1  引言

沿海火电厂的原材料煤主要依靠海上运输，运输船舶靠岸时通常使用燃烧石油制品（多为重油、柴油）发电，来满足船舶用电需求。重油和柴油在燃烧过程中产生了大量的硫化物和氮氧化物，由于硫化物和氮氧化物是破坏臭氧层的主要污染物，污染物通过气候作用将给周边造成严重的空气污染问题，同时也会加重火电厂的污染治理工作。

近年来，国内港口岸电技术发展迅速，大型港口如上海港、连云港、蛇口港、重庆港等码头都已建成岸电系统。使用岸电系统可以减少废气排放，同时具有一定经济效益。

本文结合沿海火电厂岸电供电系统设计方案和应用案例，介绍了一种基于高压变频器技术的岸电电源装置，同时对岸电的经济效益和环境效益进行计算和分析，分析表明使用岸电电源技术会大大降低船舶污染物的排放量，减轻对环境的污染。

2  沿海火电厂岸电系统的组成

沿海火电厂岸电系统的组成可以分成3个部分：岸上供电系统、岸船连接系统以及船载电力系统。火电厂岸电电源的输入是自备电厂的电网，其输出需要满足不同船舶的不同要求。我国的船舶电制大都是440V/50Hz或者380V/50Hz，而国际上的船舶用电频率以60Hz居多，电压为440V或者6.6kV等。岸上变压变频装置用来变压和变频，然后把电力通过码头上的电缆沟送到码头的岸电箱，再用岸电连接系统把电力送往停靠的船舶。

3  变压、变频电源装置技术方案

3.1  设计原理

变压变频装置主要包括：进线开关柜、移相变压器、高压变频电源、滤波柜、隔离变压器柜、预充柜、馈线柜等。整个装置放置于码头前沿的配电室内。装置布置图如图1所示。

图1  岸电电源变压变频装置

3.2  高压进线柜

该进线柜电制为10kV/50Hz，取自10kV进线柜，作为高压变频电源的输入使用。

3.3  高压变频电源

高压变频电源是无电网污染的变频器系统，采用结构为多单元串联，输出为多电平移相式PWM方式。特别适合于港口、码头及修造船厂等船舶工业应用现场，已被广大工业用户接受并充分认可。高压变频电源主电路图如图2所示。

图2  高压变频电源主电路图^[2]

3.3.1 输入变压器

高压变频器的输入侧隔离变压器采用移相式变压器，初级绕组为10kV，次级绕组为三相24个绕组。每个绕组采用延边三角形接法，分成8个不同相位组，移相角分别为±3.75°，±l1.25°，±18.75°，+26.25°，形成48脉波的二极管整流电路结构。每个次级绕组接一个功率单元，该移相接法可有效消除47次以下谐波。对电网谐波污染小，满足IEEE519-1992谐波抑制标准。

3.3.2  多电平级联变频器

电网输入的三相10kV／50Hz交流电经输入变压器降压后给功率单元供电。功率单元为三相输入、单相输出的交直交PWM电压源型逆变器结构，相邻功率单元的输出端串接，形成Y接结构，实现60Hz交流电的直接输出，6.6kV／60Hz输出电压每相由6个额定电压为900V的功率单元串联得到，输出线电压可达6.6kV一路经过隔离变压器输出到接线箱高压上船，另一路经隔离降压变压器输出可以分接出440～690V电压．经电容器滤波后为设备低压上船。每个功率单元采用电压源型结构，直流环节为滤波电容．负载设备所需的无功功率由电容提供，无需和电网交换，变频器输入功率因数高，可保持在0.96以上。无需采用功率因数补偿装置。每个功率单元通过光纤通讯接收主控系统发送的调制信息。以产生船用负载设备所需的电压和频率，而功率单元的状态信息也通过光纤反馈给主控系统，由主控系统进行统一控制。该光纤是模块与主控系统间的唯一连接．因而每个功率单元与主控系统是完全电气隔离的^[2]。

3.3.3 滤波回路

多电平级联变频器输出一个多电平级联的正弦波，为了得到一个更完美的正弦波，输出增加一个LCR滤波回路，把基波以上的高次谐波滤除掉。同时，连接电抗器在船舶并网中起到一个不可或缺的作用，有效地减少船舶发电机微电网的并网冲击，为逆功率控制提供足够的时间。

3.4  隔离变压器部分

3.4.1 隔离变压器

LCR滤波后，系统会用一个1：1的隔离变压器，其连接方法为△/Y带中性点输出。此变压器的作用：1）电气隔离，把变频装置与船舶受电系统实现隔离；2）船舶受电系统多以单相设备，需要零线连接，故需要变压器产生一个中性点；3）此隔离变压器的短路阻抗设置为10%，解决了靠泊船舶电气元件所能承受的短路容量与岸电容量的匹配问题。

3.4.2 接地电阻

隔离变压器中性点通过小电阻接地，其作用：（1）为了使三相四线制供电系统的中性点可靠接地，提高系统的安全性；（2）当三相电压负载不平衡时，中性点电压会产生漂移，通过检测小电阻上的电流可以有效地监测到零序电流的情况，从而做出相应的保护。

3.5  预充柜

船舶受电系统中有一个与岸电容量相当的降压变压器，当变频装置输出6.6kV/60Hz的电源瞬间给电船舶的降压变压器，其冲击电流相当大，可能会引起变频装置过流跳闸，甚至损坏变频装置中的功率模块。故需要增加这个预充柜，对变频装置进行保护。

3.6  馈线柜

馈线柜由馈线断路器、接地刀闸、继保控制系统及电能计量仪表组成。此部分承担装置的欠压、过压、缺相、过流等保护，由于输出电压频率为60Hz，相关的整定值都需要重新计算核实。

4  沿海火电厂岸电项目效益对比

4.1  沿海火电厂岸电经济性分析

岸电项目投资包括：进线开关柜、移相变压器、高压变频电源、滤波柜、隔离变压器柜、预充柜、馈线柜、电缆等，岸电投资成本按3元/VA计算：1.6MVA的岸电项目投资总金额为480万元。

根据各油品市场报价机构的油价数据，四冲程柴油机的燃油耗率约为0.25kg/kWh，标准的柴油密度在0.86kg/L左右，船用柴油（MGO低硫油)油价按7.828元/L计算，则可得轻油（船用柴油）发电对应的成本电价为：

7.828/0.86*0.25=2.276元/kWh

该沿海电厂的船舶每年至少停靠60天以上（即1440小时），按项目使用1.6MVA岸电系统计算，则船舶一年的用电量为230万度，相当于使用了523.5 万元的燃油费。

在电价方面，当地沿海火电厂每度电成本价0.25元，电网每度电成本价1.10元。

设岸电电源成本电价为D1，收取船方的电价为D2，用电量为k，港方效益W为：

           (1)

设船方全年燃油费为R，港方服务费收益为W，船方效益S为：

              (2)

设港方总投资为B，港方服务费收益为W，港方成本回收时间T为：

                (3)

根据上述公式以及计算数据，整理出沿海火电厂和传统码头公司的岸电投资收益对比表图表1所示。

表1  岸电投资收益表

备注：表1中的成本电价和收费电价参考项目实际收费价格，轻油成本电价2.276元/kWh。

由上表可知：原油是不可再生资源，油价上涨越高，燃油费用自然越高，直接影响到船方的收益；火电厂是自备电厂，利用自身发电的优势，成本电价必然要比普通码头公司要便宜很多；电费便宜了，船方收益自然就会大，收益比普通码头公司的多73%，而港方投资成本回收时间会缩短将近一半。由此可见，沿海火电厂的岸电项目极具投资价值。

4.2 沿海火电厂岸电环境效益分析

沿海火电厂使用岸电电源，码头区域虽然减少了污染物的排放，但这部分污染只是从码头区域向电厂区域转移。随着耗电量的增加，发电量也随之增加，故有必要分析发电所产生的污染物是否比使用燃油发电产生的有所增加。

船舶使用燃油的大气污染排放量计算采用动力法进行计算，计算公式如下：

    （4）

式（4）中：E为排放量，kg/年；W为船舶停船一年消耗的电量，kWh；EF为排放因子，g/kWh；FCF为燃料校正因子；CF为排放控制因子。

本次分析使用的船舶排放因子EF采用美国洛杉矶港大气污染物排放清单中远洋船舶辅机排放因子，详见表2所示。

表2  船舶辅机排放因子

表2中船舶辅机的排放因子是基于船舶发动机使用含硫量为3.5%的重油设定的，如果船舶发动机使用含硫量较低的轻油，排放量会相应降低。故要计算使用轻油计算排放量时，需考虑×燃油校正因子FCF来确定。燃油校正因子见表3所示。

表3  燃油校正因子

按项目使用1.6MVA岸电系统计算船舶一年的用电量为230万度，可以计算得出使用燃油所产生的大气排放物排放量^[5]。船舶停港期间年排放情况如表4所示。

表4  船舶停港期间年排放情况

根据2016火电厂发电量污染排放量看，单位火电发电量颗粒物排放量降至0.08g/kWh，二氧化硫排放降至0.39g/kWh，氮氧化物排放降至0.36g/kWh，同样按照项目1.6MVA的岸电系统可计算出使用岸电增加的大气排放物排量。

表5  电厂与船舶大气污染物排放比较

由此可见，使用岸电可减少船舶在靠港期间二氧化硫，氮氧化物，烟尘颗粒物的排放，额外发电所产生的二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳并未增加排放，这意味着使用岸电电源对沿海火电厂的环境空气质量有改善作用。

5  结束语

本文主要研究了沿海火电厂岸电电源装置的技术实施方案及经济性、环境效益分析。从长远来看，石油作为不可再生能源，随着需求量不断增加，油价势必会不断走高，其成本最终将超过使用岸电成本，岸电电源经济价值也将更加明显。另外沿海火电厂利用自身发电优势，使用岸电电源，更能提高码头周边整体环境水平。因此沿海火电厂使用岸电电源是未来的发展方向，它更加清洁环保，又具有一定的经济效益，应该大力推广使用。