MMC岸电技术方案

周治国

第一章项目背景和意义

船舶停靠码头时，通常包括两种使用工况，即：船舶装卸货工况和船舶停泊工况，任一工况下船舶负载所需电源皆来自于船上配置的主发电机组。船舶停泊工况时，多为生活用电，船上所需用电负荷相对偏小，一般运行1台发电机即可。船舶装卸货工况时，一般情况下仍可用1台发电机，但运行压载泵或其它较大负荷操作时，为确保主电源的连续性，满足CCS规范要求，必须至少运行2台柴油发电机，才能满足全船最大负荷需求。

船舶岸电是指船舶靠港期间，通过岸上设施向船舶供电。船舶建造时一般均会配置一个较小容量(一般不超过400安培)的岸电箱，可接入码头岸电，但仅能满足船舶厨房、照明、通讯等日常生活设施用电或船舶厂修时的基本用电。为了降低排放，减少污染，船舶靠泊后国际上目前也有采用低硫燃油的方式解决排放问题。但目前国内港口还没有低硫燃油提供，国际上除了欧盟和美国加州，其它国家也不是强制执行，同时能提供低硫燃油的供应商很少，采购成本较高。对于营运船舶，还需要对相应设备进行改造才能使用。

从上面分析中可以看出，船舶装卸货作业工况时，采用原船上的岸电箱接入岸电不能满足船舶用电所需。所以需要对船舶进行岸电技术改造或建设，以满足船舶作业时的用电需求。如果岸电改建使用成功，就能在船舶停靠码头时停用船舶发电机组，杜绝其使用燃油燃烧排放的废气，有效改善港口环境。并且，在目前全球能源日益紧张、燃油价格持续走高的形势下，采取合适措施改建的船舶岸电，在实际应用中还可能产生一定的经济效益。

有统计数据显示，从2000年至今，美国、比利时、加拿大、德国、瑞典、芬兰、荷兰及中国等国已有约24个港口使用了岸电电源系统，采用岸电技术的船舶达到了100余艘。不仅如此，随着欧美各国有关船舶在靠港期间废气排放的法规日趋严格，靠港船舶使用岸电系统将成为航运业的一大发展趋势。

全国沿海主要规模以上港口拥有万吨级及以上泊位1600个以上，那么就会需要大约1600台平均容量为2~4MVA高压变频器。按目前市场上1泊位的岸电建设价格平均是1000万人民币（包括基建，高/低压变压器，高压变频器电源，高/低压开关柜，高/低压电缆，高/低压快速接线箱）。如果有20%万吨级泊位需要配置安装岸电装置，那么市场容量是32亿人民币（包括基建，高压变压器，高压变频器，高压开关柜，高压电缆、高压快速接线箱）。

第二章设计方案

系统要求

以中船长兴基地为例分析MMC变流器用于岸电电源可行性。中船长兴基地有两个港口高压箱，需要两套10kV/2800KVA岸电电源装置，现在根据码头实际情况采用节能型电源方案。

系统性能要求：

额定电压：10KV

电压变化范围：±5%

频率变化范围：±1%

10KV母线短路电流：40KA（估算短路容量700MVA）

变频电源输出参数：

额定输出电压：440~470V（可调）

额定输出频率：60Hz±0.5Hz

额定输出容量：2800KVA

额定功率因数：>=0.9

按照10KV母线短路电流40KA估算港口大致需要无功补偿容量10MVar~15MVar。

系统要求岸电电源在船舶靠港期间向船舶供电的大容量岸电供电设备，该电源系统对输入电源有完善的过压、欠压、过流、短路、缺相、逆变器和变压器过热等保护功能（保护值可设定）。在控制逻辑上，通过对输出电压以及电流的实时判断，可实现两种模式的供电：独立供电和并船网供电，两种模式实现智能自动切换。

独立供电模式

在岸电电源设备前期调试或船体电源提前断电的情况下，可使用变频电源的独立供电模式，此时需要变频器输入手动上电，设定好输出的电压幅值以及频率参数后，启动变频电源实现独立供电，供电过程中可通过更改设定值进行电压幅值的调整，电压根据设定值实时调整输出电压的幅值。

并船网供电模式（具备无扰切换功能）

并船网供电模式类似于发电机的并网发电，在船靠岸动力与控制线接入岸电电源系统后，船体发电机继续供电，岸电系统检测到来船接入后进入就绪状态，等待船体控制信号发出并网命令，岸电系统在接收到并船舶电网命令后进行并网同步供电，并网完毕后向船上发出并网完成指示，此时船上发电机可停止工作，船上发电机停止工作后，岸电系统通过检测电压信号后实时切换至独立供电模式，达到靠岸船只供电的无扰切换。

技术方案

下面按照两套2800KVA高压箱泊位岸电电源，同时提供5M动态补偿容量的技术要求设计技术方案。

三相10kV/50Hz市电经电缆直接输送至中船长兴基地港口高压箱（泊位处），高压箱引三相高压电缆接至岸侧MMC变流器，岸侧MMC变流器将三相10kV/50Hz转换为±9KV直流电源，船侧MMC变流器将±9KV直流电源逆变成三相10kV/60Hz，再经过降压变压器输出三相440~470V电压，为设备提供变频电源。一共两套双端MMC变流器。

网侧MMC变流器向直流网络提供有功功率的同时，还发出无功实时补偿母线无功功率。MMC变流器能够提供的无功补偿容量需要根据有关数据估算，引用文献1（见附录）估算船电系统负荷，应用聚类分析法，依据负载系数、同时系数0.85，功率因数0.85，结合工况分析，最终得到的结果如下表所示：

根据以上分析，网侧MMC变流器无功补偿功能等效于一套10KV/5MVA容量的SVG装置，SVG装置预计成本50万。

本方案不仅仅解决岸电电源和无功补偿问题，它在变电站实现直流转换，通过直流电缆接入高压箱，在降低电缆成本、节省电缆有功损耗、提高系统可靠性、降低短路电流等方面都具有优势。

第三章结论

按照目前政策导向和市场风向表明，靠港船舶使用岸电必然是大势所需。高压岸电电源的关键技术主要包含电源技术、电缆管理系统技术、电量计量管理系统等。其中高压岸电电源技术方案从岸电电源的发展方向和方便维护的角度考虑，应该优先采用变频电源。电缆管理系统应该根据码头的位置、类型、空间大小等因素进行设计。可移动的电缆管理系统是发展的方向，它更加灵活，也更加具有通用性。