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摘要：船舶岸电系统可有效地节能减排，是当今港口发展的趋势。船舶岸电系统分为高压岸电系统和低压岸电系统，目前全世界应用较为广泛的是高压岸电系统。本文基于H桥级联结构对高压岸电变频装置进行设计。
关键词：节能减排，高压岸电系统，H桥级联，设计方法
概述
船舶岸电系统是指船舶靠港期间，停止使用船舶上的发电机，而改用港口陆地上的电源供电。这种方式可有效减少区域环境污染，降低靠港船舶用电成本，同时也可提高港口供电效率，是港口节能减排的有效途径之一。因此，目前在全世界范围内逐渐推行开来，越来越多的国内外港口正在推行岸电系统，以提高码头的竞争力。
1.高压岸电系统的作用
采用高压岸电系统是节能减排的有效措施，具体表现在以下3个方面：
（1）船舶在航行及靠港期间，主要利用辅助发电机来满足船舶用电需求，船舶使用自带的辅助发电机需要燃烧大量的重油或柴油，在消耗燃料获得动力的同时，船舶产生污染物排放，向大气中排放大量的污染性气体，对港口城市造成了巨大的破坏。通过对洛杉矶港口和长滩港的分析可知：港口排放的雾气和NOx超过汽车；由集装箱港口的废气排放分析可知：42%的可吸入颗粒物PM10和32%的NOx是由靠港船舶产生的。
（2）小规模的船舶自备发电机发电效率低，发电成本较高，以港口电网供电代替传统的自备柴油机发电，一来可以节约船舶靠港供电成本，二来可以直接节省船舶自身发电设施的维修费用，三可显著提高港口的能效，也能为港口带来显著的收益。
（3）自备柴油发电机会造成噪音污染，若靠港期间采用船舶岸电系统，则能极大地消除噪音污染，提高船员生活质量。
2.高压岸电变频装置主回路
10kV高压岸电变频电源如图1所示。输出相电压由每相12组依次级联的功率单元，按照一定的规律输出电压，叠加产生。功率单元为变频电源的基本组成单位，每个功率单元由一对H桥以背靠背方式构成。
靠近600V侧的H桥，起整流作用，负责将每个功率单元的直流电压稳定在1100V。由于使用IGBT进行全控整流，使得功率单元及整个变频装置具备了四象限运行的能力。该能力对实现无缝并网起到至关重要的作用：当岸电变频电源与船舶辅机同时供电并进行负载转移时，当两电源间的幅值和相位配合出现稍许偏差，便极易导致出现逆功率；若变频电源不具备四象限运行的能力，出现逆功率时，只能进行跳机保护。
各相的逆变侧H桥首尾相连。三相的第一级功率单元首端相互连接，形成输出三相电压的中性点；三相最后一级的尾端，经滤波电抗器后，连接至输出变压器原边。
图3功率单元对冲试验
变压器
高压岸电变频电源配套变压器分为进线变压器和出线变压器。考虑港口所处环境，进、出线均采用干式变压器。
进线变压器的主要作用是将码头配电网三相10kV电压分解为36路600V单相电压。采用多抽头干式变压器的制造难点在于：1.变压器内部结构若过于复杂，易造成绝缘材料灌注不均匀，影响绝缘性能；2.若变压器抽头过多，将导致抽头与抽头间的距离过小，导致一些抽头自动焊接设备不能使用，只能依靠人工焊接，抽头连接质量得不到保障。
图4进线变压器示意图
基于上述认识，进线变压器拟采用如图所示结构。首先，变压器副边绕组之间无移相，因此不用担心由延边移相带来的内部结构过于复杂导致的绝缘材料灌注不均问题；其次，单相全控整流只需要2×36=72个抽头，低于三相全控整流所需的3×36=108个抽头。尽管如此，也需进一步对变压器制造企业的工艺加以评估。
出线变压器为三绕组变压器，原边额定电压12kV，三角形接法；两个副边额定电压分别为11kV和6.6kV，星形接法，中性点引出预留。进线和出线变压器，均按照S12或S13的能耗等级进行设计，高于供电部门制定的S11能耗要求。
控制策略
变频电源的单相整流部分，控制技术成熟，可固化在功率单元内部控制板上，由功率单元自行独立控制。逆变部分需由主控装置协调各功率单元，统一控制。拟采用载波移相正弦波脉宽调制技术（CarrierPhase-ShiftedSPWM，CPS-SPWM），其具体原理如下：
以逆变侧的一相为例，CPS-SPWM技术的基本思想为：当级联数为N时，功率单元采用共同的调制波信号，其频率为，各功率单元的三角载波频率为，将各三角载波的相位互相错开三角载波周期一半的1/N，则第L个功率单元三角载波的相角，将各功率单元输出叠加，就能得到电平数为（2N+1）的输出相电压和电平数为（4N+1）的输出线电压。
图为级联数为12时，变频电源输出相电压和线电压的波形。直观上看，25个电平的相电压和49个电平的线电压，已经非常接近正弦波；具体分析，若三角载波频率为900Hz（同时也为IGBT实际的开关频率），则等效开关频率为，意味着仅需感值极小的滤波电抗或只依靠出线变压器漏抗，便可将输出电压THD值压制在很低水平。
采用CPS-SPWM技术，次数最低的谐波群出现在及其边频附近，也就是说变频电源的等效开关频率提高了2N倍，可以在较低的器件开关频率下，得到较高等效开关频率的输出，输出波形的谐波特性大大改善。
图5CPS-SPWM技术下的相电压和线电压波形
结论
高压船舶岸电系统因其在节能减排方面具有突出优势，将会是今后绿色港口发展的主要趋势，故其关键技术是今后国内岸电研究的主要方向。同时，船舶受电系统也要根据岸电系统进行相应改造，以便能更好地应用岸电系统。
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作者简介：
程谦（1987.04.26），男；江苏淮安；汉；硕士，研究生；工程师；项目研发；研究方向：电力电子控制研究及应用。
赵雪（1982.12.08），女；吉林吉林；汉；研究生；工程师；调试工程师；研究方向：继电保护，监控系统。
牟晓春（1983.05.02），男；山东烟台；汉；研究生；工程师；研发工程师；研究方向：变流器控制，变频调速。