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1、變頻電源應用案例

1.1 廈門(mén)遠海集裝箱碼頭3MW岸電系統

廈門(mén)遠海集裝箱碼頭作為福建省首個(gè)港口岸電電源試點(diǎn)項目，得到了福建省、中遠海運集團、國網(wǎng)廈門(mén)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(zhù)今后?？吭趶B門(mén)遠海集裝箱碼頭的船只，可以通過(guò)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(dòng)綠色港口建設，具有重要社會(huì )與經(jīng)濟意義。

2017年3月7日上午，隨著(zhù)一艘巨輪EVERLISSOME LONOON號慢慢駛入廈門(mén)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(hù)外集裝箱式智能岸電電源系統正式服役之旅。隨后EVER LISSOME LONNON號船上工作人員開(kāi)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泊位區岸電接線(xiàn)箱，EVER LISSOME LONNON具有連接岸電條件。經(jīng)過(guò)檢查船上連接安全回路，一切準備就緒。隨著(zhù)連船總指揮一聲指令，希望森蘭VFPS系列岸電電源系統進(jìn)入一鍵啟動(dòng)程序。上午11點(diǎn)19分5秒，VFPS系列岸電電源系列正式進(jìn)入并網(wǎng)程序，并網(wǎng)過(guò)程無(wú)沖擊，負荷從船上發(fā)電機系統慢慢向岸上電源系統轉移，并于10S后船上發(fā)電機系統順利解列，正式由VFPS系列岸電電源供電。經(jīng)過(guò)11個(gè)小時(shí)連續運行，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，輸出電壓穩定度0.3%，輸出頻率穩定度0.1%。

1.2 嘉興港嘉化碼頭2MW低壓防爆岸電系統

“嗚——！”，一聲悠長(cháng)的汽笛聲打破了嘉港石化碼頭的寧靜，一艘裝滿(mǎn)油品的貨輪緩緩駛入泊位。一名碼頭工作人員熟練得操作電纜卷盤(pán)車(chē)，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(kāi)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作業(yè)提供了綠色能源。

防爆型電纜卷盤(pán)車(chē)

嘉興市嘉港石化碼頭有限公司是一家危險化學(xué)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(mǎn)足船上的用電需求。輔機在工作中燃燒大量油料，會(huì )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，而且增加了爆炸和火災的風(fēng)險，對碼頭的健康可持續發(fā)展帶來(lái)不小的挑戰。

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計的專(zhuān)用于危險區域的SB70防爆型智能岸電電源系統解決方案。該系統將10kV/50Hz電源轉變?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(shí)將接電箱與移動(dòng)式防爆電纜卷盤(pán)車(chē)連接，再由卷盤(pán)車(chē)將電纜舉升至改造后的船用接電箱處連接，進(jìn)行岸電向船電的輸送。

嘉港石化碼頭岸電系統流程圖

本套岸電系統在碼頭前沿的電纜接電箱和電纜卷盤(pán)車(chē)的設計上都運用了國內首創(chuàng )的防爆型設計，防爆等級為IIBT4，實(shí)際大部分設備防爆等級達到了IIBT6，符合GB3836.1-2000《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設備 第1部分：通用標準》要求，較傳統岸電系統更加安全可靠，符合?；a頭接岸電需求。本系統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)的基礎上，針對岸電電源應用需求特點(diǎn)定制開(kāi)發(fā)的新一代高性能變頻電源，具有動(dòng)態(tài)響應快，過(guò)載能力強，控制精度高等優(yōu)點(diǎn)，無(wú)論是系統拓撲結構選擇，控制性能，還是散熱系統設計，都首屈一指。

森蘭SB70P系列變頻電源

岸電系統建成后，船舶停泊靠岸期間將由電網(wǎng)向船用設備供電，代替傳統燃料油發(fā)電，實(shí)現有害氣體零排放，大幅度減少船舶排放在大氣污染排放清單中的占比。同時(shí)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(dòng)和噪音，提升船員生活質(zhì)量和港區環(huán)境品質(zhì)。

常態(tài)化連船

以嘉港石化碼頭平均每天船舶?？?6h，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(wàn)kWh。節約燃料成本方面，柴油發(fā)動(dòng)機單位油耗約250g/kWh，全年可替代柴油292t（250g/kWh×116.8萬(wàn)kWh）；1kg柴油約合1.16L，油價(jià)按照5.50元/L測算，全年減少柴油燃料成本186.3萬(wàn)元（292t×1.16L/kg×5.50元/L)。全年用電成本為140.1萬(wàn)元（116.8萬(wàn)kWh×1.2元/kWh，注：1.2元/kWh為目錄電價(jià)加收服務(wù)費后的單價(jià)水平）。全年單船舶燃料成本節約186.3萬(wàn)元-140.1萬(wàn)元=46.2萬(wàn)元。 

1.3 變頻電源類(lèi)產(chǎn)品部分業(yè)績(jì)：

2、岸電系統關(guān)鍵問(wèn)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(gè)電壓源同時(shí)給負載供電時(shí)，由于并網(wǎng)運行時(shí)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。

當岸電電源系統出現逆功率時(shí)，會(huì )導致其功率單元母線(xiàn)電壓升高，嚴重情況下會(huì )導致系統報“單元過(guò)壓”故障，從而導致設備停機。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(dòng)檢測逆功率工況，出現逆功率工況時(shí)，變頻電源自動(dòng)調節變頻電源輸出頻率及輸出相位，自適應船上發(fā)電機電壓變化，達到逆功率控制目的。具體的操作過(guò)程是：

岸電電源系統實(shí)時(shí)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(shí)，通過(guò)內部PID控制算法實(shí)時(shí)調整輸出電壓頻率與相位，從而達到實(shí)現逆功率抑制功能。

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

2.2 無(wú)功抑制功能

根據連船實(shí)踐，發(fā)電機連船并網(wǎng)瞬間，因發(fā)電機系統與岸電電源系統電壓、相位存在一定的差異，從而導致產(chǎn)生瞬間無(wú)功功率，如果不能及時(shí)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(zhuān)用電源，具有防無(wú)功諧振功能，具有很強的抗沖擊能力，在電氣選型設計的時(shí)候，考慮到因并網(wǎng)無(wú)功而導致的沖擊。在控制階段實(shí)時(shí)對電壓、相位進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，從而避免連船失敗。 

2.3 自動(dòng)穩壓功能

VFPS及SB70P系列岸電電源輸出采用電壓閉環(huán)控制，通過(guò)偵測輸出電壓反饋給AI，采用PID方式來(lái)保證輸出電壓的穩定和輸出精度。為了適應不平衡負載，對每相電壓進(jìn)行單獨閉環(huán)控制，在負載不平衡的時(shí)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，以使船上用電設備不會(huì )受到電壓波動(dòng)的影響。

由于電氣設備存在內阻，岸電電源系統的輸出電壓存在一定的壓降。當設備負載高的時(shí)候（輸出電流大），壓降隨之升高，導致系統輸出電壓不能達到預期值。針對該現象，岸電變頻電源采取了PID調節的方式來(lái)解決，通過(guò)實(shí)時(shí)監控輸出電源電壓值并加以調節的方式，保證系統輸出電壓的準確性，消除系統壓降帶來(lái)的影響。下圖為PID調節的控制方案圖：

通過(guò)PID調節方式消除系統壓降影響

岸電系統在輸出隔離變壓器后端設置了輸出電壓采樣點(diǎn)，該點(diǎn)采樣得到實(shí)時(shí)輸出電壓值后將數據送往系統內部PID機構進(jìn)行對比，將結果轉換為控制指令后送往岸電系統。岸電系統對輸出電壓進(jìn)行調節，最終輸出電壓達到預期輸出值，岸船連接段系統壓降問(wèn)題被解決。 

2.4 輸出同步追蹤鎖相

岸電供電并網(wǎng)切換系統是船舶岸電系統中一個(gè)重要的環(huán)節，也是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。岸電電源在給靠港船舶供電時(shí)，可實(shí)現船舶電源與岸電之間的無(wú)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，切入為船舶用電設備供電。這樣能保證船上的用電設備安全，并能平滑同步切換，不影響船上用電設備使用。希望森蘭VFPS及SB70P系列岸電電源可以選擇主動(dòng)并網(wǎng)與被動(dòng)并網(wǎng)。當選擇主動(dòng)并網(wǎng)時(shí)，由岸電電源監測船上電壓信號，并實(shí)現鎖相跟蹤控制，實(shí)時(shí)調整輸出電壓大小，為了防止逆功率事件發(fā)生，在控制時(shí)，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(shí)現與船舶發(fā)電系統無(wú)縫切換。當選擇被動(dòng)并網(wǎng)時(shí)，岸電電源系統輸出一定的電壓，由船舶同期裝置實(shí)現對岸電電源與船舶供電電壓進(jìn)行檢測，當滿(mǎn)足并網(wǎng)條件時(shí)，發(fā)并網(wǎng)指令。此時(shí)，由于船上并網(wǎng)裝置采樣精度原因，可能會(huì )產(chǎn)生逆功率事件，當逆功率事件發(fā)生時(shí)，岸電電源系統能夠及時(shí)檢測出逆功率，并調整電壓輸出，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(dòng)并網(wǎng)切換

變頻電源僅作為整個(gè)電網(wǎng)切換的主體，變頻電源根據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(shí)發(fā)電機的輸出功率，進(jìn)行負載轉移，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移至變頻電源供電；

主動(dòng)并網(wǎng)目前有少部分應用，其優(yōu)點(diǎn)是可以做到整個(gè)切換過(guò)程的智能化，如一鍵切換，中間所有過(guò)程可自動(dòng)全部完成。

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

l  被動(dòng)并網(wǎng)切換

變頻電源僅作為恒頻穩壓的電源，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：

變頻根據命令要求輸出電壓/頻率，電源通過(guò)輸出濾波、隔離變、接口箱、船上進(jìn)線(xiàn)柜，直接送至船載的變頻電源并網(wǎng)柜，并網(wǎng)柜根據采集到的信息，顯示電源的相序、頻率、幅值、相位等信息，自動(dòng)判斷是否具備并網(wǎng)條件，通過(guò)調整發(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(dòng)逐漸轉移至岸用電源供電，切換完成后，發(fā)電機退出工作；

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

2.4.2 并網(wǎng)程序

在岸電供電并網(wǎng)切換系統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發(fā)出，為此現在岸電所要做的就是如何使岸電系統的電參數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；

4) 安全回路要經(jīng)過(guò)驗證；

2.4.3 并網(wǎng)時(shí)要注意的問(wèn)題

1) 并網(wǎng)會(huì )有輸出電流、電壓及頻率出現漂移而偏離電網(wǎng)頻率，產(chǎn)生不穩定的情況而產(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)設備損壞。

3) 岸電系統應具有過(guò)壓、失壓、頻率檢測和保護功能，過(guò)負荷、短路自動(dòng)隔離電網(wǎng)，逆向功率自動(dòng)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組成。防逆流控制系統會(huì )隨時(shí)監控電壓、電流，一旦發(fā)現向電網(wǎng)向岸電饋送電能，防逆流控制系統會(huì )起作用，以阻止電網(wǎng)向岸電系統供電。最終實(shí)現并網(wǎng)運行、轉移負載和解列而不出現逆功率的發(fā)生。如果出現故障性逆功率的產(chǎn)生，岸電系統將會(huì )進(jìn)行逆功率保護跳閘。

2.4.4 岸電供電并網(wǎng)過(guò)程

l  岸電系統并網(wǎng)

1) 岸電送電上船后，合上岸電并網(wǎng)開(kāi)關(guān)，由船舶并車(chē)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(kāi)關(guān)；

3) 通過(guò)船電系統自動(dòng)轉移負載至岸電；

4) 船電輔機自動(dòng)解列；

5) 由岸電進(jìn)行帶載運行。

l  船電輔機并網(wǎng)

1) 由船舶并車(chē)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(kāi)關(guān)；

3) 通過(guò)船電系統自動(dòng)轉移負載至船電輔機；

4) 岸電系統自動(dòng)解列；

5) 由船電輔機進(jìn)行帶載運行。

2.5 V/F完全分離控制技術(shù)

在變頻電源類(lèi)場(chǎng)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(dòng)機類(lèi)，所以對于變頻電源來(lái)說(shuō)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(shí)現對電壓、頻率的分別控制，并根據實(shí)際情況進(jìn)行電壓和頻率的獨立調節。

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(lèi)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(huì )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(xiàn)電壓對稱(chēng)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(shí)，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(huì )損壞整流、電解電容等器件，為了限制這種充電電流，需要進(jìn)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(huì )產(chǎn)生較大的勵磁涌流，會(huì )對上級高壓開(kāi)關(guān)柜有一定沖擊，為了減小沖擊，需要進(jìn)行防勵磁涌流。防勵磁涌流預充電的過(guò)程中，也是功率單元自檢的過(guò)程，有助于提前發(fā)現功率單元的異常狀態(tài)。

（1）變壓器三次側充電方式：

預充電過(guò)程長(cháng)達30秒，需要實(shí)現很多固化的邏輯過(guò)程才能實(shí)現；

需要考慮上級高壓開(kāi)關(guān)柜接地刀位置狀態(tài)。

（2） 變壓器一次側充電方式：

電氣原理設計簡(jiǎn)單明了，充電的可靠性高；

預充電過(guò)程3秒，可實(shí)現自動(dòng)控制。

森蘭VFPS及SB70P系列變頻電源變壓器采用一次側直接充電模式，在一次側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(shí)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(shí)旁路真空接觸器自動(dòng)動(dòng)作，將限流電阻旁路，設備全壓供電。當沒(méi)有連船時(shí)，系統損耗接近等于零。當需要連船時(shí)，合高壓瞬間，沒(méi)有涌流發(fā)生，合閘次數不受限制。

2.8 空間電壓矢量SVPWM調制技術(shù)

森蘭SB70P系列岸電電源采用SVPWM空間電壓矢量調制技術(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，載波需設置在4k以上。載波頻率提高能夠有效抑制諧波，但同時(shí)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空間電壓矢量調制技術(shù)，解決了發(fā)熱問(wèn)題，在降低開(kāi)關(guān)損耗的同時(shí)，通過(guò)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)

考慮到岸電后續批量建設，以及多機大容量并聯(lián)等技術(shù)要求，我們將岸電系統以一個(gè)電網(wǎng)的思路去看待。森蘭VFPS及SB70P系列岸電電源系統根據用戶(hù)的實(shí)際需求，可在后期通過(guò)多套系統并聯(lián)的方式擴大系統總容量。如：原系統容量為1.7MVA的，通過(guò)新增兩套1.7MVA岸電電源設備，擴容成為5.1MVA容量系統。

整個(gè)擴容系統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(guò)光纖通訊連接，通過(guò)岸電控制系統和輸出同步追蹤鎖相技術(shù)實(shí)現功率均衡、負荷均衡、同步協(xié)調控制，完美解決系統后期擴容的需求。系統輸出容量不足時(shí)可自動(dòng)并網(wǎng)擴容，容量有余時(shí)自動(dòng)切除，單臺故障時(shí)自動(dòng)切除降額?，F場(chǎng)總線(xiàn)支持Modbus、CAN、Profibus-DP等、以太網(wǎng)等通訊方式。整個(gè)系統擴容后其性能參數不會(huì )降低。 

廈門(mén)遠海碼頭3 x 1.7 MW智能擴容方案