岸电电源系统结构及系统线制匹配研究

李大江

中船绿洲天康（南京）电气科技有限责任公司 江苏南京 210000

摘  要：岸电电源系统的结构和配置至关重要，以确保稳定、安全且经济的供电。本文重点探讨了岸电电源系统的四个关键组成部分：整流器、逆变器、正弦波滤波器以及输出变压器，同时对港口陆地的供电系统进行了详细分析。整流器技术在电力系统和高铁运输中得到了广泛应用。逆变器转换直流电为60Hz的交流电。正弦波滤波器则负责将逆变模块输出的PWM波变为正弦波，确保输出质量。最后，输出变压器起到调整输出电压和电流的作用。供电系统的线制匹配也被认为是关键，尤其是考虑到港口陆地的特点和供电要求。

关键词：岸电电源；线制匹配；接地系统

1 岸电电源系统的供电策略

岸电电源系统的设计主要分为港口电力部分和船上的配电部分。根据电压等级，我们可以将其大致划分为两大模式：低压供电和高压供电。船舶与岸侧电源的电压等级决定了其所使用的供电模式。

低压船舶-低压岸电模式：在此模式中，船上配电电压标准为440V。陆侧的电网在经过港区的变电站转换后，降至6.6kV，并与码头的岸电连接。洛杉矶港在美国就是利用这一模式为停靠的船舶供电。

低压船舶-高压岸电模式：此模式下，20-100kV的市电经港口变电站转换后，降为6-20kV，然后供应给码头岸电箱。哥德堡港在瑞典即使用了这一模式来供电给停靠的船舶。

目前的情况是，大部分船舶使用的电压为440V。若这些船舶想要转用高压岸电，他们需要在船上增加降压装置，这不仅会增加改造的难度，而且需要投入大量资金。因此，在综合考量改造难度、技术可行性、船舶的电压等级等因素后，本文选择低压船舶-低压岸电供电模式作为主要研究内容。

2 岸电电源系统结构组成

2.1 整流器

近期，随着电力电子技术及其相关应用的飞速进展，整流技术已被广泛地引入多个领域，如公用电力网络、船用电气系统以及高速铁路等。从整流技术的角度来看，它可以分为两大类：非控制整流和可控整流。

非控制整流技术通常使用二极管作为关键的电力电子组件。基于所采用的二极管数量以及其布局，非控制整流进一步可以分为6脉冲整流和12脉冲整流。具体来说，6脉冲整流方式在运行时会产生谐波，这些谐波电流往往可以达到基波电流的约三分之一。显然，当这种技术应用于高功率环境时，对整个电网的稳定性可能会产生不利的影响。

当我们将这些整流技术引入到岸电电源系统时，必须首先考虑的是如何进行功率因数修正。功率因数的不良会直接影响岸电电源系统的总体性能与稳定性。
2.2 逆变器

逆变器在岸电电源系统中的核心职能是把来自整流环节的直流电输入转化为60Hz的交流电供应给后续部分。根据不同的逆变技术，目前的逆变器可被分类为两电平、三电平及多电平类型。尽管两电平逆变器常在传统岸电电源系统中使用，但三电平逆变器也具有其独特之处。

岸电逆变器的直流母线电压等级受到电网侧电压等级的影响。参考《静止式岸电装置》的相关标准，岸电电源的交流输入电压通常选择380V、660V或1000V。三电平逆变器的设计包含多种电路结构，例如：飞跨电容式、独立直流源级联式以及二极管箝位式。鉴于飞跨电容式在工程实践中的应用限制，以及独立电源级联式的较高成本，二极管箝位式结构得以在岸电逆变环节中脱颖而出，这主要得益于其能够提高电压耐受性，减少输出谐波，并优化开关损耗。

具体到三电平逆变器的工作机制，每个桥臂包含4个开关管，每相则有3个开关状态。以A相为例，考虑在稳态下的运作，我们可以认为所有的电力电子部件都是理想的，没有额外的压降。基于此，当电流流向负载时，会被视为正方向。经过深入分析A相的稳态运行，我们可以得出，中间的两个开关管相对于外侧的开关管有更长的导通时间。因此，设计逆变器时，特别需要关注这两个开关管的性能，尤其是其散热能力。

2.3 正弦波滤波器

正弦波滤波器在逆变环节中起着至关重要的角色。它的主要任务是将逆变模块产生的PWM波转化为正弦波，从而使得逆变器输出的电压曲线更加稳定，以供给更高品质的交流电。目前流行的无源滤波器类型包括：L型、LC型和LCL型。

L型滤波器作为一阶的滤波方案，以其结构简明和易于控制的特点被广泛采用。但随着电感大小的增长，该滤波器的动态响应开始受到限制，导致其工作效率下降，同时造成了更大的体积和成本。

从Bode图（如图1）中，我们可以清晰地观察到，当涉及高频滤波时，LC和LCL型滤波器比L型滤波器具有更为出色的性能。考虑到岸电电源是一离线式设备，基于稳定性、控制简易性以及整体效益，LC型滤波器成为本次研究中低压岸电电源系统的首选。但值得注意的是，在逆变器处于无负载状态时，LC滤波器可能出现由于较低的阻尼引起的谐振。为应对此问题，通常需要加入附加的阻抗设备以降低谐振效应。同时，还应考虑后续变压器中的励磁回路可能导致的大电感效应。因此，在设计LC滤波器时，需充分考虑避免滤波器电容与下游等效电感之间可能出现的谐振现象。

图1 无源滤波器开环Bode图

2.4 输出变压器

输出变压器在岸电电源系统中扮演了一个至关重要的角色，它为电源系统提供了一种机制，使其能够安全、有效地将逆变环节输出的交流电转送到目标负载。记住，经过正弦波滤波器处理后，逆变器产生的电压曲线已变得较为稳定，但仍需要通过变压器进行适当的电压等级调整，以适应船舶或其他负载的需求。

输出变压器不仅起到电压转换的作用，还为整个岸电电源系统提供了一个关键的保护屏障。当与LC滤波器协同工作时，变压器的设计需考虑LC滤波器可能产生的谐振，确保这些谐振不会传递到输出侧。为此，变压器的设计和选择对于确保系统整体稳定性和效率至关重要。

更进一步地，与滤波器一样，输出变压器的大小、成本和性能也会影响整个岸电系统的效益。因此，选择适当的变压器规格和设计，确保其与逆变环节和滤波器的完美协同，是岸电电源系统设计过程中的关键考量之一。

3 岸电电源系统线制匹配

3.1 港口陆地供电系统考量

在港口陆地，通常的负载是单相性质，大多采用220V电压等级。因此，当直接接入这一电压等级时，无需再增设变压器，进一步提高了供电的简洁性和经济效益。多数情况下，为了满足这些供电需求，电网会选择使用TN-C-S供电系统，其特点是简洁且高效。

其中一个主要优势是，由于港口陆地主要是单相负载，系统的中性线与大地建立了稳固的连接。这种设计确保了电源中心点，即使在负载不平衡的情况下也不会发生偏移。而在TN-C-S系统中，所有相的负载都致力于达到平衡，保障系统的稳定性。

然而，负载不平衡可能引发一系列问题。例如，一旦某一相出现过多的单相负载，它的相电流就会增大，进而导致流经中性线的电流也增大，加速中性线绝缘层的磨损。同时，由于各种负载类型的差异，可能导致相电流的相位偏移，这在电流大小相近时，仍可能导致中性线上的电流异常增加。

这些问题带来了一些后果。首先，中性线上的过大电流可能会在中性点产生电压偏移。其次，将保护零线和工作零点维持在同一电位可能会降低接地保护的可靠性，为工作人员和设备带来安全隐患。

3.2 船舶电力接地故障分析

船舶的电力系统由于其独特的结构和运行环境，有时可能出现接地故障。这种故障是指船舶的某个电气部件与船体发生意外接触，可能导致电流泄露，从而引发火灾或电击事故。在船舶的复杂电力网络中，寻找并解决接地故障可能颇为困难。尤其是考虑到船舶的动态运行条件，如盐水腐蚀、振动和温度变化等，都可能影响电气设备的性能，增加接地故障的风险。因此，定期的故障检测和预防措施对于船舶电力系统的安全运行至关重要。

3.3 线制不匹配解决方案

线制不匹配是岸电供电系统和船舶电力系统之间经常出现的问题，这通常是由于两个系统的工作原理、设计规范和实际应用背景之间存在差异。为了克服这一问题，工程师们提出了多种解决方案。其中一个有效的方法是使用适配器或中间变压器，对两个系统之间的电压和频率进行匹配。此外，还可以考虑在岸电供电系统中增加一个控制单元，该单元可以实时检测船舶电力系统的状态，对供电进行动态调整，以确保两系统的顺畅对接。最终，通过技术创新和持续的系统优化，我们可以实现岸电电源系统和船舶电力系统之间的完美匹配，从而提高整体的供电效率和可靠性。

4 结语

岸电电源系统是港口供电的核心组件，确保船舶在停泊时获得稳定的电力供应。通过深入探讨系统的各个组成部分，我们可以更好地了解其工作原理和设计要点。这不仅有助于提高供电的稳定性和安全性，而且还能确保经济高效地运行。尤其在处理负载不平衡和电压偏移等问题时，对系统的详细认识至关重要。在未来，随着技术的进一步发展和港口需求的变化，我们期望岸电电源系统会继续进化，为全球港口提供更加可靠和高效的供电解决方案。

参考文献

[1]陈昊宇.岸电电源系统结构及系统线制匹配研究[J].今日制造与升级,2022(06):31-34.

[2]刘杜,孙佳星,乔康恒等.港口船舶岸电电源系统研究综述[J].船电技术,2021,41(06):29-34.