況而產(chǎn)生逆功率，且可能含有較大的電壓與電流諧波成分。

2) 當岸電和船電并網(wǎng)瞬間，由于電壓相位不同，可能發(fā)生較大的沖擊電流，造成相關(guān)設(shè)備損壞。

3) 岸電系統(tǒng)應(yīng)具有過壓、失壓、頻率檢測和保護功能，過負荷、短路自動隔離電網(wǎng)，逆向功率自動檢測與保護功能。

4) 逆功率保護裝置

逆功率保護裝置是由逆功率檢測器和防逆流控制系統(tǒng)組成。防逆流控制系統(tǒng)會隨時監(jiān)控電壓、電流，一旦發(fā)現(xiàn)向電網(wǎng)向岸電饋送電能，防逆流控制系統(tǒng)會起作用，以阻止電網(wǎng)向岸電系統(tǒng)供電。最終實現(xiàn)并網(wǎng)運行、轉(zhuǎn)移負載和解列而不出現(xiàn)逆功率的發(fā)生。如果出現(xiàn)故障性逆功率的產(chǎn)生，岸電系統(tǒng)將會進行逆功率保護跳閘。

2.4.4 岸電供電并網(wǎng)過程

l  岸電系統(tǒng)并網(wǎng)

1) 岸電送電上船后，合上岸電并網(wǎng)開關(guān)，由船舶并車柜確認相序及并網(wǎng)三要素電壓、頻率及相位角；

2) 符合并網(wǎng)條件，合上船上輔機并網(wǎng)開關(guān)；

3) 通過船電系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)移負載至岸電；

4) 船電輔機自動解列；

5) 由岸電進行帶載運行。

l  船電輔機并網(wǎng)

1) 由船舶并車柜確認并網(wǎng)三要素電壓、頻率及相位角；

2) 符合并網(wǎng)條件，合上船上輔機并網(wǎng)開關(guān)；

3) 通過船電系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)移負載至船電輔機；

4) 岸電系統(tǒng)自動解列；

5) 由船電輔機進行帶載運行。

2.5 V/F完全分離控制技術(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，且負載不完全是電動機類，所以對于變頻電源來說就需要具備V/F完全分離控制技術(shù)。

VFPS及SB70P系列岸電變頻電源具備此功能，可以實現(xiàn)對電壓、頻率的分別控制，并根據(jù)實際情況進行電壓和頻率的獨立調(diào)節(jié)。

2.6 三相負載不平衡控制技術(shù)

因變頻電源的負載有別于變頻器的電機類負載，船上單相負載的使用，導致其三相間負載分配不可能絕對的平衡，從而每相之間的壓降可能會有不同。變頻電源具有具有三相輸出不平衡控制技術(shù)，可對電壓不平衡度閉環(huán)控制，三相負載不平衡度達30%，依然保持三相線電壓對稱輸出

三相負載不平衡電壓輸出波形

從上到下依次為：兩相輸出電流，兩相輸出電壓，叢波形中也可以看出，三相負載不平衡時，三相電壓依然保持平衡。

2.7 防勵磁涌流技術(shù)

變頻電源內(nèi)部包含很多電解電容，受其特性的影響。在上電瞬間相當于短路狀態(tài)，有一定的沖擊電流，可能會損壞整流、電解電容等器件，為了限制這種充電電流，需要進行防勵磁涌流。高壓變頻電源的重要組成部分，移相變壓器。受其特性的影響在上電瞬間會產(chǎn)生較大的勵磁涌流，會對上級高壓開關(guān)柜有一定沖擊，為了減小沖擊，需要進行防勵磁涌流。防勵磁涌流預(yù)充電的過程中，也是功率單元自檢的過程，有助于提前發(fā)現(xiàn)功率單元的異常狀態(tài)。

（1）變壓器三次側(cè)充電方式：

預(yù)充電過程長達30秒，需要實現(xiàn)很多固化的邏輯過程才能實現(xiàn)；

需要考慮上級高壓開關(guān)柜接地刀位置狀態(tài)。

（2） 變壓器一次側(cè)充電方式：

電氣原理設(shè)計簡單明了，充電的可靠性高；

預(yù)充電過程3秒，可實現(xiàn)自動控制。

森蘭VFPS及SB70P系列變頻電源變壓器采用一次側(cè)直接充電模式，在一次側(cè)增加限流電阻及旁路接觸器，高壓直接加到限流電阻上，起到限制電流的作用。這時上電后電壓緩慢上升，沖擊電流可控。當電壓達到額定電壓的70%時旁路真空接觸器自動動作，將限流電阻旁路，設(shè)備全壓供電。當沒有連船時，系統(tǒng)損耗接近等于零。當需要連船時，合高壓瞬間，沒有涌流發(fā)生，合閘次數(shù)不受限制。

2.8 空間電壓矢量SVPWM調(diào)制技術(shù)

森蘭SB70P系列岸電電源采用SVPWM空間電壓矢量調(diào)制技術(shù)，載波頻率的高低決定了變頻器輸出電流的精度，船舶岸電變頻電源為了保證電流的高精度輸出，載波需設(shè)置在4k以上。載波頻率提高能夠有效抑制諧波，但同時導致IGBT發(fā)熱量大，需要變頻電源具有針對性處理方案，森蘭SB70P系列低壓岸電變頻電源采用特有的SVPWM空間電壓矢量調(diào)制技術(shù)，解決了發(fā)熱問題，在降低開關(guān)損耗的同時，通過前端輸入電抗器和輸出端的LC濾波保證輸出電流諧波在4%以下。

2.9 智能擴容技術(shù)

考慮到岸電后續(xù)批量建設(shè)，以及多機大容量并聯(lián)等技術(shù)要求，我們將岸電系統(tǒng)以一個電網(wǎng)的思路去看待。森蘭VFPS及SB70P系列岸電電源系統(tǒng)根據(jù)用戶的實際需求，可在后期通過多套系統(tǒng)并聯(lián)的方式擴大系統(tǒng)總?cè)萘俊Ｈ纾涸到y(tǒng)容量為1.7MVA的，通過新增兩套1.7MVA岸電電源設(shè)備，擴容成為5.1MVA容量系統(tǒng)。

整個擴容系統(tǒng)由多臺箱式一體化岸電組成，集裝箱并排放置，每一臺箱式一體化岸電之間通過光纖通訊連接，通過岸電控制系統(tǒng)和輸出同步追蹤鎖相技術(shù)實現(xiàn)功率均衡、負荷均衡、同步協(xié)調(diào)控制，完美解決系統(tǒng)后期擴容的需求。系統(tǒng)輸出容量不足時可自動并網(wǎng)擴容，容量有余時自動切除，單臺故障時自動切除降額。現(xiàn)場總線支持Modbus、CAN、Profibus-DP等、以太網(wǎng)等通訊方式。整個系統(tǒng)擴容后其性能參數(shù)不會降低。 

廈門遠海碼頭3 x 1.7 MW智能擴容方案