船舶岸電技術（簡體書）

本書系統地闡述了船舶岸電技術的基礎理論與實際應用，主要內容包括：岸電技術的現狀與分析，岸電的構成與分類，逆變技術基礎，低壓岸電電源關鍵技術原理，高壓岸電電源技術原理，岸電接地與繼電保護，岸電與船舶電站切換技術，岸電監控與計費，岸電的相關標準及規範，岸電系統工程實例，岸電實施問題等。

前言
第1章緒論1
1.1岸電技術的提出1
1.2國內外岸電技術現狀與分析2
1.2.1國內岸電技術現狀2
1.2.2國外岸電技術現狀10
1.2.3岸電技術方案對比與分析14
1.3岸電系統的相關標準及規範16
1.3.1國內相關標準發展16
1.3.2國外相關標準發展17
1.3.3國內外岸電技術發展趨勢17
參考文獻18
第2章船舶岸電技術基礎20
2.1逆變器控制原理20
2.1.1IGBT器件及驅動保護20
2.1.2IGBT逆變技術原理22
2.2岸電變流系統電路拓撲結構28
2.2.1低壓型岸電的拓撲結構28
2.2.2高壓型岸電的拓撲結構29
2.3岸電兆瓦級變流系統控制技術 31
2.4岸電兆瓦級變流系統並聯技術33
2.5岸電兆瓦級變流系統散熱方法35
參考文獻36
第3章低壓岸電兆瓦級變流系統建模40
3.1低壓岸電變流器拓撲結構40
3.2三相PWM整流器的數學模型40
3.2.1三相PWM整流器的基本數學模型40
3.2.2兩相旋轉坐標系下三相PWM整流器的數學模型43
3.2.3三相PWM整流器的解耦模型45
3.3三相PWM逆變器的數學模型46
3.3.1三相PWM逆變器的基本數學模型46
3.3.2三相PWM逆變器的解耦模型48
3.3.3兩相旋轉坐標系下三相PWM逆變器的數學模型50
參考文獻51
第4章低壓岸電變流系統檢測與控制53
4.1基於小波神經網絡的網側電流檢測算法 53
4.1.1小波神經網絡的結構53
4.1.2小波神經網絡的學習算法54
4.1.3小波神經網絡採樣算法的實驗結果及分析55
4.2基於神經網絡內模的PWM整流器網側電流控制策略57
4.2.1神經網絡內模控制算法設計58
4.2.2神經網絡內部模型的建立59
4.2.3神經網絡內模控制器的建立60
4.2.4神經網絡內模控制器設計62
4.2.5PWM整流器網側電流控制算法仿真及分析63
4.3PWM逆變器輸出電壓控制策略及仿真64
4.3.1PWM逆變器輸出電壓控制策略64
4.3.2PWM逆變器控制算法仿真結果66
4.4PWM變流系統實驗結果及分析67
4.4.1PWM變流器實驗平台構建67
4.4.2PWM整流器實驗結果及分析68
4.4.3PWM逆變器實驗結果及分析70
參考文獻72
第5章低壓岸電變流系統參數優化74
5.1低壓岸電變流器控制模型74
5.1.1基於旋轉坐標系雙閉環控制的三相電壓型逆變器控制模型74
5.1.2基於靜止坐標系雙閉環控制的三相電壓型逆變器控制模型75
5.1.3基於旋轉坐標系雙閉環控制的三相電壓型整流器控制模型77
5.2粒子群優化算法78
5.2.1標準粒子群算法78
5.2.2粒子群算法的改進78
5.3變流器控制的目標函數研究81
5.3.1多種目標函數的選取81
5.3.2目標函數的建立82
5.4對比仿真及系統分析83
5.4.1模型參數及其優化參數的選取83
5.4.2仿真實驗結果對比84
5.5實驗驗證97
參考文獻106
第6章低壓岸電兆瓦級變流系統並聯技術108
6.1變流器器件級並聯設計108
6.1.1IGBT功率器件基本特性分析108
6.1.2IGBT器件並聯影響因素109
6.1.3IGBT器件並聯原則110
6.2基於無功功率和鎖相同步的變流器模塊並聯控制111
6.2.1變流器模塊並聯環流數學模型分析111
6.2.2變流器模塊並聯的無功功率調節幅值差算法114
6.2.3變流器模塊並聯的兩級異步型鎖相算法115
6.3基於串電感技術的變流器模塊級並聯設計116
6.3.1串電感並聯方案環流來源分析及抑制118
6.3.2串電感並聯仿真及實驗驗證119
參考文獻121
第7章低壓岸電兆瓦級變流系統散熱與冷卻122
7.1功率模塊IGBT損耗計算模型及分析122
7.2優化的SVPWM調製方法123
7.2.1SVPWM基本原理123
7.2.2優化的SVPWM算法125
7.2.3優化的SVPWM算法實現方法及其諧波分析126
7.3變流器散熱系統設計129
7.3.1熱阻計算和散熱器選型方法129
7.3.2溫升時間計算方法131
7.3.3風機選擇和散熱風道設計131
7.3.4計算結果與實驗結果比較133
參考文獻134
第8章H橋級聯式多電平高壓岸電構成與控制135
8.1級聯式多電平高壓岸電的實現方式135
8.2H橋級聯式高壓岸電系統構成136
8.2.1輸入側結構137
8.2.2功率單元電路138
8.2.3輸出側結構139
8.2.4控制器139
8.3H橋級聯式高壓岸電系統控制142
8.3.1功率單元雙極性調製方法142
8.3.2載波移相PWM方法144
8.3.3載波移相SPWM方法的優越性145
8.4H橋級聯式高壓岸電系統優點與主要技術指標146
8.4.1H橋級聯式高壓岸電電源技術優點146
8.4.2高壓岸電電源輸出電壓波形148
參考文獻149
第9章岸電與船舶電站切換技術150
9.1岸電與船電的間斷式切換供電150
9.2採用固態開關的岸電與船電微間斷式切換供電151
9.2.1固態開關技術原理152
9.2.2固態開關切換控制策略153
9.3岸電與船舶電站無間斷式切換供電155
9.3.1基於雙PWM變換器的岸電電源系統156
9.3.2虛擬同步發電機建模157
9.3.3虛擬同步發電機功頻控制器設計158
9.3.4虛擬同步發電機勵磁控制器設計159
9.3.5虛擬同步發電機仿真161
9.3.6虛擬同步發電機實驗167
參考文獻169
第10章船舶岸電系統構成及保護171
10.1供電和岸電電源變電系統171
10.1.1高壓岸電供電方案和系統組成171
10.1.2低壓岸電供電方案和系統組成177
10.2岸電電源空調通風系統179
10.3岸電電源控制系統及信息管理系統182
10.3.1岸電電源控制系統182
10.3.2岸電信息管理系統183
10.4岸電接電箱185
10.5岸電配電系統接地和繼電保護187
10.5.1配電系統接地形式187
10.5.2岸電配電系統接地形式與接地原則188
10.5.3岸電系統繼電保護原則190
參考文獻191
第11章岸電系統裝備研製與工程應用192
11.1移動式2MVA岸電系統裝備設計192
11.1.1主電路設計193
11.1.2控制系統設計194
11.1.3網側濾波器設計197
11.1.4負載側濾波器設計202
11.2系統抗干擾設計204
11.2.1分佈式光纖通信系統設計204
11.2.2層疊母線排設計206
11.3岸電電站運行與效果分析207
11.4岸電電站節能效果分析208
參考文獻209

第1章 緒論
1.1 岸電技術的提出
船舶電力系統是由發電機組、配電裝置、電力網及用電負載等組成的完整體系總稱，它與船舶的其他各個系統均有聯繫，是船舶系統中一個極為重要的組成部分。電能的產生、輸送、分配與消耗是同時進行的，其供電的連續性、可靠性和供電品質直接影響著船舶運行的安全性、經濟性和生命力。現代船舶電力系統的主電源有柴油發電機組、軸帶發電機組、廢氣透平發電機組、蒸汽發電機組、燃氣發電機組、燃料電池、風能、太陽能及潮汐能等發電方式，對於艦船還有核能發電機組，而輔助電源一般採用蓄電池組。迄今為止，船舶柴油發電機組的應用*為普遍，由於其技術成熟、性價比高、機動性強、啟動快等優點，柴油發電機組目前還是船舶電力的主要電源形式。
船舶電站由原動機、發電機和主要配電裝置組成［1］。船舶電站是船舶電力系統的核心，從設備的角度看，它由原動機、同步發電機及開關電器、保護裝置、測量儀表、控制設備等構成；從系統的角度看，它由原動機調速系統與同步發電機調壓系統或由整流與逆變系統組成。由於負荷的頻繁切換、工況的變化、外界環境的影響等，船舶電力系統要處理各種干擾信號，船舶電力系統電壓和頻率的穩定性是其正常工作的必要條件，所以船舶電力系統的穩定性是其控制和管理重點，也是船舶電力系統中的一個技術難題。現代船舶電力系統的設計以*大限度地維持不間斷供電為目標。隨著船舶噸位增大、電氣化程度提高和科學技術發展，船舶電力系統發生了顯著的進步和變化。由於船電技術的發展，船舶電力系統的設備性能和供電指標有很大提高，船舶電力設備也日趨完善，同時也加強了系統承受各種突變負荷的能力。大型船及工程船等特種船舶，應用了大功率、高電壓的高參數船舶電力系統，電網電壓達3～10kV，電力系統高參數在船舶上的應用是技術上的一種突破，它為船舶電力系統提供了進一步發展的空間。
近年來，全球運輸業務急劇增長，海運相比陸運和空運模式有著明顯的優勢，這不僅體現在對其基礎設施和運輸成本要求較低，還因為海運很少出現交通堵塞的問題［2，3］。全世界幾乎所有的船舶均使用燃燒輕質或重質柴油的發電機自行發電，燃油輔機在發電的過程中，會排放包含氮氧化合物(NOx)、硫氧化合物(SOx)、揮發性有機化合物(VOC)和顆粒污染物(PM)在內的污染物，如圖1.1所示，對港口空氣及水域造成了很大的污染，同時輔機發電會產生較大的噪聲，嚴重影響附近居民及船員的工作和生活。國際海事組織(International Maritime Organization，IMO)提供的數據表明，全球以柴油為動力的船舶每年向大氣排放1000萬噸NOx、850萬噸SOx污染物，並通過氣候作用可以傳播至1000km以外的地區［47］，這些有害物質已對港口所在地空氣質量和氣候產生了嚴重的影響，控制船舶停港期間的環境污染越來越受到全球港口國家的重視，世界各國港口碼頭紛紛尋求港口節能減排解決方案。
圖1.1 燃油輔機排放的廢氣
採用陸地電源對靠港船舶供電的技術稱為“岸電技術”，是指船舶泊靠碼頭時，停止所有的船舶柴油機電站運轉，將船舶用電改由岸電電站提供，以降低港區污染廢氣的排放量。 2006年，歐盟提出並通過了在歐盟範圍內各個海港碼頭停泊船舶要使用岸電供電的法案2006/339/EC，建議成員國提出對使用岸電的優惠政策，並一起制定岸電電站國際標準，相互之間應就海港岸電供電交流經驗，大力推廣使用岸電［811］。為了加強港口行業節能減排，中華人民共和國交通運輸部（簡稱交通運輸部）明確提出在“十二五”末，全國海港碼頭中一半以上超萬噸級泊位要提供岸電，推廣靠港船舶使用岸電是各大港口節能減排的重點工作之一［12］。多年來，國內外很多學者試圖採用先進的“電子式岸電電站裝備”來徹底解決這個問題，但是研發穩定可靠的兆瓦級岸電系統裝備一直是供電領域的一項重大技術難題和前沿技術，也是一項系統工程。
1.2 國內外岸電技術現狀與分析
1.2.1 國內岸電技術現狀
國內港口的船舶岸電技術研究尚處於起步階段，2009年以來國內已有多個港口建立船用岸電試點性工程。
2009年，青島港招商局國際集裝箱碼頭有限公司首先完成了 5000噸級內貿支線集裝箱碼頭船舶岸電改造，該系統只針對內河船隻，因而應用面較窄；2010年3月，上海港外高橋二期集裝箱碼頭運行移動式岸基船用變頻變壓供電系統，其主要是針對集裝箱船舶；2010年10月，連雲港港口首次將高壓船用岸電系統應用於“中韓之星”郵輪；2011年11月～2012年1月，招商國際蛇口集裝箱碼頭先後安裝了低壓岸電系統與高壓岸電系統；目前福建港、寧波港、天津港等國內一些港口碼頭也正在進行船舶岸電系統的建設和試驗［13］。國內主要應用岸電技術的碼頭如表1.1所示。
表1.1 國內主要應用岸電技術的碼頭
1. 連雲港方案
連雲港碼頭採用高壓船舶/高壓岸電的供電方案。輸入側接10kV/50Hz電網電源，經岸上變頻電源變頻，輸出側為6.6kV/60Hz。將變頻後的高壓電送至碼頭前沿的高壓接線箱內，同時在船舶上安裝配套的固定變壓器［14，15］，其工作示意圖如圖1.2所示。
圖1.2 連雲港船用岸電系統示意圖
連雲港岸電方案：採用高壓上船的模式，這樣可以將電纜的數量減少為一根，而且直徑較小。該方案稱為“高壓變頻數字化船用岸電系統”，它由三部分設備組成：
（1）岸上的變壓變頻穩壓穩頻裝置；
（2）船上的船載變電站（包括高壓電纜捲筒）；
（3）在碼頭前沿的插接頭電箱。
連雲港岸電的優點如下：
（1）不間斷供電，在操作過程中自動將船和岸上的負荷轉移，不需要在併入與解列時斷電。
（2）安裝便捷，操作簡單，首先由船港雙方簽訂使用岸電協議，然後是船舶靠港之後，由地面操作人員按照規程將電纜接入碼頭前沿的高壓接電箱，接好之後，船上岸電操作屏可以自動得到一個“岸電可用”的信號。按下“接入岸電”開關，則岸電自動調壓、自動變頻、自動調整後並網、自動轉移船岸負載後脫開輔機，之後僅需將輔機關閉即可。
（3）全自動數字控制，船岸無線以太網通信，實現船岸實時監測、實時控制，自動電壓跟踪、自動調整、自動穩壓等功能。
（4）可以一個變頻電源為多船供電。
（5）採用一根高壓電纜上船，由於是採用6.6kV電壓傳輸，所以一根電纜就可滿足3～4MW的電力需求。
（6）可靠性高，除了安全保護設置，還通過了 CCS 要求的短路電流計算，使得全船的岸電系統有了安全保障。
該岸電方案的缺點：船舶需要改造，必須通過船舶所屬國家的船級社認可。
2. 上海港方案
上海港於2010年3月22日在外高橋二期集裝箱碼頭進行了為集裝箱班輪提供岸電的嘗試（輸入為10kV/50Hz，輸出為440V/60Hz）［16］。
上海港外高橋二期集裝箱碼頭的岸電系統，採用低壓船舶/低壓岸電供電方案，並涉及變頻技術。該方案採用移動式岸電電站，變壓與變頻主體結構裝載在集裝箱內，方便港口搬運移動，且可放置於岸邊或者船舶上。電網的10kV/50Hz三相交流電壓先經變壓器變壓到岸電電源工作電壓，然後經岸電電源由50Hz變為60Hz，再降壓到460V/60Hz，*後將9 根電纜連接到船上，其供電結構如圖1.3所示。
圖1.3 上海港船用岸電系統示意圖
該岸電供電系統主體結構採用港口標準配置集裝箱形式，便於港口吊運設備搬運移動，由於高低壓配電、柔性連接配置要求，電源主體分為主移動艙和副移動艙兩部分，如圖1.4所示。變壓和變頻裝置、高壓電纜捲筒安裝在主移動艙上，低壓電纜捲筒安裝在副移動艙上，兩個移動艙都可置於碼頭前沿。
圖1.4 電源主體
系統的基本功能如下：
（1）從裝有高壓電纜捲筒的主移動艙中，引出一根帶有快速接頭的電纜連接10kV的岸電接電箱，電纜*大長度為30m。
（2）主移動艙為40ft(1ft=0.3048m)集裝箱，提供連接9個460V/60Hz快速接頭的插座箱。
（3）副移動艙為20ft標準集裝箱，配3個低壓電纜捲筒，每個捲筒進線和出線各3根電纜，進線和出線的端頭都裝有快速插頭，輸入端連接主移動艙，輸出端連接船上的受電箱。輸出電纜長度為40m，供電纜用吊車吊入船舶。
（4）配置其他滿足設備在港口露天環境下正常使用的輔助功能。
系統的基本工作原理如下：
（1）10kV/50Hz進入後，先進入主移動艙內高壓開關櫃，由高壓開關櫃控制高壓通斷。
（2）10kV/50Hz經高壓變壓器降壓至720V/50Hz。高壓變壓器為三繞組變壓器，其中一套繞組作為原繞組，另外兩套繞組作為副繞組，向變頻裝置輸出功率。高壓繞組是三角形接法，副繞組一個是星型接法且中心點引出，另一個是三角形接法，互差30°電角度，這種電路可以把整流電路的脈衝數由6脈衝提高到12脈衝，兩個整流橋產生的5、7、17、19 次諧波相互抵消。
（3）720V/50Hz進入低壓開關櫃，控制低壓輸出通斷。 720V/50Hz進入岸電電源櫃的整流櫃、逆變櫃進行整流、逆變，將720V/50Hz變頻為660V/60Hz方波，再經正弦波濾波器濾波成正弦波，*後輸出到隔離變壓器，變頻部分採集輸出460V/60Hz正弦波形成閉環控制，控制電壓頻率穩定。
該岸電方案的優點在於使用較為靈活，且無需碼頭提供額外電氣設施。缺點是連接不方便。
3. 蛇口港方案
蛇口集裝箱碼頭有限公司在港5#～9#泊位建設碼頭船用供電系統［17］，其係統平面圖如圖1.5所示。