船舶岸电系统发展及应用
谈健+韩俊+归三荣+李琥+赵宏大
船舶岸电系统发展及应用
DOI：10.13340/j.jsmu.2017.03.016
文章编号：1672-9498（2017）03009006
摘要：为推广船舶使用岸电，从而控制港口城市空气污染，实现节能减排，对船舶岸电系统进行综述。介绍船舶岸电系统的组成、基本原理、应用现状、电源配置、技术规范等，讨论其涉及到的技术难点，对船舶岸电系统的应用起到积极的推动作用。
关键词：
岸电； 港口； 节能减排； 技术规范
中图分类号： U665.12；U653.95
文献标志码： A
Development and application of shore power supply system
TAN Jian， HAN Jun， GUI Sanrong， LI Hu， ZHAO Hongda
（Economic Research Institute， State Grid Jiangsu Electric Power Company， Nanjing 210008， China）
Abstract：
To promote ships to use the shore power so as to control air pollution of port cities and realize energy conservation and emission reduction， the shore power supply system for ships is reviewed. The structure， basic principle， present application， electrical supply configuration and technical specifications of the system are introduced. The technical difficulties of the system are discussed. It plays a positive role in the application of the shore power supply system for ships.
Key words：
shore power； port； energy conservation and emission reduction； technical specification
0引言
“21世紀海上丝绸之路”建设是我国实现中华民族伟大复兴的重大战略，同时也是促进世界贸易发展的重大举措。世界贸易的繁荣离不开航运业的发展。数据显示，当前世界贸易商品的80%由船舶运输完成，船舶已经成为世界经济发展的重要载体。[1]然而，当船舶停靠港口时，由于船舶采用传统的辅机发电方式生产电力，产生的废气污染较为严重，据文献[2]中对上海港船舶排放监测的结果，上海港停靠船舶排放的SO2，NO和PM2.5分别占上海市大气污染物总量的12.0%，9.0%和5.3%。
随着世界各国节能减排、大气污染防治工作的不断推进，船舶停靠港口时对城市造成的大气污染问题已经引起各国政府部门及学者的重视。如欧盟2006年开始建议港口提供船舶岸电，并制定颁布《EU Directive 2005/33/EC2010》法令，要求从2010年开始船舶在靠港时使用岸电；我国在2013年也发布《大气污染防治行动计划》，要求控制船舶造成的环境污染。
船舶岸电指船舶在停靠港口期间，不使用船上的副机发电，船用照明、制冷、工程作业等用电设备改由码头供电，从而减少船舶大气污染物排放的供电方式。[3]船舶岸电技术是实现节能减排、控制港口城市大气污染的有效手段之一。本文论述船舶岸电系统发展情况，包括岸电系统组成、基本原理、应用现状、电压和频率匹配、国内外已有技术标准和政策文件，并讨论其涉及到的技术难点。
1船舶岸电技术的发展及应用
1.1欧美国家岸电技术发展及应用情况[46]
瑞典哥德堡港是全球最早使用岸电系统的港口之一。2000年，ABB公司向哥德堡港交付了全球第一套岸电系统，帮助该港降低停港船舶噪声和废气排放，优异的环保表现使得该港赢得了2004年欧盟颁发的“洁净海运奖”；2010年，哥德堡港再次与ABB公司合作，研发了一套3 MVA/11 kV，50 Hz/60 Hz双频岸电系统，是当时全球规模最大的同类岸电系统。2002年，美国阿拉斯加州的朱诺港采用岸电系统向5艘改造后的邮船供电。据朱诺港估计，1艘功率为7 MW邮船停靠13 h排放的硫化物、氮化物和PM10可减少
796 lb（1 lb=0.453 59 kg）。2004年，美国洛杉矶港采用岸电技术向集装箱船供电后，船舶大气污染物排放量平均减少95%。2009年，美国长滩港首次在油码头采用岸电系统；同年，温哥华港开始为邮船提供岸电，成为全球第三个为邮船提供岸电的港口，2010年为57个航次邮船提供岸电，减少碳排放3 000 t。2011年，美国洛杉矶港成功安装6.6 kV/11 kV高压岸电系统，供电容量达40 MVA，可为单艘邮船提供20 MW电力。2012年，纽约布鲁克林邮船码头投入使用岸电设施。纽约港务局的研究表明，布鲁克林邮船码头采用岸电设施后每年能够减少100 t氮化物、100 t硫化物和超过6 t特殊有害物质的排放。2012年后，比利时安特卫普港的集装箱码头、泽布吕赫港，德国波罗的海的吕贝克港等也安装了岸电供电系统。到2016年9月，ABB公司为印度V. O. Chidambaranar港提供印度首个岸电方案，采用PCS100静态变频器和ABB公司相关电气设备对港口及船舶进行升级改造，帮助印度政府实现经济增长并保护环境[7]。
1.2我国岸电技术发展及应用情况
2010年，连云港港首次在国内实现高压船用岸电系统建设并应用于“中韩之星”邮船。连云港港船舶岸电系统采用高/高变频方式，只需要一根高压电缆上船即可进行不间断供电。整个系统由岸上的高压变频电源和高压接线箱以及船上的高压电缆卷筒和船载变电站等两个子系统组成，系统容量为1.5 MVA，输出6.6 kV/50 Hz和6.6 kV/60 Hz的电力。[8]同年，上海港外高桥二期港区将移动式变频变压供电系统应用在多个泊位或码头，将我国港口电网交流电变换成适用于外国船舶的60 Hz交流电和国内部分船舶的50 Hz交流电，实现50 Hz/60 Hz双频供电。[9]
2011年12月，黄骅港二期扩容码头200#泊位岸电系统投入使用。该岸电系统供电容量1.6 MVA，采用三相四线输出6 kV/50 Hz电力。该系统投入使用后，黄骅港单艘次到港船舶利用岸电比用辅机自发电节约1.69万元。按2010年到港2 893艘次计，若黄骅港的到港船舶全部以岸电取代船舶辅机发电，每年将节省约4 900万元燃油费用。[8]2011年，神华中海航运公司为其46 000 t散货船安装6 kV/50 Hz的高压岸电系统，并向中国船级社申请AMPS入级符号。[10]同年，河北远洋运输集团首先在其“富强中国”号开始岸电项目改造。船上岸电设备采用了由连云港港口集团和河北远洋运输集团共同研制的“高压变频数字化船用岸电系统”，通过置于陆域后方变电所的高压变频装置将港口电网6 kV/50 Hz的交流电转换为6.6 kV/60 Hz的交流电，由码头的高压接电箱通过高压电缆直接上船，再通过置于船上的变压器将6.6 kV/60 Hz降压为船舶电力设备需要的低压电力。“富强中国”号采用岸电技术后，全年可节约燃油成本57万元。[11]
2013年江苏淮安新港配备岸电设施。港口有泊位8个，经实地考察、走访船民和专家论证，最终方案为在6个泊位前沿配备岸电箱，每个岸电箱容量为10 kVA，可为停靠船舶提供 380 V/50 Hz及220 V/50 Hz电源。岸电系统投入使用后，每年可节省197.1 t燃油，减少CO2排放603 t，减少SO2排放9.85 t。[12]
2013年，江苏句容电厂码头建设岸电项目，供电容量630 kVA，输入6 kV/50 Hz，经变压变频装置后输出6.6 kV/60 Hz或6 kV/50 Hz。经隔离变压器降压后，可分别满足国内船舶低压供电0.4 kV/50 Hz和国外船舶低压供电0.45 kV/60 Hz的不同要求。[13]
2015年，江苏泗洪码头首个岸电入河工程建成投运，该岸电项目通过码头上的5个岸电箱同时向靠港停泊的45艘船供电。同时，按照每年靠泊量3 600艘次、平均停靠时间40 h计算，码头月用电达3万kW·h，年用电量达36万kW·h，可减少船舶靠港成本30%，节约燃油百余吨，减少碳化物和硫化物排放约75 t。[14]
同年，重庆首个智能港口岸电系统在朝天门码头正式投入使用。停靠朝天门八码头的船舶，将以港口岸电替代船舶辅机燃油供电，预计每年用于替代的电量至少约183.6万kW·h，减少碳排放
1 480 t，减少燃油发电成本292.8万元。[15]
2016年，连云港港和上海港联合研发的岸电系统在上海洋山港投入使用，为台湾长荣的8 000 TEU集装箱船“长青号”成功供电
18 h。接用岸电期间，船和码头正常作业。船在接用岸电期间，最大负荷约2 500 kVA，船与岸也仅靠两根高压电缆完成供受电。[16]同年，往返于连云港港和韩国仁川港的“紫玉兰”号客货船上的船载受电系统及船用岸电设备获得中国船级社颁发的首个入级证书，标志着该船所载岸电系统设备通过了中国船级社相关规范的检验，正式具备使用岸电并安全运行的能力。位于连云港港27#泊位的船用岸电系统和“紫玉兰”号船载受电系统，是交通运输部首批船舶岸电示范项目之一。该项目于2015年开工建设，在岸基建设容量为3 000 kVA的变频电源，可同时供3艘船靠泊使用，在 “紫玉兰”号上安装容量为1 250 kVA的船载岸电设备，对码头和船舶进行配套改造，采用的全套设备拥有自主知识产权。该项目建成后，仅“紫玉兰”号每年就可使用电量约120万kW·h，减少SO2排放42 t，减少氮氧化物排放47.58 t。[1718]
2船舶岸电系统组成
船舶岸电系统主要由岸上电源部分、岸船连接部分和船舶受电部分组成[6，1920]，其基本结构见图1。
岸上电源部分将变电站的电力根据受电船舶电力系统要求进行電压等级和频率变换，输送到码头、泊位的连接点或接电箱。根据岸上电源系统输出电压等级的不同，将岸电分为高压岸电和低压岸电。高压岸电指岸电电源输出6.6 kV，11 kV或者更高的岸电电压，适用于用电负荷较大的大型船舶；低压岸电指岸电电源输出
440 V，400 V或者更低的岸电电压，适用于用电负荷较小的船舶。
岸船连接部分是连接岸上接电箱和船上受电装置的电缆和设备的统称，安装于岸基、驳船或船上，一般设置有电缆管理系统，以便于电缆的快速连接和储存。
船舶受电部分指对船舶配电系统进行改造，安装岸电受电装置，一般可包括电缆绞车、船用变压器、控制设备和并车装置等，必要时还可能安装船用变频器。
不同类型、不同吨位船舶采用不同电压等级和频率的船舶电力系统，不同国家和地区的船舶也会采用不同的额定电压和频率。如高压船舶电站的电压等级可为11 kV，6.6 kV（60 Hz）和6 kV（50 Hz），低压船舶电站的额定电压可为440 V（60 Hz）或400 V（50 Hz）。我国船舶电力系统频率为50 Hz，美国的为60 Hz，欧洲的为50 Hz或60 Hz。由此可见，岸电电源系统需要能够输出不同电压等级和频率的电源，以便与受电船舶电力系统相匹配。
文獻[21]针对岸电供电电源与船舶电力系统电压和频率等级不匹配的情况，以低压系统为例，从理论上进行了分析，认为当船舶接电压和频率略低于其额定值的岸电电源时，船用拖动和照明设备可在短时间内正常运行，但若长时间不匹配供电则会缩短设备使用寿命。若船舶接电压和频率高于其额定值的岸电电源，则会带来电动机发热、最大转矩增大和功率增大超负荷等隐患。为此，我国船舶停靠他国港口必须考虑电源变频变压问题。
为使岸电系统能够匹配不同靠泊船舶的电压和频率，文献[6]将常见船用岸电系统电气配置方案分为3类：（1）低压岸电系统向低压船舶供电；（2）高压岸电系统向低压船舶供电；（3）高压岸电系统向高压船舶供电。第一种方案将电网电压经变电站降压至6.6 kV（如需变频，则降压至变频器输入电压），然后接到岸电箱降压变频到440 V/50 Hz或440 V/60 Hz，最后采用9根电缆连接到船上。该方案配置较简单，码头及船舶改造工程量较少，但安装和拆卸较繁琐。第2种方案采用高压岸电方案（电网电压若高于10 kV，则需经过变电站降压至6.6 kV；若需变换频率，则需经岸上变频器变频），采用1根高压电缆将高压电接到船上，经过船上的变压器降压后供船舶使用。该方案由于采用高压供电，只需要1根电缆线，安装快捷，但是需要改造船舶，安装降压变压器，改造成本比较高。第3种方案同样采用高压岸电供电，电网电压经变电站降至6～20 kV，经由码头接电箱接到船舶直接向船舶供电。该方案同样只需要1根电缆线，实现简单；如需变频，则需要在岸基上安装高压变频器。
上述3种常见方案各有优缺点，在世界各国港口均有实际应用。文献[22]总结了3种方案在港口的应用情况，如表1所示。文献[23]同样对这3种方案的优缺点进行了比较，认为高压供电方式具有码头建设成本低、占用码头空间小和操作方便等优点，应是今后码头船用供电系统发展的主要方向。目前，随着船舶不断朝大型化的方向发展，电站容量不断增大，很多欧美国家的港口已经建设有6.6 kV/60 Hz的高压岸电供电系统，我国配置50 Hz电力系统的船舶靠泊时需考虑配备高压船用变频器。
船舶岸电系统的电压等级与电源容量息息相关。根据文献[24]，船舶岸电系统容量等级有200，400，630，800，1 000，1 600，2 000，3 000，5 000，8 000 kVA。文献[25]指出：当船舶岸电系统容量小于630 kVA时可采用低压供电方式，介于630～1 600 kVA之间时可采用高压供电方式，大于1 600 kVA时需要采用高压供电方式；此外，还需要根据靠泊船舶的类型确定岸电电源容量，常见船舶的岸电容量需求范围见表2。
在港口、码头实施岸电工程，引导船舶所有人对船舶进行岸电改造和推广船舶靠港时使用岸电都离不开政策法规的要求和行业技术标准的制定。为此，世界各国相继出台了诸多规章制度以及标准规范文件，以保障岸电的顺利推广。
4.1国内的政策法规和技术规范
国内主要由交通运输部制定颁布各项实施方案或指导意见，要求各港口码头建设船舶岸电设施，规范靠港船舶使用岸电设备，为岸电的应用推广打下了坚实的基础。出台的主要文件包括
《船舶与港口污染防治专项行动实施方案（2015—2020年）》
《绿色港口等级评价标准（JTS/T 10542013）》
《码头船舶岸电设施建设技术规范（JTS 155—2012）》
《港口船舶岸基供电系统技术条件JT/T 814—2012》
《港口船舶岸基供电系统操作技术规程JT/T 815—2012》
《建设低碳交通运输体系指导意见》
《公路水路交通运输节能减排“十二五”规划》
和《“十二五”水运节能减排总体推进实施方案》。
各省市为缓解港口城市污染，也制订了相关工作计划，主要有江苏省的《江苏省2015年大气污染防治工作计划》和上海市的《上海港靠泊国际航行船舶岸基供电试点工作方案》。
此外，为保障岸电设施的可靠性，中国船级社还制定了岸电验收规范《船舶高压岸电系统检验指南》，以确保我国岸电工程符合国际质量标准。
4.2国外技术标准或指导性文件
国际电工委员会（IEC）、国际标准化组织（ISO）以及电气和电子工程协会（IEEE）等机构也致力于岸电国际标准的制定，其发布的标准对岸电系统的功能要求、施工安装规范、岸船连接规格、控制和监测、测试和标准、维护保养等各方面均做了系统详细的说明，使岸电系统的设计、施工、验收、使用和维护成为具有国际统一标准的系统工程，为岸电系统的推广起到了巨大的推动作用。主要技术规范包括：
（1）IEC/ISO/IEEE Utility Connections in Port Part 1： High Voltage Shore Connection （HVSC） Systems General Requirements； （2）IEC/IEEE Draft International Standard Utility Connections in Port Part 2： High and Low Voltage Shore Connection （HLVSC） Systems Data Communication for Monitoring and Control；
（3）IEEE Draft Recommended Practice for Design and Application of Power Electronics in Electrical Power Systems；
（4）IEEE/ISO/IEC Draft Standard for Cold Ironing Part 1： High Voltage Shore Connection （HVSC） Systems General Requirements；（5）IEEE Draft Recommended Practice for Shipboard Electrical Installations Systems Engineering；（6）IEEE Recommended Practice for Shipboard Electrical Installations Systems Engineering；（7）IEEE Approved Draft Recommended Practice for Shipboard Electrical Installations Systems Engineering.
5船舶岸电系统涉及到的技术难点
（1）高功率电力电子变频技术。
从国外岸电应用现状可以看出，国外已有岸电系统大多采用电网向船舶直接供电的方式，涉及到变频技术的案例不多。我国电力频率为50 Hz，为向国外60 Hz的船舶供电，需要开发高压大功率变频器。目前，市场上小功率通用变频器技术比较成熟，但适用于港口或海洋环境的兆瓦级高压船用变频器仍然存在系统拓扑结构、系统控制、散热、电磁兼容、谐波治理等技术难题。[2930]
（2）岸电电源电压稳定。
岸电电源容量相对较小，而船上负载大多为感性负载，当船舶使用岸电时，负载的变化会导致岸电电压发生波动。当电压偏离额定值较大时，会导致船上电气设备运行效率降低甚至损坏。因此，岸电变频器必须具备电压自动调节功能，维持输出电压稳定以满足船舶供电标准[31]。
（3）供电系统电制匹配。
我国配电网一般采用中性点不接地系统，港口码头常采用三相四线TN系统，而船舶大多采用三相三线IT系统。如果TN系统直接向IT系统供电，容易导致绝缘击穿等安全问题，因此岸电电源无法直接连接至船舶。如果为港口岸电设计专门的IT系统会导致成本大幅增加，因此目前岸电系统急需研究TN与IT系统相互兼容的供电模式。[32]
（4）船电与岸电间的无缝切换。为实现船电与岸电的无缝衔接，需要船上安装有一套自动并车装置。该装置检测船电和岸电的频率、相位以及电压信号，当三者的误差均在一定范围内时，将岸电电源并网到船舶电力系统，最后停止使用船用副机发电。当船舶离港时，自动并车装置控制船舶副机并网，然后断开岸电电源。自动并车装置的关键技术是实现船舶副机发电与岸电电源的同步，以减小并网时的冲击电流。[19，23]
（5）电缆管理和快速连接。
考虑港口作业效率和船期等方面的要求，船舶连接岸电时往往需要很迅速，这就需要高效的电缆管理方式，如设计移动式的码头恒张力电缆卷筒或采用快速接头实现电缆的快速连接等。[33]
6结论
当前，大气污染是世界各国面临的严峻环境问题，港口城市形势尤其严峻，其大气污染物排放总量居高不下，防治工作受到各国政府的高度重视。随着《中华人民共和国大气污染防治法》在2016年1月开始施行，我国开始对大气污染排放进行严格管控。
在此背景下，推广使用岸电技术成为港口城市大气防污染的重要和有效手段。本文对船舶岸电系统的应用现状、组成、基本原理、电源配置、技术规范等进行了总结，并简要讨论涉及到的技术难点，以期为岸电系统的应用起到积极的推广和推动作用。
参考文献：
[1]SCIBERRAS E A， ZAHAWI B， ATKINSON D J. Electrical characteristics of cold ironing energy supply for berthed ships[J]. Transportation Research Part D， 2015， 39： 3143.
[2]丁越峰. 上海港岸电系统应用现状和前景分析[J]. 城市公用事业， 2013， 27（5）： 3838. DOI： 10.16487/j.cnki.issn20957491.2013.05.011.
[3]PROUSALIDIS J， ANTONOPOULOS G， PATSIOS C， et al. Green shipping in emission controlled areas： combining smart grids and cold ironing[C]//Proceeding of 2014 International Conference on Electrical Machines. Berlin， 2014： 22992305.
[4]ABB中国. ABB支持瑞典哥德堡港实现岸对船供电[EB/OL]. （20100701）[20161016]. http：//www.abb.com/cawp/seitp202/2D07D9270811F780482577530010 DD53.aspx.
[5]LUO N， ZHANG X. Design discharge equipment for cold ironing power cable[C]//Proceeding of 2011 IEEE Power Engineering and Automation Conference. Wuhan， 2011： 185188.
[6]田鑫， 杨柳， 才志远， 等. 船用岸电技术国内外发展综述[J]. 智能电网， 2014， 2（11）： 914.
[7]中国水运网. 印度港口提供首个岸电解决方案[EB/OL]. （20160921）[20161016]. http：//www.zgsyb.com/html/content/201609/21/content_593751.shtml.
[8]王金旺. 船舶岸电技术应用研究[D]. 保定： 华北电力大学， 2015.
[9]俞晓. 到港船舶使用岸电的环境效益和经济效益研究[D]. 上海： 复旦大学， 2013.
[10]陈彦. 神华46 000 t散货船船载高压岸电系统简述[J]. 上海船舶运输科学研究所学报， 2014， 37（1）： 3134.
[11]河北远洋运输集团股份有限公司. “富强中国”轮使用岸電项目[J]. 交通节能与环保， 2013（4）： 1520. DOI： 10.3969/j.issn.16736478.2013. 04.003.
[12]潘伟明. 淮安新港船舶接用岸电技术研究[J]. 科技创新与应用， 2014（28）： 1516.
[13]田君. 江苏句容电厂码头工程船舶岸电系统设计[J]. 武汉勘察设计， 2014（5）： 4346.
[14]中国水运网. 江苏泗洪首个岸电入河工程建成投运[EB/OL]. （20150721）[20161016]. http：//www.zgsyb.com/html/content/201507/21/content_308633.shtml.
[15]中国水运网. 重庆首个智能港口岸电系统在朝天门码头正式投用[EB/OL]. （20160121）[20161016]. http：//www.zgsyb.com/html/content/201601/21/ content_327594.shtml.
[16]中国水运网. 上海洋山港成功向大型集装箱船供与连港研发的绿色岸电[EB/OL]. （20160928）[20161016]. http：//www.zgsyb.com/html/content/201609/28/ content_595174.shtml.
[17]中国水运网. 国内首个船用岸电示范项目获CCS入级证书[EB/OL]. （20160929）[20161016]. http：//www.zgsyb.com/html/content/201609/29/ content_595660.shtml.
[18]中国水运网. 国内首个船用岸电示范项目获“身份证”[EB/OL]. （20160922）[20161016]. http：//www.zgsyb.com/html/content/201609/22/content_594266.shtml.
[19]崔亚欣， 孙永涛. 高压岸电上船及其关键技术研究[J]. 港口装卸， 2012（1）： 2831.
[20]PAUL D， PETERSON K， CHAVDARIAN P R. Designing cold ironing power systems[J]. IEEE Industry Applications Magazine， 2014， 5： 2432.
[21]吴振飞， 叶小松， 邢鸣. 浅谈船舶岸电关键技术[J]. 建筑电气， 2013， 32（6）： 2260.
[22]张一禾. 我国现阶段船舶利用岸电问题探讨[J]. 中国水运， 2010（9）： 2223. DOI： 10.13646/j.cnki.421395/u.2010.09.025.
[23]刘洪波， 董志强， 林结庆. 码头船用岸电供电系统技术[J]. 水运工程， 2011（9）： 181229. DOI： 10.16233/j.cnki.issn10024972.2011.09.016.
[24]李曉光， 卜佩征. 基于双频电源技术的船舶岸电系统研究[J]. 智能电网， 2015， 3（8）： 726729. DOI： 10.14171/j.20955944.sg.2015.08.009.
[25]沈朗捷. 集装箱码头配备岸电设施选型[J]. 港口科技， 2015（7）： 2228.
[26]PETERSON K L， CHAVDARIAN P B， ISLAM M. State of shore power standards for ships[C]//Proceeding of 2007 IEEE Petroleum and Chemical Industry Technical Conference. Calgary， 2007： 16.
[27]曹穆， 王朝红. 舰船岸电接地问题分析[J]. 船舶工程， 2016， 38（S2）： 196199.
[28]赫伟建， 王妮妮， 彭传圣， 等. 在我国推广靠泊船舶使用岸电技术的建议[J]. 水运管理， 2015， 37（1）： 2527.
[29]孙永涛. 靠港船舶供岸电电源技术及自动并车系统研究[D]. 武汉： 武汉理工大学， 2012.
[30]郜克存. 海港岸电兆瓦级变流核心技术及应用[D]. 长沙： 湖南大学， 2012.
[31]何晓航. 60 Hz电子静止式岸电电源的研究[D]. 上海： 上海交通大学， 2010.
[32]李建科， 王金全， 金伟一， 等. 船舶岸电系统研究综述[J]. 船电技术， 2010， 30（10）： 1215. DOI： 10.13632/j.meee.2010.10.003.
[33]黄细霞， 包起帆， 葛中雄， 等. 典型港口岸电比较及对中国港口岸电的启示[J]. 交通节能与环保， 2009（4）： 25.
（编辑赵勉）
船舶岸电系统发展及应用
DOI：10.13340/j.jsmu.2017.03.016
文章编号：1672-9498（2017）03009006
摘要：为推广船舶使用岸电，从而控制港口城市空气污染，实现节能减排，对船舶岸电系统进行综述。介绍船舶岸电系统的组成、基本原理、应用现状、电源配置、技术规范等，讨论其涉及到的技术难点，对船舶岸电系统的应用起到积极的推动作用。
关键词：
岸电； 港口； 节能减排； 技术规范
中图分类号： U665.12；U653.95
文献标志码： A
Development and application of shore power supply system
TAN Jian， HAN Jun， GUI Sanrong， LI Hu， ZHAO Hongda
（Economic Research Institute， State Grid Jiangsu Electric Power Company， Nanjing 210008， China）
Abstract：
To promote ships to use the shore power so as to control air pollution of port cities and realize energy conservation and emission reduction， the shore power supply system for ships is reviewed. The structure， basic principle， present application， electrical supply configuration and technical specifications of the system are introduced. The technical difficulties of the system are discussed. It plays a positive role in the application of the shore power supply system for ships.
Key words：
shore power； port； energy conservation and emission reduction； technical specification
0引言
“21世紀海上丝绸之路”建设是我国实现中华民族伟大复兴的重大战略，同时也是促进世界贸易发展的重大举措。世界贸易的繁荣离不开航运业的发展。数据显示，当前世界贸易商品的80%由船舶运输完成，船舶已经成为世界经济发展的重要载体。[1]然而，当船舶停靠港口时，由于船舶采用传统的辅机发电方式生产电力，产生的废气污染较为严重，据文献[2]中对上海港船舶排放监测的结果，上海港停靠船舶排放的SO2，NO和PM2.5分别占上海市大气污染物总量的12.0%，9.0%和5.3%。
随着世界各国节能减排、大气污染防治工作的不断推进，船舶停靠港口时对城市造成的大气污染问题已经引起各国政府部门及学者的重视。如欧盟2006年开始建议港口提供船舶岸电，并制定颁布《EU Directive 2005/33/EC2010》法令，要求从2010年开始船舶在靠港时使用岸电；我国在2013年也发布《大气污染防治行动计划》，要求控制船舶造成的环境污染。
船舶岸电指船舶在停靠港口期间，不使用船上的副机发电，船用照明、制冷、工程作业等用电设备改由码头供电，从而减少船舶大气污染物排放的供电方式。[3]船舶岸电技术是实现节能减排、控制港口城市大气污染的有效手段之一。本文论述船舶岸电系统发展情况，包括岸电系统组成、基本原理、应用现状、电压和频率匹配、国内外已有技术标准和政策文件，并讨论其涉及到的技术难点。
1船舶岸电技术的发展及应用
1.1欧美国家岸电技术发展及应用情况[46]
瑞典哥德堡港是全球最早使用岸电系统的港口之一。2000年，ABB公司向哥德堡港交付了全球第一套岸电系统，帮助该港降低停港船舶噪声和废气排放，优异的环保表现使得该港赢得了2004年欧盟颁发的“洁净海运奖”；2010年，哥德堡港再次与ABB公司合作，研发了一套3 MVA/11 kV，50 Hz/60 Hz双频岸电系统，是当时全球规模最大的同类岸电系统。2002年，美国阿拉斯加州的朱诺港采用岸电系统向5艘改造后的邮船供电。据朱诺港估计，1艘功率为7 MW邮船停靠13 h排放的硫化物、氮化物和PM10可减少
796 lb（1 lb=0.453 59 kg）。2004年，美国洛杉矶港采用岸电技术向集装箱船供电后，船舶大气污染物排放量平均减少95%。2009年，美国长滩港首次在油码头采用岸电系统；同年，温哥华港开始为邮船提供岸电，成为全球第三个为邮船提供岸电的港口，2010年为57个航次邮船提供岸电，减少碳排放3 000 t。2011年，美国洛杉矶港成功安装6.6 kV/11 kV高压岸电系统，供电容量达40 MVA，可为单艘邮船提供20 MW电力。2012年，纽约布鲁克林邮船码头投入使用岸电设施。纽约港务局的研究表明，布鲁克林邮船码头采用岸电设施后每年能够减少100 t氮化物、100 t硫化物和超过6 t特殊有害物质的排放。2012年后，比利时安特卫普港的集装箱码头、泽布吕赫港，德国波罗的海的吕贝克港等也安装了岸电供电系统。到2016年9月，ABB公司为印度V. O. Chidambaranar港提供印度首个岸电方案，采用PCS100静态变频器和ABB公司相关电气设备对港口及船舶进行升级改造，帮助印度政府实现经济增长并保护环境[7]。
1.2我国岸电技术发展及应用情况
2010年，连云港港首次在国内实现高压船用岸电系统建设并应用于“中韩之星”邮船。连云港港船舶岸电系统采用高/高变频方式，只需要一根高压电缆上船即可进行不间断供电。整个系统由岸上的高压变频电源和高压接线箱以及船上的高压电缆卷筒和船载变电站等两个子系统组成，系统容量为1.5 MVA，输出6.6 kV/50 Hz和6.6 kV/60 Hz的电力。[8]同年，上海港外高桥二期港区将移动式变频变压供电系统应用在多个泊位或码头，将我国港口电网交流电变换成适用于外国船舶的60 Hz交流电和国内部分船舶的50 Hz交流电，实现50 Hz/60 Hz双频供电。[9]
2011年12月，黄骅港二期扩容码头200#泊位岸电系统投入使用。该岸电系统供电容量1.6 MVA，采用三相四线输出6 kV/50 Hz电力。该系统投入使用后，黄骅港单艘次到港船舶利用岸电比用辅机自发电节约1.69万元。按2010年到港2 893艘次计，若黄骅港的到港船舶全部以岸电取代船舶辅机发电，每年将节省约4 900万元燃油费用。[8]2011年，神华中海航运公司为其46 000 t散货船安装6 kV/50 Hz的高压岸电系统，并向中国船级社申请AMPS入级符号。[10]同年，河北远洋运输集团首先在其“富强中国”号开始岸电项目改造。船上岸电设备采用了由连云港港口集团和河北远洋运输集团共同研制的“高压变频数字化船用岸电系统”，通过置于陆域后方变电所的高压变频装置将港口电网6 kV/50 Hz的交流电转换为6.6 kV/60 Hz的交流电，由码头的高压接电箱通过高压电缆直接上船，再通过置于船上的变压器将6.6 kV/60 Hz降压为船舶电力设备需要的低压电力。“富强中国”号采用岸电技术后，全年可节约燃油成本57万元。[11]
2013年江苏淮安新港配备岸电设施。港口有泊位8个，经实地考察、走访船民和专家论证，最终方案为在6个泊位前沿配备岸电箱，每个岸电箱容量为10 kVA，可为停靠船舶提供 380 V/50 Hz及220 V/50 Hz电源。岸电系统投入使用后，每年可节省197.1 t燃油，减少CO2排放603 t，减少SO2排放9.85 t。[12]
2013年，江苏句容电厂码头建设岸电项目，供电容量630 kVA，输入6 kV/50 Hz，经变压变频装置后输出6.6 kV/60 Hz或6 kV/50 Hz。经隔离变压器降压后，可分别满足国内船舶低压供电0.4 kV/50 Hz和国外船舶低压供电0.45 kV/60 Hz的不同要求。[13]
2015年，江苏泗洪码头首个岸电入河工程建成投运，该岸电项目通过码头上的5个岸电箱同时向靠港停泊的45艘船供电。同时，按照每年靠泊量3 600艘次、平均停靠时间40 h计算，码头月用电达3万kW·h，年用电量达36万kW·h，可减少船舶靠港成本30%，节约燃油百余吨，减少碳化物和硫化物排放约75 t。[14]
同年，重庆首个智能港口岸电系统在朝天门码头正式投入使用。停靠朝天门八码头的船舶，将以港口岸电替代船舶辅机燃油供电，预计每年用于替代的电量至少约183.6万kW·h，减少碳排放
1 480 t，减少燃油发电成本292.8万元。[15]
2016年，连云港港和上海港联合研发的岸电系统在上海洋山港投入使用，为台湾长荣的8 000 TEU集装箱船“长青号”成功供电
18 h。接用岸电期间，船和码头正常作业。船在接用岸电期间，最大负荷约2 500 kVA，船与岸也仅靠两根高压电缆完成供受电。[16]同年，往返于连云港港和韩国仁川港的“紫玉兰”号客货船上的船载受电系统及船用岸电设备获得中国船级社颁发的首个入级证书，标志着该船所载岸电系统设备通过了中国船级社相关规范的检验，正式具备使用岸电并安全运行的能力。位于连云港港27#泊位的船用岸电系统和“紫玉兰”号船载受电系统，是交通运输部首批船舶岸电示范项目之一。该项目于2015年开工建设，在岸基建设容量为3 000 kVA的变频电源，可同时供3艘船靠泊使用，在 “紫玉兰”号上安装容量为1 250 kVA的船载岸电设备，对码头和船舶进行配套改造，采用的全套设备拥有自主知识产权。该项目建成后，仅“紫玉兰”号每年就可使用电量约120万kW·h，减少SO2排放42 t，减少氮氧化物排放47.58 t。[1718]
2船舶岸电系统组成
船舶岸电系统主要由岸上电源部分、岸船连接部分和船舶受电部分组成[6，1920]，其基本结构见图1。
岸上电源部分将变电站的电力根据受电船舶电力系统要求进行電压等级和频率变换，输送到码头、泊位的连接点或接电箱。根据岸上电源系统输出电压等级的不同，将岸电分为高压岸电和低压岸电。高压岸电指岸电电源输出6.6 kV，11 kV或者更高的岸电电压，适用于用电负荷较大的大型船舶；低压岸电指岸电电源输出
440 V，400 V或者更低的岸电电压，适用于用电负荷较小的船舶。
岸船连接部分是连接岸上接电箱和船上受电装置的电缆和设备的统称，安装于岸基、驳船或船上，一般设置有电缆管理系统，以便于电缆的快速连接和储存。
船舶受电部分指对船舶配电系统进行改造，安装岸电受电装置，一般可包括电缆绞车、船用变压器、控制设备和并车装置等，必要时还可能安装船用变频器。
不同类型、不同吨位船舶采用不同电压等级和频率的船舶电力系统，不同国家和地区的船舶也会采用不同的额定电压和频率。如高压船舶电站的电压等级可为11 kV，6.6 kV（60 Hz）和6 kV（50 Hz），低压船舶电站的额定电压可为440 V（60 Hz）或400 V（50 Hz）。我国船舶电力系统频率为50 Hz，美国的为60 Hz，欧洲的为50 Hz或60 Hz。由此可见，岸电电源系统需要能够输出不同电压等级和频率的电源，以便与受电船舶电力系统相匹配。
文獻[21]针对岸电供电电源与船舶电力系统电压和频率等级不匹配的情况，以低压系统为例，从理论上进行了分析，认为当船舶接电压和频率略低于其额定值的岸电电源时，船用拖动和照明设备可在短时间内正常运行，但若长时间不匹配供电则会缩短设备使用寿命。若船舶接电压和频率高于其额定值的岸电电源，则会带来电动机发热、最大转矩增大和功率增大超负荷等隐患。为此，我国船舶停靠他国港口必须考虑电源变频变压问题。
为使岸电系统能够匹配不同靠泊船舶的电压和频率，文献[6]将常见船用岸电系统电气配置方案分为3类：（1）低压岸电系统向低压船舶供电；（2）高压岸电系统向低压船舶供电；（3）高压岸电系统向高压船舶供电。第一种方案将电网电压经变电站降压至6.6 kV（如需变频，则降压至变频器输入电压），然后接到岸电箱降压变频到440 V/50 Hz或440 V/60 Hz，最后采用9根电缆连接到船上。该方案配置较简单，码头及船舶改造工程量较少，但安装和拆卸较繁琐。第2种方案采用高压岸电方案（电网电压若高于10 kV，则需经过变电站降压至6.6 kV；若需变换频率，则需经岸上变频器变频），采用1根高压电缆将高压电接到船上，经过船上的变压器降压后供船舶使用。该方案由于采用高压供电，只需要1根电缆线，安装快捷，但是需要改造船舶，安装降压变压器，改造成本比较高。第3种方案同样采用高压岸电供电，电网电压经变电站降至6～20 kV，经由码头接电箱接到船舶直接向船舶供电。该方案同样只需要1根电缆线，实现简单；如需变频，则需要在岸基上安装高压变频器。
上述3种常见方案各有优缺点，在世界各国港口均有实际应用。文献[22]总结了3种方案在港口的应用情况，如表1所示。文献[23]同样对这3种方案的优缺点进行了比较，认为高压供电方式具有码头建设成本低、占用码头空间小和操作方便等优点，应是今后码头船用供电系统发展的主要方向。目前，随着船舶不断朝大型化的方向发展，电站容量不断增大，很多欧美国家的港口已经建设有6.6 kV/60 Hz的高压岸电供电系统，我国配置50 Hz电力系统的船舶靠泊时需考虑配备高压船用变频器。
船舶岸电系统的电压等级与电源容量息息相关。根据文献[24]，船舶岸电系统容量等级有200，400，630，800，1 000，1 600，2 000，3 000，5 000，8 000 kVA。文献[25]指出：当船舶岸电系统容量小于630 kVA时可采用低压供电方式，介于630～1 600 kVA之间时可采用高压供电方式，大于1 600 kVA时需要采用高压供电方式；此外，还需要根据靠泊船舶的类型确定岸电电源容量，常见船舶的岸电容量需求范围见表2。
在港口、码头实施岸电工程，引导船舶所有人对船舶进行岸电改造和推广船舶靠港时使用岸电都离不开政策法规的要求和行业技术标准的制定。为此，世界各国相继出台了诸多规章制度以及标准规范文件，以保障岸电的顺利推广。
4.1国内的政策法规和技术规范
国内主要由交通运输部制定颁布各项实施方案或指导意见，要求各港口码头建设船舶岸电设施，规范靠港船舶使用岸电设备，为岸电的应用推广打下了坚实的基础。出台的主要文件包括
《船舶与港口污染防治专项行动实施方案（2015—2020年）》
《绿色港口等级评价标准（JTS/T 10542013）》
《码头船舶岸电设施建设技术规范（JTS 155—2012）》
《港口船舶岸基供电系统技术条件JT/T 814—2012》
《港口船舶岸基供电系统操作技术规程JT/T 815—2012》
《建设低碳交通运输体系指导意见》
《公路水路交通运输节能减排“十二五”规划》
和《“十二五”水运节能减排总体推进实施方案》。
各省市为缓解港口城市污染，也制订了相关工作计划，主要有江苏省的《江苏省2015年大气污染防治工作计划》和上海市的《上海港靠泊国际航行船舶岸基供电试点工作方案》。
此外，为保障岸电设施的可靠性，中国船级社还制定了岸电验收规范《船舶高压岸电系统检验指南》，以确保我国岸电工程符合国际质量标准。
4.2国外技术标准或指导性文件
国际电工委员会（IEC）、国际标准化组织（ISO）以及电气和电子工程协会（IEEE）等机构也致力于岸电国际标准的制定，其发布的标准对岸电系统的功能要求、施工安装规范、岸船连接规格、控制和监测、测试和标准、维护保养等各方面均做了系统详细的说明，使岸电系统的设计、施工、验收、使用和维护成为具有国际统一标准的系统工程，为岸电系统的推广起到了巨大的推动作用。主要技术规范包括：
（1）IEC/ISO/IEEE Utility Connections in Port Part 1： High Voltage Shore Connection （HVSC） Systems General Requirements； （2）IEC/IEEE Draft International Standard Utility Connections in Port Part 2： High and Low Voltage Shore Connection （HLVSC） Systems Data Communication for Monitoring and Control；
（3）IEEE Draft Recommended Practice for Design and Application of Power Electronics in Electrical Power Systems；
（4）IEEE/ISO/IEC Draft Standard for Cold Ironing Part 1： High Voltage Shore Connection （HVSC） Systems General Requirements；（5）IEEE Draft Recommended Practice for Shipboard Electrical Installations Systems Engineering；（6）IEEE Recommended Practice for Shipboard Electrical Installations Systems Engineering；（7）IEEE Approved Draft Recommended Practice for Shipboard Electrical Installations Systems Engineering.
5船舶岸电系统涉及到的技术难点
（1）高功率电力电子变频技术。
从国外岸电应用现状可以看出，国外已有岸电系统大多采用电网向船舶直接供电的方式，涉及到变频技术的案例不多。我国电力频率为50 Hz，为向国外60 Hz的船舶供电，需要开发高压大功率变频器。目前，市场上小功率通用变频器技术比较成熟，但适用于港口或海洋环境的兆瓦级高压船用变频器仍然存在系统拓扑结构、系统控制、散热、电磁兼容、谐波治理等技术难题。[2930]
（2）岸电电源电压稳定。
岸电电源容量相对较小，而船上负载大多为感性负载，当船舶使用岸电时，负载的变化会导致岸电电压发生波动。当电压偏离额定值较大时，会导致船上电气设备运行效率降低甚至损坏。因此，岸电变频器必须具备电压自动调节功能，维持输出电压稳定以满足船舶供电标准[31]。
（3）供电系统电制匹配。
我国配电网一般采用中性点不接地系统，港口码头常采用三相四线TN系统，而船舶大多采用三相三线IT系统。如果TN系统直接向IT系统供电，容易导致绝缘击穿等安全问题，因此岸电电源无法直接连接至船舶。如果为港口岸电设计专门的IT系统会导致成本大幅增加，因此目前岸电系统急需研究TN与IT系统相互兼容的供电模式。[32]
（4）船电与岸电间的无缝切换。为实现船电与岸电的无缝衔接，需要船上安装有一套自动并车装置。该装置检测船电和岸电的频率、相位以及电压信号，当三者的误差均在一定范围内时，将岸电电源并网到船舶电力系统，最后停止使用船用副机发电。当船舶离港时，自动并车装置控制船舶副机并网，然后断开岸电电源。自动并车装置的关键技术是实现船舶副机发电与岸电电源的同步，以减小并网时的冲击电流。[19，23]
（5）电缆管理和快速连接。
考虑港口作业效率和船期等方面的要求，船舶连接岸电时往往需要很迅速，这就需要高效的电缆管理方式，如设计移动式的码头恒张力电缆卷筒或采用快速接头实现电缆的快速连接等。[33]
6结论
当前，大气污染是世界各国面临的严峻环境问题，港口城市形势尤其严峻，其大气污染物排放总量居高不下，防治工作受到各国政府的高度重视。随着《中华人民共和国大气污染防治法》在2016年1月开始施行，我国开始对大气污染排放进行严格管控。
在此背景下，推广使用岸电技术成为港口城市大气防污染的重要和有效手段。本文对船舶岸电系统的应用现状、组成、基本原理、电源配置、技术规范等进行了总结，并简要讨论涉及到的技术难点，以期为岸电系统的应用起到积极的推广和推动作用。
参考文献：
[1]SCIBERRAS E A， ZAHAWI B， ATKINSON D J. Electrical characteristics of cold ironing energy supply for berthed ships[J]. Transportation Research Part D， 2015， 39： 3143.
[2]丁越峰. 上海港岸电系统应用现状和前景分析[J]. 城市公用事业， 2013， 27（5）： 3838. DOI： 10.16487/j.cnki.issn20957491.2013.05.011.
[3]PROUSALIDIS J， ANTONOPOULOS G， PATSIOS C， et al. Green shipping in emission controlled areas： combining smart grids and cold ironing[C]//Proceeding of 2014 International Conference on Electrical Machines. Berlin， 2014： 22992305.
[4]ABB中国. ABB支持瑞典哥德堡港实现岸对船供电[EB/OL]. （20100701）[20161016]. http：//www.abb.com/cawp/seitp202/2D07D9270811F780482577530010 DD53.aspx.
[5]LUO N， ZHANG X. Design discharge equipment for cold ironing power cable[C]//Proceeding of 2011 IEEE Power Engineering and Automation Conference. Wuhan， 2011： 185188.
[6]田鑫， 杨柳， 才志远， 等. 船用岸电技术国内外发展综述[J]. 智能电网， 2014， 2（11）： 914.
[7]中国水运网. 印度港口提供首个岸电解决方案[EB/OL]. （20160921）[20161016]. http：//www.zgsyb.com/html/content/201609/21/content_593751.shtml.
[8]王金旺. 船舶岸电技术应用研究[D]. 保定： 华北电力大学， 2015.
[9]俞晓. 到港船舶使用岸电的环境效益和经济效益研究[D]. 上海： 复旦大学， 2013.
[10]陈彦. 神华46 000 t散货船船载高压岸电系统简述[J]. 上海船舶运输科学研究所学报， 2014， 37（1）： 3134.
[11]河北远洋运输集团股份有限公司. “富强中国”轮使用岸電项目[J]. 交通节能与环保， 2013（4）： 1520. DOI： 10.3969/j.issn.16736478.2013. 04.003.
[12]潘伟明. 淮安新港船舶接用岸电技术研究[J]. 科技创新与应用， 2014（28）： 1516.
[13]田君. 江苏句容电厂码头工程船舶岸电系统设计[J]. 武汉勘察设计， 2014（5）： 4346.
[14]中国水运网. 江苏泗洪首个岸电入河工程建成投运[EB/OL]. （20150721）[20161016]. http：//www.zgsyb.com/html/content/201507/21/content_308633.shtml.
[15]中国水运网. 重庆首个智能港口岸电系统在朝天门码头正式投用[EB/OL]. （20160121）[20161016]. http：//www.zgsyb.com/html/content/201601/21/ content_327594.shtml.
[16]中国水运网. 上海洋山港成功向大型集装箱船供与连港研发的绿色岸电[EB/OL]. （20160928）[20161016]. http：//www.zgsyb.com/html/content/201609/28/ content_595174.shtml.
[17]中国水运网. 国内首个船用岸电示范项目获CCS入级证书[EB/OL]. （20160929）[20161016]. http：//www.zgsyb.com/html/content/201609/29/ content_595660.shtml.
[18]中国水运网. 国内首个船用岸电示范项目获“身份证”[EB/OL]. （20160922）[20161016]. http：//www.zgsyb.com/html/content/201609/22/content_594266.shtml.
[19]崔亚欣， 孙永涛. 高压岸电上船及其关键技术研究[J]. 港口装卸， 2012（1）： 2831.
[20]PAUL D， PETERSON K， CHAVDARIAN P R. Designing cold ironing power systems[J]. IEEE Industry Applications Magazine， 2014， 5： 2432.
[21]吴振飞， 叶小松， 邢鸣. 浅谈船舶岸电关键技术[J]. 建筑电气， 2013， 32（6）： 2260.
[22]张一禾. 我国现阶段船舶利用岸电问题探讨[J]. 中国水运， 2010（9）： 2223. DOI： 10.13646/j.cnki.421395/u.2010.09.025.
[23]刘洪波， 董志强， 林结庆. 码头船用岸电供电系统技术[J]. 水运工程， 2011（9）： 181229. DOI： 10.16233/j.cnki.issn10024972.2011.09.016.
[24]李曉光， 卜佩征. 基于双频电源技术的船舶岸电系统研究[J]. 智能电网， 2015， 3（8）： 726729. DOI： 10.14171/j.20955944.sg.2015.08.009.
[25]沈朗捷. 集装箱码头配备岸电设施选型[J]. 港口科技， 2015（7）： 2228.
[26]PETERSON K L， CHAVDARIAN P B， ISLAM M. State of shore power standards for ships[C]//Proceeding of 2007 IEEE Petroleum and Chemical Industry Technical Conference. Calgary， 2007： 16.
[27]曹穆， 王朝红. 舰船岸电接地问题分析[J]. 船舶工程， 2016， 38（S2）： 196199.
[28]赫伟建， 王妮妮， 彭传圣， 等. 在我国推广靠泊船舶使用岸电技术的建议[J]. 水运管理， 2015， 37（1）： 2527.
[29]孙永涛. 靠港船舶供岸电电源技术及自动并车系统研究[D]. 武汉： 武汉理工大学， 2012.
[30]郜克存. 海港岸电兆瓦级变流核心技术及应用[D]. 长沙： 湖南大学， 2012.
[31]何晓航. 60 Hz电子静止式岸电电源的研究[D]. 上海： 上海交通大学， 2010.
[32]李建科， 王金全， 金伟一， 等. 船舶岸电系统研究综述[J]. 船电技术， 2010， 30（10）： 1215. DOI： 10.13632/j.meee.2010.10.003.
[33]黄细霞， 包起帆， 葛中雄， 等. 典型港口岸电比较及对中国港口岸电的启示[J]. 交通节能与环保， 2009（4）： 25.
（编辑赵勉）
