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1、1 1、港口电力系统的电能质量特点第三届中国电能质量优化治理技术大会 2016年5月12-13日于南京 第1页/共29页1 1、港口电力系统的电能质量特点由于我国大力推进绿色低碳港口建设，大型装卸机械“油改电”工程和“靠港船舶岸电供电”工程等港口电气化改造项目在沿海各港口已经大规模实施，即采用电力设备使港口装卸效率和用能效率明显提高，单位运输能耗和污染物排放量明显下降，因此，使得电能在港口能源消耗中的比重逐年提高，电力已成为港口的主要能源。预计港口电能比例仍将会进一步提高，这个发展方向符合我国“建设绿色低碳港口”的战略方针，并对加快高能耗、高排放、高污染运输装备淘汰更新起到推动作用。第三届中国
2、电能质量优化治理技术大会 2016年5月12-13日于南京 第2页/共29页1 1、港口电力系统的电能质量特点根据中达电通股份有限公司的数据资料，港口电力负载主要有三类：（1）反复间歇性负载（占60%），主要为起重设备，采用大功率整流驱动直流电机或变频驱动交流电机负载。其负载特性为启动电流大，平均负载电流小，谐波含量大，功率因数较低（0.6以下）。（2）不间断运行设备（占20-30%），主要为皮带运输机油码头输油泵粮食码头吸粮机煤码头斗轮机。其负载特性为负荷较为均匀，且三相对称，功率因数稳定（0.8左右）。（3）辅助设备（占10-20%），主要为变频或整流类电源类负载和照明负载。其负载特性为电
3、源谐波含量大；照明负载中，荧光灯、高压钠灯和高压水银灯功率因数较低（0.45-0.65之间）。第三届中国电能质量优化治理技术大会 2016年5月12-13日于南京 第3页/共29页港口电港口电力系统力系统的的特点特点港口的面积比较大，其用电负荷多而且比较分散港口一般采取架空线的方式用高压配电线路进行内部电能传输与分配，将电送到各码头和生产车间等用电场所。而港口用电设备的主体是低压设备，这就需要大量的变压设施。大型装卸机械（桥吊、皮带机等）基本采用电力电子装置和电气传动装置，包括晶闸管整流直流调速和交流变频调速装置。这些设备均存在功率因数低、谐波电流含量大的问题。使供电可靠性降低，电网运行能耗偏
4、高。港口电力系统需要向靠港船舶供应岸电，而靠港船舶的额定电压和额定频率有多种多样，这就需要港口装备大功率变频电源。容量近似无穷大的公用电网，通常只进行稳态谐波控制。但港口电力系统需要进行动态谐波控制。1 1、港口电力系统的电能质量特点第三届中国电能质量优化治理技术大会 2016年5月12-13日于南京 第4页/共29页1 1、港口电力系统的电能质量特点港口供配电系统关于电能质量检测的标准规范港口供配电系统关于电能质量检测的标准规范根据GB/T 14549-1993标准检测“公用电网谐波”根据GB/T 12325-2008标准检测“供电电压偏差”根据GB/T 15945-2008标准检测“电力系
5、统频率偏差”根据GB/T 15543-2008标准检测“三相电压不平衡度”根据GB/T 12326-2008 标准检测“电压波动和闪变”第三届中国电能质量优化治理技术大会 2016年5月12-13日于南京 港口的这些特点，将对港口电力系统产生的电能质量产生不利影响。若电能质量降低将影响到港口电力系统的安全稳定经济运行。第5页/共29页1 1、港口电力系统的电能质量特点港口电力系统主要包括港口电力系统主要包括“场地电力系统场地电力系统”和和“岸电系统岸电系统”“场地电力系统”的任务是向大型装卸机械供电；“岸电系统”的任务是向靠港船舶供电。对于“场地电力系统”的电能质量问题，这里用上海一个集装箱码
6、头公司已经改造完成的一个“净化电网、提高电能利用率”案例介绍电能质量的改善方案。对于“岸电系统”的电能质量问题，这里以交通运输部的一个重点实验室已研制完成并投入码头实用的“港口变频电源”项目为案例介绍电能质量的改善方案。第三届中国电能质量优化治理技术大会 2016年5月12-13日于南京 第6页/共29页2 2、港口场地电力系统的电能质量问题第三届中国电能质量优化治理技术大会 2016年5月12-13日于南京 第7页/共29页2 2、港口场地电力系统的电能质量问题堆场坐标从“11”至“59”。其中，堆场高架电网的制式为460V/50Hz，有4组，“17”至“57”不设线。“”至“”为8组变压器
7、，将港口进线电压10kV降为460V进入堆场高架电网，供电给橡胶轮胎门式起重机。港口场地布局图第三届中国电能质量优化治理技术大会 2016年5月12-13日于南京 第8页/共29页2 2、港口场地电力系统的电能质量问题原先橡胶轮胎门式起重机的电机驱动均采用传统的变频运行 两象限变频模式 电机逆向做功时的过电压会通过电机逆向做功时的过电压会通过IGBTIGBT逆向整流加载到直流母逆向整流加载到直流母线上，但无法通过功率二极管整流桥反馈回电网，无法实现线上，但无法通过功率二极管整流桥反馈回电网，无法实现能量的双向流动。在起重机进行大功率驱动作业时，整流桥能量的双向流动。在起重机进行大功率驱动作业时
8、，整流桥会产生大量的会产生大量的高次谐波高次谐波。第三届中国电能质量优化治理技术大会 2016年5月12-13日于南京 第9页/共29页2 2、港口场地电力系统的电能质量问题采用采用四象限变频器四象限变频器可以解决这个问题，并且在对整流控制可以解决这个问题，并且在对整流控制单元中整流侧的单元中整流侧的IGBTIGBT桥进行恰当控制，可以消除二极管整桥进行恰当控制，可以消除二极管整流桥产生的流桥产生的6k16k1次谐波，降低了电网谐波污染。次谐波，降低了电网谐波污染。【注注】整体更换两象限变频器的话，替换的四象限变频器的体积容量，安装位置可能会与原来的位置不一致，如此可能会增加很大的工程量及改装
9、费用。第三届中国电能质量优化治理技术大会 2016年5月12-13日于南京 第10页/共29页2 2、港口场地电力系统的电能质量问题这里采用一种适应当前港口橡胶轮胎门式起重机现状的改造方法 “分体式分体式”四象限变频器四象限变频器 实际上是将前端整流逆变部分分离，形成一个独立的单元，以外接的形式添加到原先的变频器驱动系统中。第三届中国电能质量优化治理技术大会 2016年5月12-13日于南京 第11页/共29页2 2、港口场地电力系统的电能质量问题港口场地电力系统所采用的LCL滤波器与传统拓扑结构不同的是：将电感分为网侧电感Lf和变流侧电感L，网侧电感和变流器侧电感之间是三个星形连接的电容Cf
10、。其中，变流器侧电感L除了滤除高次谐波外还具有升压和能量交换功能。以以LCL滤波器替代纯电感滤波以提高谐波抑制效果滤波器替代纯电感滤波以提高谐波抑制效果第三届中国电能质量优化治理技术大会 2016年5月12-13日于南京 第12页/共29页2 2、港口场地电力系统的电能质量问题改造前港口橡胶轮胎门式起重机采用的是“纯电感滤波+两象限变频器”的驱动方式改造后采用的是“LCL滤波+四象限变频器”的驱动方式第三届中国电能质量优化治理技术大会 2016年5月12-13日于南京 第13页/共29页2 2、港口场地电力系统的电能质量问题对比测试两者在起重机起升作业时的谐波状态对比测试两者在起重机起升作业时
11、的谐波状态 纯电感+两象限变频器 LCL滤波器+四象限变频器第三届中国电能质量优化治理技术大会 2016年5月12-13日于南京 第14页/共29页2 2、港口场地电力系统的电能质量问题 纯电感+两象限变频器 LCL滤波器+四象限变频器第三届中国电能质量优化治理技术大会 2016年5月12-13日于南京 第15页/共29页2 2、港口场地电力系统的电能质量问题 纯电感+两象限变频器 LCL滤波器+四象限变频器第三届中国电能质量优化治理技术大会 2016年5月12-13日于南京 第16页/共29页2 2、港口场地电力系统的电能质量问题从对比结果来看，采用“LCL滤波+四象限变频器”驱动方式的谐波
12、抑制效果明显。电压总谐波畸变从电压总谐波畸变从8.8%8.8%降低到降低到1.4%1.4%电流总谐波畸变从电流总谐波畸变从30%30%降低到降低到4.4%4.4%5 5次、次、7 7次、次、1111次等各次谐波含量次等各次谐波含量均均明显降低明显降低 功率因数从功率因数从0.940.94提高到提高到0.9970.997第三届中国电能质量优化治理技术大会 2016年5月12-13日于南京 第17页/共29页2 2、港口场地电力系统的电能质量问题对比对比能能耗情况耗情况改造之前：轮胎吊在各种工况下进行工作的测试结果改造之前：轮胎吊在各种工况下进行工作的测试结果第三届中国电能质量优化治理技术大会 2
13、016年5月12-13日于南京 第18页/共29页2 2、港口场地电力系统的电能质量问题改造之改造之后后：轮胎吊在各种工况下进行工作的测试结果：轮胎吊在各种工况下进行工作的测试结果节能效果：总耗电量有所下降，回馈至高架电网上的电量达到了40%以上。第三届中国电能质量优化治理技术大会 2016年5月12-13日于南京 第19页/共29页3 3、港口岸电系统的电能质量问题第三届中国电能质量优化治理技术大会 2016年5月12-13日于南京 第20页/共29页3 3、港口岸电系统的电能质量问题第三届中国电能质量优化治理技术大会 2016年5月12-13日于南京 岸电供电技术是指船舶靠港期间，停用船舶
14、上的发电机电源供电，由（港区）码头的岸电对船舶供电，是解决靠岸船舶由于船上的发电对港口水域带来的污染问题的重要举措。船舶受电系统船舶受电系统船舶受电系统船舶受电系统 在船上原有配电系统上固定安装岸电受电系统，包括电缆绞车、船上在船上原有配电系统上固定安装岸电受电系统，包括电缆绞车、船上变压器和相关电气管理系统等。变压器和相关电气管理系统等。船岸交互部分船岸交互部分船岸交互部分船岸交互部分 连接岸上连接点及船上受电装置间的电缆和设备。连接岸上连接点及船上受电装置间的电缆和设备。岸上供电系统岸上供电系统岸上供电系统岸上供电系统使电力从高压变电站供应到靠使电力从高压变电站供应到靠近船舶的连接点，即码
15、头接电近船舶的连接点，即码头接电箱箱船舶岸电系统组成第21页/共29页3 3、港口岸电系统的电能质量问题第三届中国电能质量优化治理技术大会 2016年5月12-13日于南京 u 为适应到港的各国船只，供电与用电制式的匹配是船舶岸电系统需要重点解决的问题之一。岸电技术比较低压变频岸电60Hz/50Hz(上海外高桥)低压岸电60Hz直供电(洛杉矶港)高压岸电/低压船舶50Hz直供电(哥德堡港)高压岸电60Hz直供电(洛杉矶和西雅图集装箱码头)高压岸电60Hz直供电(连云港)变频设备安装方式陆地移动式陆地固定式陆地固定式变压设备安装方式陆地移动式泵船承载式船上安装式船舶配电电压450V450V400
16、V6.6kV450V岸电电压450V450V10kV6.6kV6.6kV功率2000kVA2500kVA2500kVA7500kVA2000kVA港口电网频率50Hz60Hz50Hz60Hz50Hz供电频率50Hz/60Hz60Hz50Hz60Hz50Hz/60Hz供电操作性连接不便，9根低压电缆水上高压低压双向连接，多根电缆较复杂一根电缆，快速连接电缆较少一根电缆，高压国内外各港口不同岸电供电方案比较国内外各港口不同岸电供电方案比较第22页/共29页3 3、港口岸电系统的电能质量问题第三届中国电能质量优化治理技术大会 2016年5月12-13日于南京 我国电网采用频率50Hz，而很多船舶供电
17、采用频率60Hz。若直接将50Hz 的电源接入船舶设备，会使设备的整体效率下降30%。采用岸上发电机组提供60Hz电源的方法成本高，噪音大，并造成陆上环境的污染，且发电效率低，维护成本高。当前的发展趋势是采用以大功率逆变电路（400kVA以上）为核心组件的变频电源替换发电机组。而且变频电源装置的输出频率和电压在一定范围内可调整。特别是在船厂使用时出现线路电压损耗的情况下，可调整设定值，升高电压予以补偿。由于变频电源的核心部件是变频器，是谐波源。但作为标准电源的使用，谐波的存在将影响到电源的质量，进而影响使用设备的稳定和寿命。第23页/共29页3 3、港口岸电系统的电能质量问题变频电源的单线图第
18、三届中国电能质量优化治理技术大会 2016年5月12-13日于南京 第24页/共29页3 3、港口岸电系统的电能质量问题 4 4条条措措施施抑抑制制谐谐波波4、变频电源输出侧采用无源正弦波滤波器，以改善变频器输出波形。在正弦波滤波器的参数设置时，电感值一般在0.080.11mH，电容一般在50100f。3、变频电源设计为12 脉冲整流，从而消除11 次以下的输入谐波电流。2、输入侧接入交流限流电抗器，抑制从电源到变频器或变频器内部产生的对电源侧的高频扰动。改善变频器的输入电流波形。1、输入侧接入EMI 滤波器，用于控制输入变频器的电网谐波，有效衰减经电源传入的电磁干扰信号，将电源功率基本无损地
19、传输到设备。同时还能有效地控制设备本身产生的电磁干扰信号，防止其进入电网，污染电磁环境，对其他设备产生不利影响。第三届中国电能质量优化治理技术大会 2016年5月12-13日于南京 第25页/共29页3 3、港口岸电系统的电能质量问题一般用电设备在起动瞬间会产生大于额定电流4 倍以上的起动电流。这对发电机组会造成输出电压降低，但不影响发电机的正常运行。但对变频电源而言，因电流超过极限会出现保护性跳闸，因此设计变频电源需要充分考虑负载的具体情况。1变频器的极限电变频器的极限电流一般是额定电流一般是额定电流的流的1.51.5倍，因此倍，因此要根据负载的额要根据负载的额定功率和起动电定功率和起动电流
20、来选择变频器。流来选择变频器。这样既保护变频这样既保护变频器、又不因设备器、又不因设备起动造成过流而起动造成过流而跳闸。跳闸。2大功率设备采用大功率设备采用软起动。软起动。3尽量避免多台设尽量避免多台设备同时起动和频备同时起动和频繁起动。繁起动。第三届中国电能质量优化治理技术大会 2016年5月12-13日于南京 第26页/共29页李孝明，港口场地高架电网质量改善的新方法，港口科技，2013年第3期冯玥，朱明星，王飞龙，散货码头无功补偿装置的控制策略及应用，水运工程，2013年第1期27部分内容源自以下文献：袁庆林，黄细霞，张海龙，港口船舶岸袁庆林，黄细霞，张海龙，港口船舶岸电供电技术的研究与应用，上海造船，电供电技术的研究与应用，上海造船，20102010年年2 2期期 第三届中国电能质量优化治理技术大会 2016年5月12-13日于南京 第27页/共29页第三届中国电能质量优化治理技术大会 2016年5月12-13日于南京 谢 谢！第28页/共29页感谢您的观看！第29页/共29页