岸电供电电压为440V,原因如下:
1)绝大部分船舶配电电压是440V,6.6V只占少部分。高压供电需要在440V的船舶上安装船用变压器,给船舶改造带来困难。洛杉矶港船舶接用岸电统计数据表明,船舶岸电采用低压440V供电方式约占90%,而高压10kV或6.6 kV仅占10%。
2)中海集团集装箱船是上港岸电能够找到的最方便的接受岸电供电的船舶,中海集团集装箱船已安装岸电接人装置的船舶33艘,其中28艘为440V,占85%。
2009年4月15日ISO/IEC标准化专家审定了PAS(Publicly Available Specification,公共可用规范)18/1094,将于2009年6月发布。标准题目为 Electrical installations in ships Special features High voltage shore connection systems ,标准中规定高压岸电连接的额定电压为6.6kV或者11kV,频率为60Hz。该标准包括岸电岸方安装规范、接口设备规范以及船方安装规范,规定了邮轮船舶、集装箱船舶、液化天然气(LNG)船舶的安装规范。
至今还没有相关低压岸电的标准。但是低压岸电非常重要,因为低压船舶占绝大部分,低压岸电对船舶的改造很小,易于船方接受。低压岸电最大的困难一是多根电缆连接工艺复杂,二是电缆、电缆卷筒和快速接头的成本比较高,特别是电缆卷筒成本。如果能够通过项目组的努力,开发具有自主知识产权的电缆卷筒,一是可以降低成本,二是可以改进工艺,缩短岸电连接时间,为低压岸电的推广应用做贡献。
1.3.2功率分析
岸电容量为2 000kVA,因为码头现有10kV/2 000kVA高压接电箱供电的变频电源可覆盖中海集运低压船舶:
1)利用现有10kV高压接电箱的岸电变频电源可供电船舶负载为l 646kW。
2)中海集团已安装岸电插座箱的船舶为33艘。其中4 250TEU船舶2l艘,实际功率消耗约1 000kW;5 688TEU船舶7艘,实际负载约为l 200kW。
3)从技术角度来看,低压变频2 000kVA可以实现。
4.上海港岸电系统方案论证
4.1 系统图
岸电变频电源的输人为10kV/50Hz,输出电压为440V,输出频率50Hz/60Hz任选。变压和变频装置安装在集装箱上,可置于岸边或驳船上。
方案系统图如图l所示。
4.2方案流程
4.2.1低压方案
低压方案流程图如图2所示。
1)从装有岸电变频电源装置的集装箱中引出一根带有快速接头的电缆连接10kV//2000kVA接电箱,电缆长度30m。
2)岸电变频电源的输入为10KV/50Hz,输出电压为440V,输出频率50Hz/60Hz任选。先10kV/720V降压到变频器的工作电压,然后50Hz/60Hz变频,然后660V/460V变压,输出变压器还有隔离的作用。(变频器如选用SIEMENS高压变频,直接10kV50Hz/60Hz变频,然后6.0kV/460V变压,输出变压器还有隔离的作用。)
3)集装箱提供9个440V/60Hz快速接头的插座箱。
4)集装箱与电缆卷筒箱用9根两端带快速插头的电缆连接,电缆长度15m。
5)电缆卷筒箱配有9个440V/60Hz快速接头的插座箱。
6)电缆卷筒箱配3个低压卷筒带9根电缆,9个插头,电缆长度40m,电缆用吊车吊人船舶。
4.2.2高/低压方案
考虑到高压船舶的增加,以及高压岸电接入工艺简单,设计了高/低压的供电方案。
高/低压供电方案流程图如图3所示。
高/低压方案与低压方案比较修改的内容:
1)变压器换成抽头变压器,可输出440V和6.6kV:
2)输出开关柜调整为高压和低压两路输出;
3)增加两个快速接头的插座。
具体流程如下:
1)从装有岸电变频电源装置的集装箱中引出一根带有快速接头的电缆连接10kV/2 000kVA接电箱,电缆长度30m。
2)岸电变频电源的输入为10KV/50Hz,输出电压为440V或者6.6kV,输出频率50Hz/60Hz任选。先10kV/720V降压到变频器的工作电压,然后50Hz/60Hz变频,然后多抽头变压器输出440V或者6.6kV,输出变压器还有隔离的作用。(变频器如选用SIEMENS高压变频,直接10kV50Hz/60Hz变频,然后多抽头变压器输出440V或者6.6kV,输出变压器还有隔离的作用。)
3)集装箱提供一个包括9个 440V/60Hz快速接头的低压插座箱和一个包括2个6.6kV/60Hz快速接头的高压插座箱。
4)集装箱与电缆卷筒箱用9根两端带快速插头的电缆连接,电缆长度15m。
5)电缆卷筒箱配有9个440V/60Hz快速接头的插座箱。
6)电缆卷筒箱配3个低压卷筒带9根电缆;9个插头,电缆长度40m,电缆用吊车吊人船舶。
4.2.3供电方案综合分析
1)低压方案技术风险较低,适用低压船舶,目前低压船舶数量占绝对优势。缺点是岸电接入工艺复杂。
2)高压方案岸电接人简单。且高压岸电标准已公布,接受高压岸电的船舶数量将不断增加。
3)高/低压方案可同时覆盖高低压船舶。
4)低压供电会增加电缆和电缆卷筒费用,增加预算约为50万。
4.3变频电源方案设计
考虑到成本、码头供电能力以及集装箱空间要求,设计了采用VACON变频器的方案。变频电源单线图如图4所示。
变频电源装置主要包括输入/输出开关柜、高压变压器柜、变频器柜、输出变压器柜等。除变频器外,其他部件都采用无源器件,具有极高的可靠性和稳定性。
1)高压变压器柜
采用中电电气高压变压器。高压变压器放在屏蔽盒内达到隔断变压器内外的磁场耦合作用。高压变压器选择三绕组变压器,其中一套绕组做为原绕组,另外两套绕组作为副绕组,向变频装置输出功率。高压绕组是三角形接法,副绕组一个星形接法且中心点引出,另一个是三角形接法,互差30。电角度。这种电路的优点是把整流电路的脉冲数由6脉冲提高到12脉冲,两个整流桥产生的5、7、17、19、 次谐波相互抵消。
2)输入/输出开关柜
输入/输出开关采用空气断路器,用于过载、过流和短路的保护。输入EMI滤波器主要用于控制和保证输入变频器的电网电能质量。
3)变频器柜
变频器柜内包含变频器和谐波抑制器。变频器选用芬兰VACON公司生产的NXP系列12脉冲整流逆变器。
正弦波滤波器主要由滤波电容器、滤波电抗器、无感电阻、控制保护系统等组合而成,与谐波源并联,根据谐波电流的成份、大小及系统的无功需求情况进行设计,使得装置向谐波提供一个低阻抗通道,大部分谐波电流流入滤波装置,避免其流入电网,使电网的畸变减小。
4)输出变压器柜
选用环氧树脂浇注高质量低短路阻抗干式变压器,绝缘级别为H级,该变压器专为变频电源设备特殊设计。具有较低短路阻抗、低损耗、低发热量及高效率特性。硅钢片采用0.3mm高导磁晶粒取向硅钢片。干式隔离变压器增加用电安全和防止来自电网的干扰,能有效地防止船上负载电网和岸电电网的相互干扰,同时也保护变频电源装置不会由于负载设备地故障而造成损坏。
变频模块选用690V级别12脉冲整流逆变器。所以高压变压器的输出电压为720V,变频模块的额定输出电压为660V,输出变压器有降压和隔离功能,输出变压器的输入电压为660V,输出电压为460V。
为了变频电源系统正常运行,安装温控器、风道,4台散热风机及一台空调。
4.4产品选型及预算
1)变压器的选择
靠港期间船舶上负载以1 500kW计算,岸电:变频电源的功率因数,岸电变频电源的综合效率,可得变压器的容量需求为
S=P /hcosj=1500/(0.9 0.92)=1811kVA
所以选定变压器的容量为2 000kVA。
2)变频器选型
靠港期间船舶上负载以l 500kW计算,船舶动力设备正常运行时功率因素cosj=0.8,船舶配电电压u=0.44kV,输出变压器变压比为U1/U2=660/440,可得变频器的工作电流需求为
I= (P /cosj) (1/3)1/2 (1/U) (U2/U1)=1714.4A
VACON选NXPl9006,其低过载额定输出电流为l 900A。
2 000kVA变频电源主要元器件选型见表2。
表2 2 000kVA变频电源主要元件选型