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    希望森兰科技股份有限公司
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    VFPS系列变频电源应用案例

    1、变频电源应用案例

    1.1 厦门远海集装箱码头3MW岸电系统

    厦门远海集装箱码头作为福建省首个港口岸电电源试点项目,得到了福建省、中远海运集团、国网厦门供电公司领导高度重视与支持,并于2016年12月14日正式投运,意味着今后??吭谙妹旁逗<跋渎胪返拇?,可以通过岸上电源直接给船舶供电,减少对大气与海洋的污染,对推动绿色港口建设,具有重要社会与经济意义。

    2017年3月7日上午,随着一艘巨轮EVERLISSOME LONOON号慢慢驶入厦门港远海码头,由希望森兰科技股份有限公司与上海艾临科智能科技有限公司共同研制的新一代VFPS系列户外集装箱式智能岸电电源系统正式服役之旅。随后EVER LISSOME LONNON号船上工作人员开始放船用连接高压电缆,岸上工作人员将高压电缆连接到港口#14泊位区岸电接线箱,EVER LISSOME LONNON具有连接岸电条件。经过检查船上连接安全回路,一切准备就绪。随着连船总指挥一声指令,希望森兰VFPS系列岸电电源系统进入一键启动程序。上午11点19分5秒,VFPS系列岸电电源系列正式进入并网程序,并网过程无冲击,负荷从船上发电机系统慢慢向岸上电源系统转移,并于10S后船上发电机系统顺利解列,正式由VFPS系列岸电电源供电。经过11个小时连续运行,晚上22:5分再次完成发电机并网,并将岸上电源顺利解列,至此,与EVER LISSOME LONNON号连船顺利结束,连船宣告成功。本次连船岸上供电14823度电,岸上电源最大输出功率为1658KW,输出电压稳定度0.3%,输出频率稳定度0.1%。


    1.2 嘉兴港嘉化码头2MW低压防爆岸电系统

    “呜——!”,一声悠长的汽笛声打破了嘉港石化码头的宁静,一艘装满油品的货轮缓缓驶入泊位。一名码头工作人员熟练得操作电缆卷盘车,将三根电缆轻松举升至货轮左舷,接到船用接电箱上,合上开关。随即,货轮上轰鸣的辅机停止了运行,岸电为靠岸船舶的后续作业提供了绿色能源。

    防爆型电缆卷盘车

    嘉兴市嘉港石化码头有限公司是一家危险化学用品运输物流公司,到港船舶必须采用船舶辅机发电,以满足船上的用电需求。辅机在工作中燃烧大量油料,会排出大量黑烟,产生环境污染和噪声污染。这不仅影响港口低碳生态的发展建设,而且增加了爆炸和火灾的风险,对码头的健康可持续发展带来不小的挑战。

    嘉港石化码头前沿

    2016年底,由希望森兰科技股份有限公司与上海艾临科智能科技有限公司联合为嘉港石化码头提供了全新设计的专用于危险区域的SB70防爆型智能岸电电源系统解决方案。该系统将10kV/50Hz电源转变为440V/60Hz及400V/50Hz可变双频双压输出至码头防爆接电箱,需要连船时将接电箱与移动式防爆电缆卷盘车连接,再由卷盘车将电缆举升至改造后的船用接电箱处连接,进行岸电向船电的输送。


    嘉港石化码头岸电系统流程图

    本套岸电系统在码头前沿的电缆接电箱和电缆卷盘车的设计上都运用了国内首创的防爆型设计,防爆等级为IIBT4,实际大部分设备防爆等级达到了IIBT6,符合GB3836.1-2000《爆炸性气体环境用电气设备 第1部分:通用标准》要求,较传统岸电系统更加安全可靠,符合?;胪方影兜缧枨?。本系统核心部分变频电源为2套森兰SB70P系列变频电源,单台容量1MVA,采成直流共母排方案。SB70P系列低压岸电变频电源基于森兰22年成熟低压平台技术的基础上,针对岸电电源应用需求特点定制开发的新一代高性能变频电源,具有动态响应快,过载能力强,控制精度高等优点,无论是系统拓扑结构选择,控制性能,还是散热系统设计,都首屈一指。

    森兰SB70P系列变频电源

    岸电系统建成后,船舶停泊靠岸期间将由电网向船用设备供电,代替传统燃料油发电,实现有害气体零排放,大幅度减少船舶排放在大气污染排放清单中的占比。同时有效降低了船方的运输成本,提高了经济效益。船舶靠港期间关闭辅机,也将减少船舶振动和噪音,提升船员生活质量和港区环境品质。


    常态化连船

    以嘉港石化码头平均每天船舶???6h,平均负荷200kW计算,采用岸电技术后单艘船舶全年可增售电量116.8万kWh。节约燃料成本方面,柴油发动机单位油耗约250g/kWh,全年可替代柴油292t(250g/kWh×116.8万kWh);1kg柴油约合1.16L,油价按照5.50元/L测算,全年减少柴油燃料成本186.3万元(292t×1.16L/kg×5.50元/L)。全年用电成本为140.1万元(116.8万kWh×1.2元/kWh,注:1.2元/kWh为目录电价加收服务费后的单价水平)。全年单船舶燃料成本节约186.3万元-140.1万元=46.2万元。 

    1.3 变频电源类产品部分业绩:

    用户名称和地址、邮编

    销售货物名称

    江森自控空调冷冻设备(无锡)有限公司

    6000kVA空调测试台

    VFPS-110-6000-600高压变频电源

    苏州润扬水泵有限公司

    2500kVA水泵高压试验电源

    VFPS-100-2500-150高压变频电源

    江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心实验楼

    2*900kVA高压变频电源设备

    VFPS-100-900-095*2移动式高压变频电源

    广州市昕恒泵业制造有限公司

    1800kVA试验变频电源

    VFPS-100-1800-150高压变频电源

    江森自控空调冷冻设备(无锡)有限公司

    4000KVA高压变频电源

    VFPS-110-4000-500*2高压变频电源

    常州太平洋电力设备有限公司

    1600kVA试验电源

    VFPS-063-1600高压变频电源

    厦门港远海码头

    3MW岸基供电电源项目

    VFPS-100-066-3000高压变频电源

    雷勃电器(岳阳)有限公司

    1000kVA试验室高压变频电源项目

    VFPS-038-100-1000高压变频电源

    嘉兴港嘉化码头

    2MW低压岸电电源项目

    SB70T1000H6*2低压变频电源

    江阴市利港码头

    800kVA低压岸电电源项目

    SB70P 800Q6低压四象限变频电源

    张家港市港新重装码头

    1000kVA低压岸电电源项目

    SB70P1000Q6*2低压四象限变频电源

    国网福建福清江阴港

    3MW岸基供电电源项目

    VFPS-100-066-3000高压变频电源

    国网福建连江可门港

    3MW岸基供电电源项目

    VFPS-060-066-3000高压变频电源

    国网福建厦门通达码头

    1MW岸基供电电源项目

    VFPS-100-066-1000高压变频电源

    国网福建厦门通达码头

    500kVA岸基供电电源项目

    SB70P500Q4低压四象限变频电源

    广西钦州港勒沟区13-15#泊位1MW岸基供电电源项目

    VFPS-100-066-1000高压变频电源

    广西钦州港大榄坪1-2#泊位3MW岸基供电电源项目

    VFPS-100-066-3000高压变频电源

    广西钦州港大榄坪3-5#泊位3MW岸基供电电源项目

    VFPS-100-066-3000高压变频电源

    广西钦州港大榄坪北1-3#泊位3MW岸基供电电源项目

    VFPS-100-066-3000高压变频电源

    广西防城港20-22#泊位2MW岸基供电电源项目

    VFPS-100-066-2000高压变频电源

    2、岸电系统关键问题解决方案

    2.1 逆功率控制技术

    2.1.1 逆功率产生的原理及危害

    岸用电源逆功率产生的机理:


    两个电压源同时给负载供电时,由于并网运行时的相位、频率和幅值之差导致的逆功率。下面从矢量图分析几种逆功率产生的机理,V1为岸用电源,V2为发电机电源。



    当岸电电源系统出现逆功率时,会导致其功率单元母线电压升高,严重情况下会导致系统报“单元过压”故障,从而导致设备?;?。影响岸电电源的供电质量。

    2.1.2 逆功率处理方案

    变频电源自动检测逆功率工况,出现逆功率工况时,变频电源自动调节变频电源输出频率及输出相位,自适应船上发电机电压变化,达到逆功率控制目的。具体的操作过程是:

    岸电电源系统实时采样输出电压与输出电流信号,并计算输出功率,当输出功率为负时,通过内部PID控制算法实时调整输出电压频率与相位,从而达到实现逆功率抑制功能。

    带有能量回馈的四象限岸电电源,一般情况下,通过软件抑制控制算法能够有效防止逆功率事件发生。根据原理,逆功率如果得不到有效释放,最终导致直流母线电压升高。森兰岸电电源系统实时监测直流母线电压值,当直流母线电压值上升,通过有源整流AFE前端,实现对直流母线电压的精确控制,能够使逆功率反馈的能量通过回馈功能反馈到电网,从而保证岸电电源系统运行可靠性。

    2.2 无功抑制功能

    根据连船实践,发电机连船并网瞬间,因发电机系统与岸电电源系统电压、相位存在一定的差异,从而导致产生瞬间无功功率,如果不能及时得到控制,则有可能导致连船失败。希望森兰最新研制的VFPS及SB70P系列岸电电源专用电源,具有防无功谐振功能,具有很强的抗冲击能力,在电气选型设计的时候,考虑到因并网无功而导致的冲击。在控制阶段实时对电压、相位进行实时控制,从而避免连船失败。 

    2.3 自动稳压功能

    VFPS及SB70P系列岸电电源输出采用电压闭环控制,通过侦测输出电压反馈给AI,采用PID方式来保证输出电压的稳定和输出精度。为了适应不平衡负载,对每相电压进行单独闭环控制,在负载不平衡的时候可以独立分配每相的负载大小,从而保证在不平衡负载下三相输出电压平衡,以使船上用电设备不会受到电压波动的影响。

    由于电气设备存在内阻,岸电电源系统的输出电压存在一定的压降。当设备负载高的时候(输出电流大),压降随之升高,导致系统输出电压不能达到预期值。针对该现象,岸电变频电源采取了PID调节的方式来解决,通过实时监控输出电源电压值并加以调节的方式,保证系统输出电压的准确性,消除系统压降带来的影响。下图为PID调节的控制方案图:


    通过PID调节方式消除系统压降影响

    岸电系统在输出隔离变压器后端设置了输出电压采样点,该点采样得到实时输出电压值后将数据送往系统内部PID机构进行对比,将结果转换为控制指令后送往岸电系统。岸电系统对输出电压进行调节,最终输出电压达到预期输出值,岸船连接段系统压降问题被解决。 

    2.4 输出同步追踪锁相

    岸电供电并网切换系统是船舶岸电系统中一个重要的环节,也是一个技术难点。岸电电源在给靠港船舶供电时,可实现船舶电源与岸电之间的无缝切换,船舶不需停电,变频电源具有同步追踪锁相功能,在变频器输出和船载柴油发电机所发电的电压、相位、频率同步后,切入为船舶用电设备供电。这样能保证船上的用电设备安全,并能平滑同步切换,不影响船上用电设备使用。希望森兰VFPS及SB70P系列岸电电源可以选择主动并网与被动并网。当选择主动并网时,由岸电电源监测船上电压信号,并实现锁相跟踪控制,实时调整输出电压大小,为了防止逆功率事件发生,在控制时,有意使频率与相位超前一定范围,再发并网信号,从而实现与船舶发电系统无缝切换。当选择被动并网时,岸电电源系统输出一定的电压,由船舶同期装置实现对岸电电源与船舶供电电压进行检测,当满足并网条件时,发并网指令。此时,由于船上并网装置采样精度原因,可能会产生逆功率事件,当逆功率事件发生时,岸电电源系统能够及时检测出逆功率,并调整电压输出,从而防止逆功率事件发生。

    2.4.1 两种并网方式

    l  主动并网切换

    变频电源仅作为整个电网切换的主体,变频电源根据采集到的船上辅机发电机发出电源的信息,包括电压及电流,电压信号主要用于变频电源输出电压的标准,变频电源输出锁频锁相,使输出电源的相位、频率、幅值、相序等与船上完全一致;

    电流信息主要作用是让变频知道此时发电机的输出功率,进行负载转移,变频电源可控制输出,使输出功率逐渐增大,直至将发电机所带负载完全转移至变频电源供电;

    主动并网目前有少部分应用,其优点是可以做到整个切换过程的智能化,如一键切换,中间所有过程可自动全部完成。

    缺点是:需要船方的配合进行改造,否则无法知道发电机的电压、电流等信息,那么此套系统将无法更加通用。

    l  被动并网切换

    变频电源仅作为恒频稳压的电源,按照要求输出电压及频率,所有的电网之间的切换均依靠船上的同期柜,具体步骤如下:

    变频根据命令要求输出电压/频率,电源通过输出滤波、隔离变、接口箱、船上进线柜,直接送至船载的变频电源并网柜,并网柜根据采集到的信息,显示电源的相序、频率、幅值、相位等信息,自动判断是否具备并网条件,通过调整发电机的发电信息,直至具备并网条件后将变频电源接入,成功并网后,发电机减小输出功率,负载自动逐渐转移至岸用电源供电,切换完成后,发电机退出工作;

    被动切换是目前比较流行、采用最多的方案,因为其具有简单、通用等特点,且可以实现单个电源同时给多条船只供电的情况,但缺点是目前船上与岸基电源之间除了安全联锁信号外,没有其他信号交互,自动化程度低。

    2.4.2 并网程序

    在岸电供电并网切换系统中岸电是处于被控制和支配位置,并网、解列等指令皆有船电系统发出,为此现在岸电所要做的就是如何使岸电系统的电参数要求符合船电的要求。在首次并网运行前要有以下程序:

    1) 确定船电的电压、频率等基本电参数要求;

    2) 确保联船前的相序确认;

    3) 保证船舶的负载在岸电的负荷能力内;

    4) 安全回路要经过验证;

     

    2.4.3 并网时要注意的问题

    1) 并网会有输出电流、电压及频率出现漂移而偏离电网频率,产生不稳定的情况而产生逆功率,且可能含有较大的电压与电流谐波成分。

    2) 当岸电和船电并网瞬间,由于电压相位不同,可能发生较大的冲击电流,造成相关设备损坏。

    3) 岸电系统应具有过压、失压、频率检测和?;すδ?,过负荷、短路自动隔离电网,逆向功率自动检测与?;すδ?。

    4) 逆功率?;ぷ爸?/span>

    逆功率?;ぷ爸檬怯赡婀β始觳馄骱头滥媪骺刂葡低匙槌?。防逆流控制系统会随时监控电压、电流,一旦发现向电网向岸电馈送电能,防逆流控制系统会起作用,以阻止电网向岸电系统供电。最终实现并网运行、转移负载和解列而不出现逆功率的发生。如果出现故障性逆功率的产生,岸电系统将会进行逆功率?;ぬ?。

     

    2.4.4 岸电供电并网过程

    l  岸电系统并网

    1) 岸电送电上船后,合上岸电并网开关,由船舶并车柜确认相序及并网三要素电压、频率及相位角;

    2) 符合并网条件,合上船上辅机并网开关;

    3) 通过船电系统自动转移负载至岸电;

    4) 船电辅机自动解列;

    5) 由岸电进行带载运行。

    l  船电辅机并网

    1) 由船舶并车柜确认并网三要素电压、频率及相位角;

    2) 符合并网条件,合上船上辅机并网开关;

    3) 通过船电系统自动转移负载至船电辅机;

    4) 岸电系统自动解列;

    5) 由船电辅机进行带载运行。


    2.5 V/F完全分离控制技术

    在变频电源类场合需要变频器输出不同电压及频率的组合,且负载不完全是电动机类,所以对于变频电源来说就需要具备V/F完全分离控制技术。

    VFPS及SB70P系列岸电变频电源具备此功能,可以实现对电压、频率的分别控制,并根据实际情况进行电压和频率的独立调节。


    2.6 三相负载不平衡控制技术

    因变频电源的负载有别于变频器的电机类负载,船上单相负载的使用,导致其三相间负载分配不可能绝对的平衡,从而每相之间的压降可能会有不同。变频电源具有具有三相输出不平衡控制技术,可对电压不平衡度闭环控制,三相负载不平衡度达30%,依然保持三相线电压对称输出

    三相负载不平衡电压输出波形.jpg

    三相负载不平衡电压输出波形

    从上到下依次为:两相输出电流,两相输出电压,丛波形中也可以看出,三相负载不平衡时,三相电压依然保持平衡。


    2.7 防励磁涌流技术

    变频电源内部包含很多电解电容,受其特性的影响。在上电瞬间相当于短路状态,有一定的冲击电流,可能会损坏整流、电解电容等器件,为了限制这种充电电流,需要进行防励磁涌流。高压变频电源的重要组成部分,移相变压器。受其特性的影响在上电瞬间会产生较大的励磁涌流,会对上级高压开关柜有一定冲击,为了减小冲击,需要进行防励磁涌流。防励磁涌流预充电的过程中,也是功率单元自检的过程,有助于提前发现功率单元的异常状态。

    l  变压器三次侧充电方式:

    预充电过程长达30秒,需要实现很多固化的逻辑过程才能实现;

    需要考虑上级高压开关柜接地刀位置状态。

    l  变压器一次侧充电方式:

    电气原理设计简单明了,充电的可靠性高;

    预充电过程3秒,可实现自动控制。

    森兰VFPS及SB70P系列变频电源变压器采用一次侧直接充电模式,在一次侧增加限流电阻及旁路接触器,高压直接加到限流电阻上,起到限制电流的作用。这时上电后电压缓慢上升,冲击电流可控。当电压达到额定电压的70%时旁路真空接触器自动动作,将限流电阻旁路,设备全压供电。当没有连船时,系统损耗接近等于零。当需要连船时,合高压瞬间,没有涌流发生,合闸次数不受限制。


    2.8 空间电压矢量SVPWM调制技术

    森兰SB70P系列岸电电源采用SVPWM空间电压矢量调制技术,载波频率的高低决定了变频器输出电流的精度,船舶岸电变频电源为了保证电流的高精度输出,载波需设置在4k以上。载波频率提高能够有效抑制谐波,但同时导致IGBT发热量大,需要变频电源具有针对性处理方案,森兰SB70P系列低压岸电变频电源采用特有的SVPWM空间电压矢量调制技术,解决了发热问题,在降低开关损耗的同时,通过前端输入电抗器和输出端的LC滤波保证输出电流谐波在4%以下。


    2.9 智能扩容技术

    考虑到岸电后续批量建设,以及多机大容量并联等技术要求,我们将岸电系统以一个电网的思路去看待。森兰VFPS及SB70P系列岸电电源系统根据用户的实际需求,可在后期通过多套系统并联的方式扩大系统总容量。如:原系统容量为1.7MVA的,通过新增两套1.7MVA岸电电源设备,扩容成为5.1MVA容量系统。

    整个扩容系统由多台箱式一体化岸电组成,集装箱并排放置,每一台箱式一体化岸电之间通过光纤通讯连接,通过岸电控制系统和输出同步追踪锁相技术实现功率均衡、负荷均衡、同步协调控制,完美解决系统后期扩容的需求。系统输出容量不足时可自动并网扩容,容量有余时自动切除,单台故障时自动切除降额。现场总线支持Modbus、CAN、Profibus-DP等、以太网等通讯方式。整个系统扩容后其性能参数不会降低。 

    厦门远海码头3 x 1.7 MW智能扩容方案.jpg

    厦门远海码头3 x 1.7 MW智能扩容方案

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