船舶岸电工作环境下高频变压器潜在问题分析.pdf

船舶岸电工作环境下高频变压器潜在问题分析 张 勇，孔德楷，王慧荣（青岛前湾集装箱码头有限责任公司，山东青岛 266520）摘要：由于船舶用电通常使用的电压与工业用电电压不一致，码头上需要配置高压岸电电源变频系统，将 10 kV/50 Hz 工业电源转换成 6 kV/50 Hz 及 6.6 kV/60 Hz 船用电源用于集装箱船舶靠泊期间用电。然而，在高频条件下经过变频处理的电流变压的高尖峰值、波形畸变和激磁涌流等问题会造成大功率用电设备投入和切断时间的不确定性，合闸产生的冲击电压造成电压波动，这让港口方、船方均承担较大的安全责任风险，影响船舶岸电系统的使用和推广。针对该问题，本文首先提出针对高压岸电电源变频系统中变压器的改进模型，再建立高频下考虑寄生参数的高压岸电电源变频系统中变压器模型，分析高压条件下改进模型的增益、功率器件的电压/电流应力、变换器损耗和效率等方面是否符合使用要求。关键词：高压岸电电源变频系统；船舶岸电；改进优化；模态分析；工作特性分析 中图分类号：TM46 文献标识码：A 文章编号：1004-9592（2023）04-0030-06 DOI:10.16403/ki.ggjs20230407 Analysis of Potential Problems of High-frequency Transformers in the Working Environment of Ship Shore Power Zhang Yong,Kong Dekai,Wang Huirong（Qingdao Qianwan Container Terminal,Qingdao Shandong 266520,China）Abstract:As the voltage usually used for ship electricity is inconsistent with the industrial electricity voltage,the terminal needs to be equipped with a high-voltage shore power frequency conversion system to convert 10 kV/50 Hz industrial power into 6kV/50Hz and 6.6 kV/60 Hz marine power for container ships.However,under high-frequency conditions,the high spike peak of current transformer,waveform distortion and excitation inrush current after frequency conversion treatment will cause uncertainty in the input and cut-off time of high-power electrical equipment,and the impulse voltage generated by closing will cause voltage fluctuations.The shipowner bears a greater risk of safety responsibility,which affects the use and promotion of the ships shore power system.In response to this problem,this paper first proposes an improved model for the transformer in high-voltage shore power supply frequency conversion system,and then establishes a high-voltage shore power supply frequency conversion system model considering parasitic parameters at high voltage,and analyze whether the gain of the improved model under high-voltage conditions,the voltage/current stress of the power device,the loss and efficiency of the converter,and other aspects meet the requirements for use.Key words:frequency conversion system of high-voltage shore power supply;shore power for ship;improvement and optimization;model analysis;working behavior analysis 引引 言言 传统的集装箱船舶装卸作业时，为了维持船上的大功率机泵运作和船装载的冷箱等用电设施的供电，燃油发动机必须维持运行。此时的柴油收稿日期：2021-12-7 作者简介：张勇（1978-），男，本科，高级工程师，主要从事港口信息化建设等工作。301Port,Waterway and Offshore Engineering 发电机燃油利用率不高、损耗严重，消耗了大量的能源，同时柴油的不充分燃烧引发的污染问题也给环境保护造成了困扰，这也不符合国家建设绿色港口，改善港区环境的发展方向2-3。长期以来青岛港始终坚持绿色、可持续的发展理念，响应国家的“二氧化碳排放力争于 2030年前达到峰值，努力争取 2060 年前实现碳中和”号召，在港口的范围内，积极推广使用船舶岸电系统、基于本码头停靠船舶的需求情况对于有需求的船舶采用高压上船的方式为集装箱船舶在靠泊卸载时提供电力供应，在关闭船上柴油发动机的前提下为船舶大功率机泵及其它用电设备提供可靠的支撑保障。这一措施不仅能够减少船舶使用柴油，避免了停泊过程中柴油利用率不高、损耗严重的问题，还是实现节能减排的重要技术，是建设“绿色港口”的重要措施，具有重大的社会效益和经济效益1。然而，高压船舶岸电也存在着一些使用方面的潜在问题。根据本码头船舶供电实际生产工作需求，码头上需要配置安装一套输出容量不小于 5 000 kVA岸电供电系统，将 10 kV/50 Hz工业电源转换成 6 kV/50 Hz及 6.6 kV/60 Hz船用电源用于有高压供电需求的集装箱船舶靠泊期间用电。让船方存在疑虑的还有岸电上船的安全性问题。大功率用电设备投入和切断时间的不确定性，合闸产生的冲击电压造成电压波动，这让港口方、船方均承担较大的安全责任风险4-5。从 2017 年到现在全国大概发生了数十起故障，导致船上电路跳闸或电机损坏，这些问题影响着船舶岸电的使用和推广。高压工况下会导致器件应力和增益的急剧恶化，对电路可靠运行带来很大挑战，需要考虑高压下工作条件对原有的高压岸电电源变频系统进行针对性的改进和优化6-7。基于此，本文首先根据船舶岸电的问题提出改进需求，针对需求对高压岸电电源变频系统进行电路优化改进，建立高压下的考虑寄生参数的高压岸电电源变频系统中变压器模型，根据潜电路分析法提出考虑寄生参数的潜在的电路模态8，分析高频条件下寄生参数对增益、功率器件的电压/电流应力、变换器损耗和效率等方面的影响9，对改进优化后的高压岸电电源变频系统高频下的增益和开关应力等性能进行了评估10-11，量化优化后的高压岸电电源变频系统电路工作特性是否满足工作需求。1 船舶岸电存在的问题分析船舶岸电存在的问题分析 图图 1 高压岸电电源变频系统示意图高压岸电电源变频系统示意图 如图 1 所示，高压岸电电源变频系统主要包含了开关柜、变压器及其变频电源等装置，其他辅助装置是高压输出开关、控制系统、保护系统、连接等辅材，输入 10 kV/50 Hz交流电源，经高压岸电电源变频系统变频变压输出 6.6 kV/60 Hz。目前高压岸电电源变频系统需要考虑的主要问题有：1）大容量变压器空载投切，投切的激磁涌流为变压器额定电流的 68 倍，若不处理，将会对岸电电源造成巨大冲击，直接影响电源系统安全；2）在并网过程中和解列的过程中，存在电网的电压波动和波形振荡现象，可能会出现逆功率现象，若逆功率过大可导致全船失电；3）船上的发动机停止后船上用电设备的负载用电需求将会直接加在高压岸电电源变频系统上，这对变换器的增益提出了要求，若增益过低瞬时功率过小可能导致船上失电。高压岸电电源变频系统存在的主要问题可以总结为电压增益问题、电压波形畸变问题和接电冲击过大问题。针对上述问题本文提出的优化方案如下：1）针对电压增益不足的问题，使用双管高增益变换器代替原有的 Boost 变换器。传统的 Boost变换器在使用过程中通常存在以下问题：开关管和二极管的电压应力较大；开关损耗和二极管反向恢复损耗较大，导致变换效率低；31 dv/dt较大，产生严重的电磁干扰（EMI）；输入电压抗干扰能力差，动态性能差。这体现出了 Boost 升压变换器的局限性，更换双管升压变换器后虽然也会因为寄生参数的影响导致增益下降但是相对下滑较小，性能较为稳定。双管升压变换器通过开关 S1 和 S2 的同步通断，实现了两个电感的并联充电和串联放电。与Boost 变换器相比，该变换器开关电压和电流应力低，可以获得更高的增益。相比传统的 Boost 变换器，双管升压变换器可以获得更高的增益，有效地降低开关管的电压/电流应力。2）造成接电瞬间冲击过大问题的原因是瞬间功率提升过快，通过并联电容可以提供感性负载所消耗的无功功率，减少了电网电源向感性负荷提供、由线路输送的无功功率，由于减少了无功功率在电网中的流动。因此可以降低线路和变压器因输送无功功率造成的电能损耗。考虑在变换器的两端接入大的滤波电容来降低冲击的影响，起到削峰填谷的作用。3）针对波形畸变和震荡的问题。在实际运用中，几乎所有的电力电子器件和装置都是非理想的。理想的电力电子模型在实际电路的基础上做了各种简化，但实际应用中的功率开关管通常包含了寄生电容、寄生电感、寄生电阻等多个寄生元件。在高压条件下的器件寄生参数影响变得更加明显，寄生参数导致的感容谐振使得波形出现振荡和畸变。针对该问题本文在后续分析中建立考虑寄生参数的模型，并且通过串并联电容/电感的方式减弱影响。本文基于目前青岛港实际生产使用的变频器系统通过替换变换器，增加滤波电容，增加串并联电容/电感的方式改进原系统电路，后文将针对这些器件建立电路模型，并且针对改进电路进行电路特性分析，保证改进后的高压岸电电源变频系统更加符合实际工作生产的需求。2 优化后高压岸电电源变频系统优化后高压岸电电源变频系统 为了方便分析，通常将高频下线路中器件非理想模型是将寄生参数等效为相应的寄生元器件，从对增益和应力影响程度的角度出发，对于双管升压变换器电路中的主要元器件考虑如下的寄生参数：1）电感：由于绕组间的静电效应，电感元件两端存在明显的寄生电容，与电容元件类似，实际的电感除了基本的电感特性之外，还具有由绕组引起的非零直流电阻（DCR）特性。这使得当电流流过电感元件时，会产生一定的损耗。其中寄生电阻会影响输出电压的数值从而对变换器的增益产生影响，属于本文考虑的范围；寄生电容的数值常为 nF 级，开关工作频率内依然呈现为电感性质，本文忽略电感的寄生电容。对于电感L1，L2仅考虑其寄生电阻 RL1，RL2。2）对于二极管来说，由其输出特性可知，其导通时等效为一个电阻与一个理想的二极管串联，但还要考虑在 PN 结附近，由空间电荷区的不可移动电荷与中性区一起构成的等效寄生电容。对于二极管 D 本文考虑其寄生电容 CD。二极管的寄生电阻并入与