胡文浩
（中国船级社质量认证公司产品检测中心，北京 100006）
摘要：船舶靠泊期间主要是利用辅机燃烧重油或柴油发电来满足用电需求，向周边排放大量的污染性气体。靠港船舶使用岸电是一项有效的大气污染控制技术，是水运行业顺应国际绿色发展潮流，实现科学发展的具体举措。2015年12月2日交通运输部发布的《珠三角、长三角、环渤海（京津冀）水域船舶排放控制区实施方案》以及2018年10月26日修订的《中华人民共和国大气污染防治法》中均要求新建码头应建设岸基供电设施，已建成的码头应当逐步实施岸基供电设施改造。
关键词：港口岸电；变频电源；船岸并网；励磁涌流；逆功率
中图分类号： 文献标识码：A
1.港口岸电背景介绍
船舶靠港期间辅机燃烧重油或柴油向大气排放大量的污染性气体，其主要成分含二氧化碳（CO2)、氮氧化物（NOX）、硫氧化物（SOX）、有机挥发物VOC和可吸入颗粒物PM2.5等有害污染物，破坏港区周围的生态环境。据统计，港口城市由于停靠船舶产生的废气排放比其它城市平均多25％，这些污染性气体对人类健康和环境安全构成极大威胁，据不完全统计，港口周边地区居民患呼吸系统疾病的比例要比内地城市高近10％。
据国际海事组织（IMO）专家组的研究数据，2007年以来，航运业每年消耗约3亿吨燃油，排放CO211亿吨，约占全球总排放量的3.3 %；2020年，全球航运业预测将需要4亿吨燃油，排放CO2将达到14亿吨，约占全球总排放量6%；如果不采取相应的措施，2050年，航运业的CO2排放量将达到全球总排放量的18%。
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图1-1 港区污染物构成
中国是世界上最大的航运国家，年吞吐量93.48亿吨，居世界之首（2015年）。靠港船舶停靠泊位后，大多用船舶柴油发电机为船舶提供日常电力。保守估计，目前靠泊我国港口船舶年消耗燃料油约70万吨，船舶柴油发电机发电占到港口总碳排量的40～70%。基本所有的船舶停靠后还要依靠船上自有的柴油发电系统进行工作，不仅造成了能源的浪费，更重要的是造成了港口极大的空气污染。全部用港口岸电取代柴油发电机燃油发电，港口氮氧化物、二氧化硫和可吸入颗粒物PM10的年排放量将分别至少减少47665吨、37800吨和2214吨。
目前，国家提倡环境保护、节能减排，码头船舶岸电应用作为主要内容已被提到了日程上，作为国家长期方针，因此规定新建码头规划、设计、建设中包含码头船舶岸电设施内容。2015年交通运输部印发《船舶与港口污染防治专项行动实施方案（2015—2020年）》，主要港口90%的钢制船舶、公务船舶靠泊使用岸电，50%的集装箱、客轮和邮轮专业化码头具备向船舶供应岸电的能力。
2.岸电系统构成
岸电系统是指，船舶停靠港口期间，由岸基侧向船侧供电的系统。岸电主要保证船舶靠港后，船上生产、生活用电，辅助设备连续运转用电等。
船舶用电多为柴油发电机进行发电，供船舶日常运行使用，现在多数国家供电频率为50Hz，而美国、加拿大、日本、韩国、巴西、墨西哥、台湾等地区为60Hz，沿海及远洋船舶通常为60Hz。
所以船舶靠岸后如果要使用岸上电源的话，就需要一套变频变压的岸电系统，将岸上工频50Hz转变为船用60Hz，而在对接的过程中又要求岸电电源与船上发电机组之间的无缝对接，即不停机的对接方式。
为解决上述问题，目前岸电设施，尤其是沿海岸电设施是指具有变频变压功能、与船舶发电机组无缝并网功能及能量集中管理功能的岸电系统。岸电系统整体分为码头岸电电源（岸基设备）、船岸连接设备、船载岸电设施（船基设备），共三部分。岸基设备由输入配电柜、降压变压器、变频设备、隔离变压器、输出计量柜、插座箱及监控系统等构成，如图2-1所示。
采用岸电上船有如下优点：
a.船舶靠港后实现废气零排放；
b.由于停用船上发电机，给港口周边和船上人员有更好的舒适环境；
c.满足当地和国际环保法规；
d.由于陆上电源价格与船上发电电源价格存在较大的价格差，船舶靠港改用岸电供电会产生很大的经济效益，给港口和船东带来可观的经济收入。
船岸连接设备主要包括码头前沿的岸电插座箱和船上的电缆管理系统（电缆绞车）；船基设备主要包括岸电进线屏、岸电配电屏。
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图2-1 岸电系统构成
由于目前港口岸电容量较大，为便于船岸电缆连接方便，多采取高压上船模式，但大部分船舶电网多为低压，所以船基岸电设备除包括岸电进线屏、岸电配电屏外，大多还包括一台大容量降压变压器。船基岸电设备主要实现船岸电缆连接、电压匹配及船岸电源同期并网切换及负载转移，如图2-2，岸电系统框图。
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1:岸电变频系统；2:岸侧隔离变压器； 3:岸侧继电保护；4:岸侧断路器及接地开关；5:岸侧控制系统； 6:岸船连接及接口设备；7:船侧控制系统；8:船侧继电保护；9:船侧连接开关柜；10:船侧变压器（如有）11:船侧接收开关柜；
图2-2 岸电系统框图
3.船岸并网关键技术研究
由于部分船舶的特殊运行工况，要求船舶靠港接入岸电期间负载不能断电，需要岸电设施具备与船侧电网无缝并网及负荷转移的功能。目前《码头岸电设施建设技术规范》JTS 155-2019推荐采取的是岸电设施被动并网方式，即由船载岸电设施同期并网装置调节船侧柴油机组电参数（频率、幅值、相位），实现与岸电电源的并车、负荷转移、解列等过程，在此过程中存在逆功率、励磁涌流、并网冲击等风险点，需要岸电电源在船岸电源切换过程中具有稳定的性能和应对技术，配合船载岸电系统完成电源切换过程。
逆功率是指在船岸并网过程中，由于船侧柴油发电机组输出电压幅值或者频率调节存在偏差，并网时刻功率输送至岸电系统的现象，如图3-1所示。逆功率将导致岸电电源直流母线电压瞬间增高，如岸电装置不能立刻将其消耗或者回馈至电网，会造成岸电装置过压报警、跳闸甚至损坏功率单元内支撑电容，最终导致并网失败。
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图3-1 逆功率
另一方面，目前海港岸电单机容量较大，导致输出电流较大，为减少船岸连接电缆数量和线径，实现船岸连接的便利性，港口岸电多为高压输出形式。但是实际较多船舶电网为低压440V或者400V，为此船载岸电装置中配置有大容量降压变压器，在此情况下，码头岸电设施供电过程中会面临船载变压器励磁涌流冲击或短时冲击负荷。
所谓励磁涌流，即当变压器空载合闸或外部故障排除后电压恢复时，由于铁芯中的磁通不能突变，变压器的铁芯将严重饱和，此时在变压器线圈内将出现很大冲击电流。变压器励磁涌流的大小与变压器铁芯的饱和程度密切相关，铁芯越饱和涌流就越大，励磁涌流其幅值可以达到变压器额定电流的6～8倍。尽管它对变压器本身没有直接的危害, 但容易造成变压器继保装置的误动作，并对码头岸电电源形成严重的冲击电流，导致岸电装置输出跳闸。特别是大容量变压器为提高效率, 设计的工作磁通密度很高, 这种情况更为严重，容易造成变压器继保装置的误动作和变频电源报过流故障等。为此，需要岸电变频电源具有良好的抗冲击性能和涌流应对技术，确保变压器合闸瞬间能够有效抑制励磁涌流，船岸电源切换成功，图3-2、3-3为船岸并网过程中示波器捕捉到的励磁涌流波形及并网冲击状态。
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图3-2 励磁涌流
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图3-3 并网冲击
上述提到的逆功率、励磁涌流及冲击负荷应对性能对于码头岸电设施而言，在负载能力测试中是无法体现的，只有与具有船载岸电设施的实船进行无缝并网及负荷转移过程才能真实反映出其应对措施、效果及性能。上述关键技术直接关系到码头岸电设施的可靠运行、并网成功概率，是岸电设施检测中最具必要性，最能反映岸电设施真实性能的检测项目，与岸电设施带载能力及电能质量检测同等重要。