岸电改造方案
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摘 要：文章介绍250kVA变频电源改造方案设计，根据方案设计系统组，对变压器、滤波器、变频器和开关进行选型，改造后通过空载和带载试验测量谐波，与国家岸电试行标准进行对比并满足电源供电标准。
关键词：岸电；变频电源；变频器；滤波器
1 背景
中海油惠州物流基地码头已建成8套岸电电源，为国内船舶停靠时提供岸电供给。由于业务需要，外籍船舶停靠码头需求增多，原岸电电源不能满足外籍船舶用电要求，根据此需求对原岸电电源进线改造。
2 概述
岸电电源是一种船用或者岸用大功率变压变频装置，常常装备在造船厂及修船厂、岸边码头及远洋钻井平台等高温、高湿、高腐蚀性的恶劣环境，提供高精度高质量的电压和频率的电源。
随着我国海洋工业的飞速发展，大量外国的船舶停泊在我国港口和码头。船舶停泊到码头，船上柴油机发电效率很低，发电成本高。柴油发电机组排放大量有害废气，而且产生噪声，影响船员和码头附近居民的生活。所以无论是船主和还是港口管理方都需要岸电电源代替发电机组供电。
目前世界上的岸电主要有60Hz和50Hz，港口电网分别向60Hz和50Hz的船舶电网直接供电，都不涉及变频技术。由于我国电网采用的频率和电压分别50Hz和380V，而大部分外籍船舶供电采用的是60Hz频率和440V电压，如果直接将50Hz的电源接入外籍船舶设备，会使设备的整体效率下降30%。通常采用岸上发电机组提供60Hz电源，但这种方法成本高，噪音大，而且同样会造成陆上环境的严重污染，发电效率又低，维护成本高。随着现代电力电子技术、微电子控制技术的不断发展，采用IGBT作为功率器件的大功率逆变电路，特别在变频调速领域得到广泛的应用，为新型岸电供电技术――变频电源替换发电机组打下坚实基础。
3 方案设想
对8套岸电电源的其中2套进行改造，增加变频单元，改造后既能提供380V 50Hz电源又能提供440V 60Hz电源。运行方式如下：
（1）国内船舶用电时，将变频电源柜旁路开关合闸，变频器电源分闸，变频器不投入工作，直接将电网380V50Hz电源供给船舶。
（2）外籍船舶用电时，将变频电源柜旁路开关分闸，变频器电源合闸，变频器投入工作，输出440V60Hz电源供给船舶。
4 变频电源
经过交-直-交变换的逆变电源称为变频电源。变频电源的主要功用是将现有交流电网电源变换成用户所需频率。变频电源用作标准供电电源，要保证电源输出的波形稳定和纯净，提供最优良的供电环境。本方案采用Vacon NXS系列高性能变频器作为整体变频单元，变频器作为整流和逆变单元、通过隔离变压器升压，具有以下特点：
（1）变频器产品质量和运行可靠。
（2）变频电源装置采用干式隔离变压器，能有效防止船上负载电网和岸电电网的相互干扰，并避免变频电源装置由于负载设备的故障而造成损坏。
（3）电源设计所选用的几大部件都是成熟产品，其可靠性高，而且系统的结构简单、线路清晰，便于日常的维护、诊断和维修。
（4）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。
5 方案实施
VF-385AVN 变频电源设备是定造的变频电源设备，其技术参数为：额定输入：380V/50Hz/3P5L；额定输出：440V/60Hz/3P3L，额定输出电流：328A，额定输出功率：250kVA。它采芬兰Vacon NXS系列高性能变频电源专用变频器作为整体逆变单元，配合正弦波滤波技术生产而成。
主电路框图如图1。
VF-385AVN变频电源设备主要由：电源输入主断路器单元、输入滤波升压变压器单元、逆变器单元、正弦滤波器单元、输出变压器隔离单元、输出电力参数显示单元、电源输出主断路器单元、一次回路单元、二次控制回路单元等九个功能部件组成，各部件的功能、电气参数说明如下：
5.1 电源输入主断路器单元
电源输入主断路器单元是对整套变频电源设备供电电源的启/停控制以及短路、过流保护。选用施耐德CVS400F-3P塑壳断路器，NSX（400-630）带延伸旋转操作手柄。
5.2 逆变器单元
采用芬兰Vacon系列高性能矢量控制变频电源专用变频器作为整体逆变单元。变频器的额定输入电压级别为500V；额定连续输出电流为328A；1分钟过载电流为450A；2秒钟最大过载电流为540A。型号为：NXS03855000000A1A2B5。
5.3 正弦滤波器单元
正弦滤波器单元是将逆变单元输出的SPWM波变换成正弦波。采用逆变器输出端三阶正弦波滤波器。该滤波器采用独立滤波形式，电抗器采用铜箔绕制工艺，整体真空压力浸渍漆绝缘处理，绝缘级别为F级。额定工作电流为380A。
5.4 输出变压器卧
输出变压器单元主要是隔离和变压的作用。初、次级线圈均采用多股高纯度无氧铜线圆柱形绕制，采用真空压力浸渍漆绝缘处理工艺；钢类部件采用镀锌并变压器整体喷涂高温防护漆。电气参数：额定输入电压440V；额定输出电压440V；额定功率容量为250kVA。
5.5 输出电力参数显示单元
输出电力参数显示单元主要是对变频电源输出的11项电力参数进行测量和显示以及输出过流告警、过压或欠压告警、三相不平衡度告警控制。电气参数：额定工作电压为AC220V/50Hz；测量精度为0.5级。
5.6 电源输出主断路器单元
电源输出主断路器单元主要是对变频电源输出进行开/关控制以及输出短路、过流保护。二路输出保护开关，选用施耐德CVS400F-3P塑壳断路器，NSX（400-630）带延伸旋转操作手柄。
5.7 一次回路单元
一次回路单元是变频电源设备的主电气连接电路，主电气连接电路采用5X20，3X15，4X30铜排（套PVC色标热缩管）；允许工作温度为70℃。
5.8 二次控制回路单元
二次控制回路单元由逆变单元控制电路和反馈电压取样电路组成。控制电路主要是对逆变单元的运行、故障告警等状态的指示以及对散热风机、柜内照明等控制。电气参数：所有元器件的额定工作电压为AC220V/50Hz；控制信号为继电器干接点（常开）。反馈电压取样电路是将变频电源的输出电压通过电压模拟变送器送到逆变单元进行PI运算控制，从而使变频电源的输出电压稳定。电气参数：额定工作电压DC24V；模拟输出信号为4～20mA。
VF-385AVN变频电源设备一次结线图如图2。
根据国家岸电电源标准暂行实行办法该岸电电源满足以下指标：
（1）输出频率：通过参数设定可选择频率源、预置频率、最大频率设定。
（2）载波频率：2kHz～6kHz，可设定。
（3）输入频率分辨率：0.01Hz。
（4）输入电压：400VAC±15%。
（5）输出电压：通过参数设定可设定变频器的最大电压输出。
（6）控制方式：V/F独立可调。
（7）过载能力：150%额定电流60s，180%额定电流10s，200%额定电流1s。
（8）内置PID，支持电压的闭环控制。
（9）输入端功率因数：0.95以上。
（10）自动电压调整：当电网发生变化时，能自动保持输出电压恒定。
（11）上电自检：可实现上电对设备进行安全检测，如接地短路等。
（12）定时控制：可通过变频器参数设定来设定变频器的运行时间。
（13）运行命令通道：可通过变频器操作面板、控制端子按钮给定、串行通讯口等方式进行变频器的启动、停止、复位操作。
（14）频率源：可通过数字给定、模拟电压给定、模拟电流给定、脉冲给定、串行口给定。
（15）输入端子：数字输入端子可实现对变频器的启动、停止、复位、多段速频率输出、正反转等设定操作；模拟输入端子可通过0-10VDC给定信号控制变频器的0-380V输出，通过0-10VDC反馈信号作为变频器的稳压输出。
（16）保护功能：上电电机短路检测、输入输出缺相保o、过流保护、过压保护、欠压保护、过热保护、过载保护。
（17）继电器输出：通过参数设定可选择继电器在何种状态下输出，可采集变频器的待机、运行、报警状态。
（18）停机方式：停机命令有效后，变频器直接停止输出。
（19）运行时间：可查看变频器运行时间，运行时间可累积。可选择变频器到达运行时间后的状态选择，如：停机、继续运行等。
（20）母线端子：整流后母线预留接线端子，可加入直流电抗器，进行输入侧滤波。
（21）制动单元：防止电机发电时母线电压冲击过高，可加入制动单元，消耗负载电机的再生能量。
（22）并机运行：当需要扩充变频器容量时，可通过并机实现，并机环流
（23）上升时间：通过参数设定可设定变频器输出电压从零升至最大时的时间。
（24）故障信息：报警信息明确，分辨出具体故障点，如：缺相、短路、过热等。有故障信息记忆功能。
（25）用户密码：可选择启用、停止使用密码。如果启用用户密码，在不输入密码的情况下，可以查看但不能更改变频器参数，输入密码后可以查看并更改变频器参数。
6 测试及谐波
变频器谐波是变频器运行过程中，需要对输入电源用大功率二极管整流（或晶体管/逆变模块）进行逆变；在其逆变过程中，在输入输出回路产生的高次谐波；变频器谐波对供电系统、负载及其他邻近电气设备产生干扰。
VF-385AVN变频电源设备带有隔离变压器和滤波器，能很好的抑制谐波，空载THDi=0.9%，带载THDi=1.8%，空载及带载测试电流波形和谐波如图3，电源质量满足供电要求。
7 结束语
针对码头岸电供电问题，提出了采用Vacon变频技术将我国电网50Hz交流电变换成适合于船舶使用的60Hz交流电岸电供电的技术方案，该大功率岸电电源性能测试和码头现场测试均表明，该变频电源满足设计要求，解决电压跌落，谐波抑制，稳压以及强弱电隔离等靠岸船舶使用岸电供电的关键技术，可广泛应用于船厂、港口、码头等需要60Hz供电的场合。
参考文献
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[2]卢明超，刘汝梅，石强，等.内外港口船舶岸电技术的发展和应用现状[J].港工技术，2012（03）.
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作者简介：伍永畅，男，电气工程师，主要从事电气设备管理。