邮轮岸基变频供电系统关键技术与应用

陈一新

厦门港务集团和平旅游客运有限公司

1 引言

船舶在港口靠泊期间燃油发电所带来的废气排放给周边大气带来了严重污染，对靠港船舶采用岸基供电的方式可实现船舶靠泊期间废气的零排放，从而达到治理大气污染的目的[1]。在各类型的船舶岸基供电系统中，邮轮岸电系统的供电电压最高、供电容量最大、供电系统构成最复杂，其对供电可靠性的要求也最高。根据邮轮岸电实施和运行的特点，针对船舶岸基供电系统应用中出现的问题，对其进行了分析，并给出了相应的技术解决方案。同时，针对国内邮轮码头不能同时满足邮轮双侧供电的问题，介绍了厦门邮轮港在国内邮轮码头首次实现邮轮全船型供电的解决方案。

厦门邮轮港船舶岸基变频供电系统位于厦门东渡港区0#泊位，采用高压上船方式，总容量为16 000 kVA，通过调频调压方式实现6.6 kV/60 Hz和11 kV/60 Hz两种电制输出，满足最大单艘22万t级邮轮靠泊作业期间的供电需求。针对邮轮岸电的高动态响应、高电能质量、高适配能力需求，厦门港邮轮岸电系统在实施过程中解决了船岸并网冲击、电能质量差和船舶兼容性差等问题。同时，鉴于国内其他邮轮岸电系统只能对邮轮进行单侧供电，厦门邮轮港岸电系统将满足邮轮的双侧供电，从而实现对全船型邮轮的供电。

2 邮轮岸基供电关键技术

2.1 船岸并网过程中的功率稳定控制技术

岸电系统与船舶电力系统在并网前以各自的频率、幅值与相位独立运行，因此船舶电力系统在与岸电的并网过程中会出现功率波动。此外，船岸并网过程中如果船舶发电机意外停机，则岸电输出功率会瞬时大幅波动，对并网系统造成巨大冲击，严重时将损坏船岸两侧设备。同时，并网过程中船侧负荷的瞬时变化也会导致功率回流，若不能及时处理，则岸电设备会受到损坏，这些问题极大地阻碍了岸电技术的推广[2]。

为解决船岸并网切换中出现的这些问题，岸基变频供电系统的核心设备变频电源必须具有高动态响应能力，从而精确快速地对功率流进行控制，处理并网过程中的功率波动和逆功率冲击，变频电源控制参数可采用辨识优化算法。在变频电源控制参数辨识优化算法中，通过建立供电指标规则，根据实际工况对各供电指标的不同要求赋予相应权值，并求得各指标偏离理想输出特性的加权均值，以寻求不同工况下变频电源的最优控制参数，从而实现岸电系统在复杂工况下的控制参数自适应调节，岸电变频电源控制参数辨识优化流程见图1。

图1 岸电变频电源控制参数辨识优化流程

豪华邮轮具有先进完善的电力管控系统，可对船舶电力负荷的用电需求进行实时管控，动态掌握每个时段的用电量并及时通知岸基变频电源。在船舶电力接入岸电系统时，可根据船岸两侧电力系统的差异以及船舶负荷无缝切换的需求按并网过程进行多时段划分，以形成适用于不同并网环节的变频电源控制方式及功率波动平抑策略，从而在大幅降低并网合闸时刻冲击功率波动的同时，保证船舶燃油发电机组退出运行后的岸电运行稳定性。

同时，针对船岸供电并网时船侧发电机和岸电电源频率、电压和相位失配问题引起的逆功率传输问题，可以采用能量回馈型无损吸收回路辅以自适应主动抑制策略的方式，以实现船岸并网时的逆功率有效处理，确保船岸并网的可靠性[3]。

2.2 岸电系统中的网侧和船侧电能质量提升技术

大容量岸基变频供电系统需要高品质供电，一方面，豪华邮轮内部电气系统复杂、线路阻抗大、敏感负载多，对岸基供电系统输出的电能质量要求苛刻；另一方面，船舶电网与岸电的并网过程往往伴随着极大的冲击功率波动，由此产生的大量谐波会对岸船两侧的电气设备正常运行造成影响。同时，如果岸电系统电能质量较差，其输出电压可能存在高次谐波振荡、闪变、过电压等问题，会造成额外线路损耗和船用设备损坏，因此需要提高岸电系统的电能质量。

在处理岸电系统网侧谐波问题方面，邮轮岸电的输入侧变压器采用了延边三角形接法，通过多重移相角的设计达到了多脉波整流的效果，从而大幅度抑制了对电网侧的谐波干扰。

在处理岸电系统船侧谐波问题方面，邮轮岸电采用了基于虚拟正交源调制技术、多脉波整流技术及多电平逆变技术，使输出电能达到了“完美无谐波”的正弦波效果，使得船舶负载能够得到清洁的岸基电力供应。同时，邮轮岸电采用了面向输出电压高动态跟踪的补偿电压合成方法，解决了并网运行时的电压闪变和过电压问题，提高了岸电系统的供电质量。

2.3 大容量岸电的多船型左右舷供电技术

国内之前的邮轮岸电系统只针对邮轮左舷供电接口配置了1套岸侧接口，随着诺维真喜悦号等一批岸电接口在右舷的新型邮轮在我国运行，原来只配置1套接口的岸电系统已不能满足新型船舶的供电要求。为此，厦门邮轮岸电系统在电源输出侧配置2套出口，分别连接至同一泊位的2套岸电插座箱，以满足不同结构船舶的左右舷供电需求。

在岸电系统采用双侧供电后，为避免误操作高压电危及人身安全情况的发生，厦门邮轮港首次提出了邮轮岸基电源逻辑连锁与安全切换策略。机械逻辑锁配置见图2，岸电系统中的2台插座箱的高压插座均配置机械锁，岸电上电时，首先完成高压电缆的连接工作，并集齐5把高压插座的钥匙。随后交换出相应插座箱对应输出开关柜的2把机械钥匙，最后完成对应高压出线柜的接地刀分闸、断路器推至工作位的操作。此时，由于另一台插座箱相应的钥匙仍然被固定在交换锁内，所以另一台插座箱对应的高压出线柜无法完成合闸工作，从而避免了插座箱误带高压电的可能。岸电断电时，流程反向操作，确保只能在高压回路已切断的情况下完成拔出电缆的工作，从而保障操作人员安全。

图2 机械锁逻辑配置

3 16 MVA邮轮岸电系统

厦门邮轮港岸基供电系统由岸电变频电源、船岸连接装置、本地及远程监控管理系统等部分构成，具有变频供电、同步并网、监控保护、远程通信等功能。整个岸电供电系统配置11 kV/60 Hz和6.6 kV/60 Hz各一路输出回路，与港口设置的0#泊位两端的2套岸电电源插座箱连接。岸基供电系统在实施与船舶电源连接、退出及转换过程中实现无缝切换，满足邮轮不间断供电需求。

3.1 岸电变频电源

邮轮岸电变频电源为功率单元串联叠加多电平变频电源，采用直接高高结构，类型为电压源型。整套电源由10 kV网侧进线开关柜、10 kV馈线开关柜、移相变压器、变频功率单元、滤波器、出线多绕组变压器、出线开关柜等构成，电气单线图见图3。

图3 邮轮岸电变频电源电气单线图

3.2 船岸移动连接装置

区别于集装箱船舶的船岸连接方式，大型豪华邮轮船岸连接需配置移动式船岸连接装置，即移动电缆小车，这样可为不同船型的邮轮和不同结构的邮轮码头实现方便灵活的船岸连接。

移动电缆小车有2套电缆系统，一套为岸侧供电连接电缆系统，可以实现从码头固定供电点向移动式电缆管理系统提供岸电的连接；另一套为船岸连接电缆系统，可以实现移动式岸电电缆管理系统与船侧的连接。小车移动方式为自动行走，配置有电池单元、行走电机驱动单元，可以满足在码头一定范围的行走。另外，小车前部保留机械牵引机构，以备紧急情况下使用。移动电缆小车的工作范围设计为供电点向两侧各35 m，机械臂的举升范围为码头面以下4.5 m至码头面以上1.5 m(见图4)。船岸接口包括4根高压动力线、1根中性电缆线、2根控制电缆和1根通讯线。同时，移动电缆小车还具有随船微调功能及强制平稳功能，电缆小车可以根据潮位情况自动调整电缆收放。

图4 移动电缆小车工作状态

3.3 岸电系统运行

邮轮岸电系统建设完毕后进行了实际供电测试，检验了系统16 MVA额定负载输出能力、19.2 MVA过载输出能力、电能质量、安全保护能力等，各项指标均达或优于设计要求，具备了满足各类型豪华邮轮的供电需求，相关测试数据见表1。

表1 岸电系统性能

4 结语

在各类型船舶岸基供电系统中，邮轮岸基供电系统的技术要求最高。针对邮轮岸电系统中的并网控制、谐波治理、双侧供电等问题，结合厦门邮轮港岸电系统的建设，对其进行了分析并给出了技术解决方案，实际测试效果证明了所提出的技术解决方案的有效性。随着邮轮岸电应用技术的日趋成熟应用，安全、环保、规范的邮轮岸电对城市周边的大气污染治理必将发挥更大作用。