摘 要

海洋船舶在港口码头停泊期间，出于照明、通风、冷却、加热、通讯、装卸的需要，会使用燃烧劣质燃料的辅助柴油发动机为其供电。劣质燃料的燃烧会产生大量的污染物，其中主要包括一氧化碳、硫氧化物、氮氧化物、具有挥发性的有机化合物、臭氧和颗粒物等等。这些排放物不仅会污染环境，还会导致一些健康疾病的发生。船舶岸电技术的出现很好的解决了这一问题，船舶在港口或者码头停靠期间关闭所有用于自身供电的柴油发电机，并由港口的岸电电源向其供电的过程称为岸电。

由于我国电网的标准电压和频率与大多数国外的标准相差甚远，因此在使用船舶岸电电源向外来船舶供电时需要将我国380V/50Hz的交流电通过岸电电源的变流器系统转换为440V/60Hz的交流电。船舶岸电电源系统中的变流系统是船舶岸电的核心部分，选取合适的控制策略对其进行控制就尤为重要。

本文主要针对船舶岸电电源变流系统中整流器部分，对船舶岸电整流系统的电路结构进行分析、研究其工作原理、并在三相静止坐标系下建立船舶岸电整流系统的数学模型，然后通过Park变换和Clark变换建立船舶岸整流系统在两相静止坐标系和两相同步旋转坐标系下的数学模型。最后通过前馈解耦策略对船舶岸电整流系统的电流内环和电压外环进行比例积分控制，并利用MATLAB中的Simulink平台对船舶岸电整流系统进行仿真模拟，验证控制策略的正确性。

关键词：港口船舶岸电；整流系统；MATLAB仿真

Abstract

During berthing at harbour terminals, marine ships will use auxiliary diesel engines burning inferior fuels to supply power for lighting, ventilation, cooling, heating, communication and loading and unloading. Combustion of inferior fuels produces a large number of pollutants, including carbon monoxide, nitrogen oxides, sulfur oxides, volatile organic compounds, ozone and particulate matter. These emissions not only pollute the environment, but also lead to some dangerous health diseases. The emergence of ship shore power technology has solved this problem very well. The process of turning off all diesel generators and supplying power to them by the shore power supply of the port is called shore power.

Because the standard voltage and frequency of China's power grid are far from those of most foreign countries, it is necessary to convert 380V/50Hz AC power to 440V/60Hz AC power when using shore power supply to supply power to foreign ships. The converter system of ship shoreline electric energy is the core part of ship shoreline electric power, so it is very important to select appropriate control strategy to control it.

This paper mainly focuses on the rectifier part of the marine shore power supply converter system. The circuit structure of the rectifier is analyzed, its working principle is studied, and the mathematical model of the rectifier is established in the three-phase static coordinate system. Then the mathematical model of the rectifier in the two-phase static coordinate system and the two-phase synchronous rotating coordinate system is established by Park transformation and Clark transformation. Proportional integral control is applied to the inner current loop and the outer voltage loop of the converter by feedforward decoupling strategy. Simulink in MATLAB is used to simulate the rectifier system to verify the correctness of the control strategy.

Key Words：Ship shore power；Rectifier system；MATLAB simulation

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究的背景和意义 1

1.2国内外研究和发展现状 2

1.2.1 船舶岸电系统国内研究和发展现状 2

1.2.2 船舶岸电系统国外研究和发展现状 3

1.2.3 船舶岸电整流系统控制策略的研究现状 3

1.3 本文研究内容和结构安排 4

第2章 船舶岸电整流系统拓结构 5

2.1 船舶岸电系统的结构 5

2.1.1 船舶岸电电源系统结构 5

2.1.2 变流系统拓扑结构 6

2.2 船舶岸电整流系统拓扑结构 7

2.3 本章小结 8

第3章 船舶岸电整流系统数学模型 9

3.1 基础数学模型 9

3.2 坐标变换 11

3.2.1 Clark变换 11

3.2.2 Park变换 13

3.3 本章小结 15

第4章 船舶岸电整流系统的控制 16

4.1 前馈解耦策略 16

4.2 船舶岸电整流系统电流内环控制器设计 17

4.3 船舶岸电整流系统电压外环设计 18

4.4 本章小结 22

第5章 船舶岸电整流系统的仿真 23

5.1 仿真参数 23

5.2 仿真模型和结果 23

5.2.1 仿真模型 23

5.2.2 仿真结果及分析 25

5.3 本章小结 27

第6章 总结和展望 28

6.1 总结 28

6.2 展望 28

参考文献 30

致 谢 31

绪论

1.1 研究的背景和意义

随着经济的发展，我国的进出口贸易愈加频繁，港口作为水路和陆路交通运输的枢纽与聚集点，已经成为综合物流中心，是贸易运输中不可缺少的重要组成部分^[1]。作为全球进出口贸易最多的几个航运国之一，我国的进出口贸易很大程度上依赖于海运，而且我国还拥有吞吐量位居世界前列的几个大型港口。放眼全球，几乎超过90%的贸易运输是通过海洋运输完成，海洋运输对世界经济和贸易的发展起着至关重要的作用，而且与2019年相比，2025年海运将增长两倍^[2]。然而，在经济飞速发展的同时，我们仍面临着一些急需解决的问题如对化石燃料的依赖、温室气体（GHG）排放量的持续增加以及一些技术问题。

国际海事组织根据最新的海洋污染检测报告预测，如果不采取一些必要的措施来减少排放和提高能源利用率，到2050年底，海上二氧化碳排放量的增长将达到250%，其中将近10多亿吨的二氧化碳排放来自船舶^[3]。船舶排放到空气中二氧化碳的主要来源是船舶的主发动机、辅助发动机和锅炉。此外，国际航运还会产生一些其他类型的排放，如一氧化碳（CO）、硫氧化物（SOx）、氮氧化物（NOx）、具有挥发性的有机化合物（VOC）、臭氧（O₃）和颗粒物（PM）等。这些排放物不仅会造成海港地区的空气污染和环境破环，还会导致一些危险的健康疾病，包括哮喘、肺癌、心脏病发作、胸部感染和其他一些严重的呼吸道疾病^[4]。欧洲、东亚和南亚沿海地区每年约有60000人死于这些疾病。因此，急切需要采取相应措施，减少污染物的排放，避免空气污染，为人们，特别是港口城市的人们，创造一个健康的生存环境。

船舶岸电技术的出现很好的减缓了船舶在港口停靠期间因使用辅助柴油发电机所产生的废弃物的排放。船舶岸电技术是指到港船舶在港口或码头停泊期间，关闭用于照明、通风、冷却、加热、通讯、装卸需要的辅助发电机，而由港口提供的岸电电源向其供电^[5]。这一措施不仅极大的减少了对港口城市污染物的排放，还提高整体的能量利用效率，对加快我国“资源节约型”和“环境友好型”社会的建设有着极大帮助。我国相对其他国家而言，在港口船舶岸电技术的研发和实施方面起步较晚，而且不同港口对船舶岸电的需求程度也不尽相同，但都会面临一个相同的问题，即由于我国电网的标准电压和频率与大多数国外的标准相差甚远，因此在使用船舶岸电电源向外来船舶供电时需要将我国380V/50Hz的交流电通过岸电电源的变流器系统转换为440V/60Hz的交流电^[6]。船舶岸电电源系统中的变流系统是船舶岸电的核心部分，因此对船舶岸电的变流系统的研究就显得尤为重要，本文主要针对船舶岸电整流系统的控制策略进行研究，寻求合适的控制策略并通过MATLAB/Simulink仿真模拟验证其控制策略的正确性。

1.2国内外研究和发展现状

1.2.1 船舶岸电系统国内研究和发展现状

我国对于船舶岸电方面的研究和实施相对国外都起步较晚，仍然处于初始阶段。自2008年至今，我国已在国内多个港口和码头开展了船舶岸电项目的试点工作，目前也取得了一些进展^[7]。

2010年，位于江苏的连云港，第一次建成用于低压船舶的岸电系统，自该船用岸电系统建成并投入使用以来，多次成功应用于到港低压船舶上面，并且随着技术的革新，连云港对低压船用岸电的使用越来越成熟。该技术的使用不仅加快了港区经济的建设还极大的极少了港区污染物的排放 ^[8]。该港口船用岸电系统选取的变频方式的是高压到低压的制式，采用这种方式仅仅只需使用一根高压电缆上船，就可以实现连续不断供电的目的。整个系统的总容量为2MVA，输出电压和频率为6.6KV/50Hz以及6.6KV/60Hz。另外，该船舶岸电系统的组成从岸上到用电船舶依次为：港区陆地上的高压变频电源系统和高压接线箱以及位于船舶上的船载变电站和高压电缆卷筒^[9]。2010年6月，上海外高桥二期港区通过在多个码头安装可移动的变频变压设备，实现了向国内和国外不同频率船舶同时供电的目的。该变压变频设备的使用进一步加快了上海高桥二期港区的建设，加快了国际航运的发展。

2011年，黄骅港在其港区的多个泊位和码头安装了船舶岸电系统。该船舶岸电系统可以提供大约2MVA的供电容量，可以满足60KV和50Hz的电压和频率的输出。自从黄骅港投入使用该船舶岸电系统以来，平均每艘船舶通过使用港区的岸电系统供电相较于使用船舶自带的柴油发电机供电可以节省上万元的费用^[10]。同一年，河北的远洋运输集团首次在“富强中国”号开始岸电项目的改造计划。位于船上的岸电设备采用了“高压变频数字化船用岸电系统”，该系统是由连云港集团和河北的远洋运输集团共同开发完成的，经过改造后的船舶岸电系统可以将港区高压低频的交流电转换成港口船舶能够使用的低压高频的交流电，整个过程是通过高压电缆连接位于岸侧的高压接电箱和船上的变压器完成电压和频率的转换，该岸电的使用同样减少了到港船燃油的使用和污染物的排放 ^[11]。

2014年，江苏泗洪码头建成了第一个船舶岸电入河项目，并正式开始投入运营，该岸电项目实现了岸电电源系统同时向多艘到港停靠船舶供电的壮举 ^[12]。同一年，重庆朝的朝天码头正式投入使用了首个智能港口岸电系统 ^[13]。2016年， 上海洋山港正式投入使用其与连云港合作研发的船舶岸电系统，该船舶岸电系统的投入使用减少了大量到港船舶劣质燃料的燃烧所导致的碳排放。

1.2.2 船舶岸电系统国外研究和发展现状

相对国内，国外对于船舶岸电技术的研究起步较早，而且在实际应用方面也较为成熟。

瑞典的戈德堡港是世界上最先开始投入使用船舶岸电系统的几个港口之一。2000年，戈德堡港开始投入使用全球第一套船舶岸电系统，这一措施的实行不仅使戈德堡港获得了由欧盟颁发的“清洁海运奖”，还有利于减低戈德堡港停泊船舶所产生的噪声污染和和劣质燃料燃烧所造成的废弃物的排放。2011年，戈德堡港投入使用了一套可以称得上全球最大规模的船舶岸电系统，该船舶岸电系统实现了高压双频供电的技术 ^[14]。

2003年，位于美国阿拉斯加州的朱诺港正式投入使用船舶岸电系统。该措施大大的减少了硫化物、氮化物和颗粒物的排放。2004年，美国洛杉矶港采用船舶岸电技术向港口停靠的低压船舶供电后，到港船舶对化石燃料的使用极大的降低，从而使得港区污染物的排放量有了显著的减少^[15]。

2011年，美国洛杉矶港成功装备了6.6kV和11kV的高压岸电系统，该船舶岸电系统平均可以为每艘到港船舶提供15MW左右的电力，其总的供电容量达到了约30MVA。同一年，纽约的布鲁克林码头也完成了船舶岸电系统的建设，并正式将其投入使用。根据当地港口环境管理部门的研究发现，自从船舶岸电设施投入使用以来，布鲁克林码头每年的碳化物、硫化物、具有挥发性的有机物的以及其他各种污染物的排放量降低至原来的一半左右。

1.2.3 船舶岸电整流系统控制策略的研究现状

国内外对于船舶岸电整流系统的研究已经趋于成熟，并且形成了各自相对完整的理论体系。目前针对船舶岸电整流系统常用的控制策略有两种分别是针对电流的控制策略和直接功率控制法。

（1）直接功率控制法。该策略就是直接对船舶岸电整流系统的交流侧的有功功率和无功功率进行控制。直接功率控制法一般应用在对于整个系统的控制精度的要求不是特别高的情况下，因为如果采用直接功率控制法系统的控制结构较为简单，所以这种这种方法易于实现，但是这种控制方法一个较大的缺点就是，系统的动态性能较差，当系统出现扰动时，没有办法很好的调节，所以这种方法不适用于一些对动态性能要求较高的系统。

（2）针对电流的控制策略。该控制策略是对船舶岸电整流系统交流侧电流进行控制。该策略的实现方式又分为两种，一种是直接电流控制，另一种是间接电流控制。前一种控制方式是通过对船舶岸电整流系统直流侧电流的实际值和给定值进行比较后给出控制信号直接对船舶岸电整流系统交流侧的电流进行控制。第二种控制方式是通过控制船舶岸电整流系统交流侧电压值从而间接实现对船舶岸电整流系统交流侧电流的控制。直接电流控制相对于间电流接控制，实现起来较为简单，而且系统具有更好的稳定性和动态性能，所以本文采用的是直接电流控制策略对船舶岸电整流系统进研究。

1.3 本文研究内容和结构安排

本文主要针对船舶岸电电源变流器中的整流系统进行研究，分析变流器中整流系统的拓扑结构结构，并结合基尔霍夫定律、坐标变换公式建立其数学模型，然后结合解耦控制策略在MATLAB/Simulink下进行仿真分析。本文具体结构框架如下。

第1章，本章主要介绍船舶岸电系统的研究背景、目的及意义和国内外的研究和发展现状。

第2章，本章主要对船舶岸电电源部分的变流器系统的拓扑结构进行分析，并将船舶岸电变流系统作为负载进行结构简化，最后给出船舶岸电整流系统的拓扑结构图。

第3章，本章主要对船舶岸电的整流系统建立数学模型，并进行相应的坐标变换得到整流系统在两相静止坐标系和两相同步旋转坐标系下的数学模型。

第4章，本章主要结合前馈解耦控制策略得到船舶岸电整流系统完全解耦后的数学模型，并对船舶岸电整流系统的电流内环和电压外环进行比例积分控制的参数设计。

第5章，本章主要对船舶岸电整流系统运用MATLAB/Simulink进行仿真分析，验证控制策略的正确性。

第6章，本章主要总结全文，并做出展望。

第2章 船舶岸电整流系统拓结构

2.1 船舶岸电系统的结构

港口船舶岸电系统是一个大型且结构复杂的系统，不同的港口船舶岸电系统的配置形式也不一样，但基本都是由岸上的供电系统、电缆的连接设备和船舶的受电系统这三个大的部分组成，每个部分的具体结构和功能如下。

（1）岸上的供电系统（岸电电源系统）：岸上的供电系统也可以称作是岸电电源系统，船舶岸电电源系统的结构如图2.1所示。从图中可以看出其功能包含有整流、变压、变频、滤波以及隔离等，最终目的是将稳定的电力传输给船舶附近的连接点。

（2）电缆的连接设备：该设备主要的主要功能是用于连接岸上的连接点和受电船舶，该装置具有存储方便和连接快速的特点，无需使用时可以直接存储在船上或者岸上。

（3）船舶的受电系统：船舶的受电系统主要包括一些为了连接岸电电源而另外配置的电力设备，例如船舶绞车、变压器以及其他相关的电器管理设备等。

2.1.1 船舶岸电电源系统结构

船舶岸电电源系统主要包括以下几个组成部分：整流变压器、变流器、正弦滤波器、输出隔离变压器和无功功率补偿装置等，船舶岸电电源系统的组成部分如图2.1所示。

图2.1 船舶岸电电源系统

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