分析SPS电子静止式岸电电源

核心提示：文章介绍了一种能为船舶与码头用电提供450V/60Hz的专用电源。 1 概述
国际通用的船舶与码头用电为450V/60Hz，当船舶靠岸后应停用船上用电，改用岸上供电，我国的电网供电为380V/50Hz,如直接供电会导致电机转速降低20%，力矩加大，电机发热，长期工作会将电机烧坏，因此需要将380V/50Hz供电变换为450V/60Hz.

SPS（Shore Power Supply）电子静止式岸电电源采用的是IGBT逆变及数字化技术。将电压380V频率50Hz的三相电能，转换为国外许多国家的船舶使用的电压450V频率60Hz的三相电能的大型供电设备，是修/造船行业、码头专用的特殊电源。

2 SPS设备工作原理（见图1）

（1）交流 电抗器：在三相电源输入端加装交流电抗器，防止谐波电流干扰。
（2）电子开关：电子开关可防止刚开始对滤波电容充电时所产生的大电流冲击，减轻对电网的影响。
（3）整流器：采用三相(IGBT)整流电路，将交流电整流后,输出纹波很低的直流电压。
（4）直流电抗器：直流电抗器作用是保持整流电流连续性，减小电流脉动值。
（5）直流滤波器：采用耐压与足够容量的电容器，平滑经电抗器输出的脉动直流电压，使其直流电压稳定。
（6）三相桥式逆变器：逆变器的工作方式是将直流电变换成交流电，整个变换过程由微处理器控制，当电网输入电压降低或负载电流增加时，PWM波（正弦脉宽调制）就会自动调宽，反之变窄，使输出电压保持稳定。
（7）校正电抗器：可以将逆变器输出的SPWM波形校正，滤掉逆变器产生的高次谐波分量。
（8）逆变输出变压器与输出滤波器:该逆变输出变压器是创统公司的专利产品,专利号为:01262317.2。将三相电压进行转换后再经过滤波电路将波形进一步校正后，输出正弦波电压。

3 SPS设备的单线图和原理框图

（1）SPS设备的主电路原理图（见图2）
（2）智能型模块化大功率岸电电源系统构成单线图（见图3）
（3）系统控制原理框图（见图4）

4 智能型模块化大功率岸电系统的并机

特点：两套800kVA系统组成1600kVA系统，平时可以两套系统单独使用，需要扩容时，两套800kVA系统并联成1600kVA使用。
（1）单机主回路拓扑图（见图5）
（2）并联控制原理框图（见图6）
（3）并机主回路拓扑图（见图7）

5 主要监测性能

（1）计量显示系统：在电源的输入端设有输入电压表、功率、电流显示表和输入电能表（可选），可连续记录用电量；在电源的输出端设有输出电压、电流、功率、功率因数、电能频率显示系统，可对电源的运行状态进行监测。
（2）保护系统：如输入欠电压保护、过电流保护、缺相保护、逆变器过热保护、电抗器和逆变变压器过热保护；输出电压过低过高保护、缺相保护、过载保护、短路保护、故障报警等多种保护功能。
（3）控制核心是能够实现高速运算的微处理器：精心设计的软件可保证系统达到最优的性能，控制单元采用FPGA、CPLD等大规模集成电路和表面焊接技术，使系统具有极高的可靠性。
（4）控制器与功率单元之间采用光电隔离通讯技术：使低压部分与高压部分安全隔离；同时应用了先进的电磁兼容技术，并具有很强的抗干扰能力。

6 SPS设备外形

（1）SPS-800 460/60（800kVA）岸电电源产品外形（见图8）
机柜尺寸：（宽×深×高）4580×854×2280mm
（2）SPS-1600 460/60（1600kVA）岸电电源产品外形（见图9）
机柜尺寸：（宽×深×高）9240×854×2280mm

7 SPS岸电电源的分类及技术指标（见表1）

SPS岸电电源的分类
（1）通用型（SPS 300kVA~SPS 1000kVA）
（2）智能型模块化大功率（SPS 800kVA~SPS 3000kVA）

8 智能化大功率模块化SPS岸电电源的技术特点

（1）功能强大
智能型模块化大功率岸电系统具有系统功率自由扩展功能，功率单元实现模块化。设备的大功率整流器、逆变器可由多个功率模块通过光纤并联驱动组成，系统最多可支持8个模块并联。设备的功率可自由扩展。电压级对应功率范围如下：
380V：200kW-1600kW(250kVA~2000kVA)
480V：250kW-2000kW(315kVA~2500kVA)
690V：300kW-2400kW(250kVA~1600kVA)
设备可以实现多种运行模式的自由组合，输入屏、整流屏、带上电缓冲逆变屏、逆变变压器屏、输出屏，屏的数量用户可根据负载量自由组合。
具有强大的冗余功能。系统冗余，多个整流逆变系统并联使用，可形成一主多从形式，无需另加扩展卡，无需更改任何硬件情况下，实现主从系统切换。
设备功率单元的冗余，如出现单个功率单元故障时，支持热退出，系统选择不故障，不会出现停机，只要降额使用，并且整流逆变单元结构相同。
设备并机增容快速简单，根据用户要求，如单台岸电电源不能满足符合需求时，可实行同容量的岸电电源并机供电无需增加硬件，只要将两台输出端并联，接通并联通讯线即可实现并机运行，最多并联的单机数量为4~6台。
设备具有完善的故障保护功能。单元模块自身具有40多种保护功能，系统具有50多种保护功能，主要的保护功能如下：上电对地短路、变频器过流、变频器过载、变频器过压、变频器过热、输入电压异常故障、通讯故障、电流检测故障、EEPROM故障、输入电压过低故障、电压偏差过大故障、上电缓冲故障、外部熔丝故障、外部电感过热故障、模块风扇故障、并联逻辑故障、上电过程故障等保护功能，便于快速诊断、排除故障点。
设备具备完善的后台监控功能，监控软件通过工业以太网，实现与整流或逆变单元的高速数据通信、实现快速示波器功能，故障前10s参数记录，功率参数的的实时更新，单元状态实时显示等功能，不仅可以同时监控同一网络众多台的各数据（电压、电流、频率、AI、AI、DO、PID、负载状态、通讯）波形，以方便系统调试与比较；也能同时监控系统中每一个模块的电流、温度等参数信息，通过高速以太网不间断波形跟踪记录，后台监控还具有黑匣子功能，记录故障前10s故障信息。
（2）性能优越
设备具有优异的闭环控制功能，实现负载从0~100%范围内，输出电压变化小于2%.
可以达到功率单元并联不均流度小于5%，多个整流、逆变系统并联不均流度小于5%.
可以丰富用户资源，设有强大的高速总线接口，有4种通信功能可同时使用，包括工业以太网，Profibus-DP、CAN和Modbus-RTU串口通信。
（3）安全可靠
设备同一系统中并联的功率单元全部采用光纤驱动控制，极大地提高了系统的抗电磁干扰能力。
（4）便于用户使用与维护
设备具有多次故障参数记录查询功能，记录系统4次故障参数，包括故障时频率指令，输出电压、输出电流、母线电压、散热器温度、DI、DO状态、故障时累计运行时间等，具备功能码修改查询功能，查询修改过的功能码（与出厂设置不一致的功能码）。实现功率单元模块化，结构采用抽屉式结构，方便现场安装、维修与拆卸。

9 SPS设备面板仪表、指示灯详细说明（见图10~12）

设备设有指针和数字两种仪表，人工操作按钮及红、绿两种颜色的指示灯。
具体设置为设备的面板设有指针式、数字式两套仪表，方便工作人员监控，数字仪表具备完善的后台监控功能，监控软件通过工业以太网，实现与整流或逆变单元的高速数据通信、实现快速示波器功能，故障前10s参数记录，功率参数的的实时更新，单元状态实时显示等功能，不仅可以同时监控同一网络众多台的各数据（电压、电流、频率、AI、AI、DO、PID、负载状态、通讯）波形，以方便系统调试与比较；也能同时监控系统中每一个模块的电流、温度等参数信息，通过高速以太网不间断波形跟踪记录，后台监控还具有黑匣子功能，记录故障前10s故障信息。

10 SPS设备户外移动式（见图13~14）

为方便将岸电电源放在室外，放在码头边、船上，并要求可移动。为此专门设计制作了移动式SPS岸电电源。箱体可吊装、可拖运。箱柜符合IP54要求，符合移动舱的标配要求。
用20寸或40寸集装箱改造而成，并作了防雨、防尘、全密封、保温，有隔热层等各种防护处置，有独立循环冷却系统；考虑到海边高温、潮湿的气候，箱体内装有大功率空调机，运输、移动、使用方便。

11 SPS与UPS改造而成的岸电电源的差别

由于专业知识的局限性，个别厂家的采购人员很容易与UPS(不间断电源)改造而成的 变频电源相混肴，下面注重谈一下这方面的差别。
（1）工作原理上的差别
UPS(不间断电源)是适应信息化时代而诞生、发展起来的电源产品。产品设计理念为不间断,负载设备为信息化产品（如计算机，通讯设备等）。其原理如图15所示。
当三相交流电源正常时(380V±15%),经整流变为直流电压,该直流电压与电池电压一并送入逆变器,经变换后产生交流电压,通过 转换开关接至负载；当三相交流电压故障时(包括超出380V±15%范围),便由电池提供电压替代整流器。当逆变器发生故障(包括负载过载)时,静态开关(SSW)自动转换至旁路(输入电源)状态,这时负载供电为输入电网电压。因为UPS输入电源频率电压与输出频率电压是相同的，所以允许转换至旁路状态，从而保证负载上得到不间断供电。当电网电源故障、电池故障或逆变器故障时，整个装置供电便停止。
SPS电源的原理如图16所示。从图中可知，UPS与SPS最大区别在于SPS没有旁路及转换开关，提供的电源是实实在在的450V/60Hz的电源。有些电源供应商将UPS电池去掉，将输出频率调整为60Hz，就作为岸电电源，实在是不负责任。如果有旁路存在，当发生旁路转换时，可能造成短路。同时会使负载上的电源由正常供电的450V/60Hz突变为380V/50Hz电源。这时整个系统都是采用了380V50Hz的电，起不了变频的功能。对船上的设备欺骗性的用电，有的设备可以运行，只是降低了性能，但是贵重仪器和重要设备就会损坏。万一造成损坏，要求赔偿，就失去安装变频电源的意义，到那时的损失就大了。
（2）技术性能指标区别（见表2）
以上几项主要性能指标,UPS电源是依据GB/T14715-93标准,而SPS电源是参考《钢质海船入级与建造规范》（2001）要求设计的产品实测数据与条件。从中可以看出，UPS与SPS的稳态、动态指标差别不大，但根本区别在于测试条件。
UPS是在线性（阻性）负载下进行，而SPS是在非线性负载下进行测试而得数据，尤其是动态指标，UPS如果在非线形负载下进行测试，突加100%非线形负载时，逆变器会立即关闭进入保护状态，而转入旁路输出；再就是负载能力，因为UPS设计理念是电子信息设备为主，对于非线性负载（如电动机），电源容量必须5倍于负载容量方可。
关于过载能力，UPS的逆变器允许120%过载1min，因为有旁路电源替代工作，设计功率余量是按标准限量的。而SPS逆变器功率余量是按110% 1小时运行设计的。而且允许50%负载下再启动总容量1/5的电动机。以一台630kVA（500kW）SPS产品为例，在250kW负载下可启动100kW电动机。
（3）负载性质不同，决定电源的控制算法不同
UPS电源负载对象是信息网络及通信设备为主，其电源系统传递函数及控制算法一般是PID调节器即比例积分控制系统即可满足。
船电设备负载以感性负载(电动机)为主要负载，所以其控制算法以空间矢量算法为主，加之无反馈模糊控制策略，从而实现适应船电负载能力。SPS电源是针对船电设备频率突加突卸非线性负载而设计，非一般电源可比及的。
以上是UPS与SPS几项主要指标的区别。由此可以得出，用UPS产品不能替代SPS用于船舶供电。所以，每台SPS出厂测试条件是在非线性负载（负载功率因数可以0.4~1可调）下动态进行。并由客户亲临现场与制造商技术人员一同进行测试，公司专为SPS岸电电源产品测试设置了水电阻击电抗器负载设备，验收合格方可发货。

12 如何选用450V/60Hz岸电电源

（1）修船用电与造船用电
修船与造船用电源虽然都是为船电设备供电,但使用状况还是有区别的。造船用的电源是造船分段时，设备安装前，对设备进行通电检测，一般不带负载。其目的是船上辅机工作时保证试车的成功率。所以应称为试车电源，采用可移动式比较适用。
而修船时用的电源就不同于造船。当船进坞后，辅机停车，一切电源靠岸上提供。包括生活用电、通信用电、动力用电等。其中动力用电因其负载性质为非线性，功率因数低、功率大，对电源要求必须适应非线性负载，满足突加大电流不故障（即重载型电源）。这其中可再细分为船坞用电和码头停靠用电。码头停靠待修船，一般情形下锚链机等大型电动机不工作。确需工作，岸电电源能力不足时，可用辅机供电。而坞修船由于辅机不能开车，而锚链机系统又必须启动。所以，修船大坞用电源，比之码头电源负载能力更强一些。当然制造成本略高一些，价格略贵一点。但需从长计议，值得投资。因坞修用电多，收回成本也快。
（2）使用场所与环境
应该说修造船行业工作环境是恶劣的。粉尘、盐雾、高湿、露天作业；修船工人的素质等。在这种大环境下，电子静止式岸电电源属计算机数字化控制的高科技产品。如何适应恶劣工作环境，使设备长期可靠工作。为此，创统公司技术人员从变压器的通风冷却设计，PCB板保护等许多方面，不断改进完善。目前，固定安装式及移动式产品已非常成熟。最早安装运行的至今已5年有余，仍保持无故障。
在此，各位工程师在规划电源系统时，应根据设计图纸，处理好防尘、通风降温等措施。如果是安放在箱体中更应注意防晒、防雨、通风等。
（3）分散与集中式供电模式
在我国，修造船企业一般规模较大，新建项目规模更大。一个中型修造船企业码头岸线长度约1000～2000m.从最早安装运行的岸电电源使用情况看，岸电最好供电半径不大于200m，这样电缆左右方向辅设150m至接电箱。一个泊位靠两帮船的时候，从接电箱至最外帮船的最终负载须约200m的电缆，整个线路长度在500m之内。当SPS电源的输出设定为465V时，终端负载上的电压为440V.线路压降约为20V，这样的布置比较合理。如果线路压降超过25V，当空载或轻载时，线路最近的负载设备电压就偏高太多。
所以，岸电电源的配置应根据码头岸线合理配置。300m岸线可配置1台630kVA岸电电源，为1~3条船供电。60Hz岸电电源的接电箱应从箱体颜色上加以区别。再喷涂永久性电压/频率标识，防止误接。另外，每只接电箱内设3～4路断路器，每路安装计量电表，一路备用。外加专用锁具，由专人接线管理。
综上所述，那种设想在一个千米岸线上，建一个大容量的电站中心，并留有空间，多台并机增大容量的设计，实践证明在修造船行业是不适应的。
（4）船坞用岸电电源
坞修是修造船行业的核心部分，进坞船只一切能源供应来自岸上。因此，为坞修期的船电供电是其重要部分。所以选用可靠稳定的电源系统是确保坞修周期的重要环节。
首先，为船坞配置的电源，其容量应大于码头岸电。因为坞修船除生活用电外，锚链机等动力部分也需供电。一般30万吨坞，当停靠一艘25~30万吨级船舶时，生活用电约为250~300kW，这时如果启动一台90~120kW锚机，所需电流会从400A突增至1500A以上。持续时间约3s.因此，为大坞配置的岸电电源应为重载型，其容量不低于630kVA.