試論靜止無功補(bǔ)償裝置在港口供電系統(tǒng)的應(yīng)用

摘 要：本文結(jié)合筆者多年來的從業(yè)經(jīng)驗，就港口的供電現(xiàn)狀進(jìn)行闡述，通常情況下港口的用電負(fù)荷屬于典型的諧波源，嚴(yán)重影響著港口供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量。通過對現(xiàn)狀的分析提出了基于靜止無功補(bǔ)償裝置（SVG）的電能質(zhì)量治理方案， SVG是基于柔性交流輸電技術(shù)的新一代無功補(bǔ)償及諧波治理裝置，在滿足港口負(fù)荷無功需求的同時，不增加額外的硬件，同時可實現(xiàn)有源濾波的效果，是港口改善電能質(zhì)量的最佳解決方案，以供同類工程參考與借鑒。

關(guān)鍵詞：港口供電系統(tǒng) 柔性交流輸電技術(shù) 電能質(zhì)量 無功功率 諧波 靜止無功發(fā)生器

中圖分類號：TM761 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）04（a）-0136-02

在電力系統(tǒng)中，各個節(jié)點無功功率的平衡情況會直接影響到該節(jié)點的電壓水平。目前在電力系統(tǒng)運行過程中使用的很多設(shè)備都可以實現(xiàn)無功功率的頻繁變化，例如常見的電氣化鐵道以及軋鋼機(jī)等。與此同時在電力系統(tǒng)中由于存在很多精密設(shè)備，對電壓的穩(wěn)定性提出了更高的要求，例如計算機(jī)等。所以系統(tǒng)的無功功率補(bǔ)償成為了電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行過程中亟需解決的一個重要問題。

通常我們使用的無功功率補(bǔ)償設(shè)備主要包括同步發(fā)電機(jī)、調(diào)相機(jī)以及并聯(lián)電容器等，但是在一些太大或者太小的無功功率補(bǔ)償過程中，使用同步發(fā)電機(jī)或調(diào)相機(jī)并不是特別合適，而且這些設(shè)備屬于一種旋轉(zhuǎn)設(shè)備，會產(chǎn)生較大的損耗以及噪聲問題；另外并聯(lián)電容器阻抗是保持固定不變的，無法對負(fù)荷無功功率的變化進(jìn)行實時跟蹤，所以這些傳統(tǒng)設(shè)備都已經(jīng)無法繼續(xù)為電力系統(tǒng)的發(fā)展提供必要的支持了。

本文所述的靜止無功補(bǔ)償主要是指通過采用不同的靜止開關(guān)對電容器以及電抗器等進(jìn)行投切，能夠使其獲得吸收和發(fā)出無功電流的功能，進(jìn)一步增加功率因數(shù)，確保電力系統(tǒng)的電壓具有更好的穩(wěn)定性，從而避免系統(tǒng)發(fā)生振蕩問題。到目前為止常用的靜止開關(guān)主要包括斷路器開關(guān)以及電力電子開關(guān)這兩種。其中斷路器開關(guān)作為接觸器，其開關(guān)時間大約會持續(xù)10～30 s，速度較慢，無法對負(fù)載無功功率的變化情況進(jìn)行及時的跟蹤，在投切電容器時很容易造成較大的沖擊涌流以及操作過電壓現(xiàn)象，導(dǎo)致接觸電發(fā)生燒焊，使得補(bǔ)償電容器內(nèi)部遭到擊穿，承受過大的應(yīng)力，增加了維修量。

隨著電力電子技術(shù)水平的不斷提高，使得其廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，逐漸出現(xiàn)了交流無觸點開關(guān)GTO、SCR以及GTR等，這些開關(guān)在進(jìn)行投切的過程中持續(xù)時間僅為10μs，相比于過去提高了大約500倍，不管是什么系統(tǒng)參數(shù)，無功補(bǔ)償都能夠在一個周波內(nèi)全部完成，同時還可以實現(xiàn)單相調(diào)節(jié)功能。目前我們所采用的靜止無功補(bǔ)償裝置通常是指采用晶閘管制作而成的無功補(bǔ)償設(shè)備，主要包括下述三個類型：首先一種是在靜止無功補(bǔ)償裝置當(dāng)中包含有飽和電抗器，其次是通過利用晶閘管來對電抗器進(jìn)行控制或者對電容器進(jìn)行投切，我們將其稱之為SVC，最后則是高級靜止無功發(fā)生器，簡稱為ASVG，該裝置主要采用自換相變流技術(shù)。

1 現(xiàn)階段港口供電系統(tǒng)的運行情況

港口供電系統(tǒng)會消費大量的電力。隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)水平取得了非常大的提高，在港口建設(shè)中逐漸采用了更多的電力裝卸機(jī)械以及電力電子裝置等，但是由于這些設(shè)備在運行的過程中需要吸收大量沖擊性無功功率，導(dǎo)致功率因數(shù)過低，甚至?xí)斐呻妷翰▌右约伴W變等現(xiàn)象，而且電力電子設(shè)備會帶來一定的諧波污染，導(dǎo)致港口供電電網(wǎng)波形發(fā)生變形問題，進(jìn)一步惡化了供電質(zhì)量，直接影響到了電能的質(zhì)量。另外在港口建設(shè)中還對節(jié)能減排工作提出了更多的要求：港口建設(shè)以及運行的相關(guān)部門和企業(yè)一定要有明確的政治責(zé)任感，將節(jié)能減排工作放在港口建設(shè)中的重要地位。通過加強(qiáng)部門的組織領(lǐng)導(dǎo)力度，認(rèn)真貫徹落實與節(jié)能減排相關(guān)的方針政策。在對港區(qū)電網(wǎng)進(jìn)行改造的過程中，還需要積極與供電部門相配合，通過采用新技術(shù)，盡可能的避免高次諧波造成的附加損耗，進(jìn)一步確保港口的供電質(zhì)量。

為了提高港口供電質(zhì)量水平，確保供電的可靠性，通常會采用磁控電抗器、晶閘管投切電容器以及控制電抗器等傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償設(shè)備，然后再在LC濾波器的基礎(chǔ)上降低諧波畸變對供電系統(tǒng)造成的影響，但是這些設(shè)備由于響應(yīng)速度較慢、無法切實解決過補(bǔ)以及欠補(bǔ)的問題、很容易造成諧波進(jìn)一步放大的問題，所以，在港口無功補(bǔ)償中通過采用靜止無功補(bǔ)償裝置（SVG），可以進(jìn)一步治理諧波問題，是目前港口供電系統(tǒng)為了提高電能質(zhì)量采取的一個最佳方案。

在港口電力系統(tǒng)運行中會出現(xiàn)大量感性負(fù)荷問題，很多電動裝卸機(jī)械會發(fā)生較大的負(fù)荷變化以及速度變化，在短時間內(nèi)承受過大的負(fù)載，是一種無功沖擊性負(fù)載現(xiàn)象，由此會導(dǎo)致其功率因數(shù)大幅度降低，無功補(bǔ)償無法達(dá)到0.7，在進(jìn)行考核時無法達(dá)到電業(yè)部門的相關(guān)考核規(guī)定，常常遭受一定的罰款。

除此之外，在港口供電系統(tǒng)所使用的大型裝卸機(jī)械電氣傳動裝置中，一般都會選擇晶閘管整流直流調(diào)速設(shè)備以及交流變頻調(diào)速設(shè)備，屬于一種非線性負(fù)荷，能夠不斷的向電力系統(tǒng)當(dāng)中注入諧波，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓以及電流波形發(fā)生畸變問題，變壓器熱量上升，進(jìn)一步加大了電路的損耗，最終對通訊設(shè)備的正常運行造成一定的影響。另外由于電能質(zhì)量水平的不斷降低，對各種設(shè)備的安全運行產(chǎn)生較大的威脅。因此根據(jù)港口供電系統(tǒng)電力負(fù)荷的主要特點，主要通過采用無功功率補(bǔ)償以及諧波質(zhì)量裝置，加大功率因數(shù)，對諧波進(jìn)行有效的治理，滿足電業(yè)部門的考核標(biāo)準(zhǔn)，有效降低了電網(wǎng)中產(chǎn)生的諧波污染，確保了供電質(zhì)量。

2 在對港口供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量進(jìn)行治理時采取的主要方案

通過使用SVG動態(tài)無功補(bǔ)償裝置，能夠有效的抑制諧波，確保供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，實時跟蹤港口負(fù)荷發(fā)生的變化，有效實現(xiàn)動態(tài)補(bǔ)償功能，彌補(bǔ)傳統(tǒng)補(bǔ)償裝置在運行中的不足之處，提高功率因數(shù)，避免線損，降低能源消耗；另外諧波動態(tài)補(bǔ)償還可以提高電能的質(zhì)量，實現(xiàn)對輸電系統(tǒng)的控制，確保線路傳輸容量滿足相關(guān)要求；最后還可以有效維持負(fù)荷端電壓的穩(wěn)定性，并具有不對稱負(fù)荷平衡補(bǔ)償負(fù)荷的作用。

2.1 無功補(bǔ)償裝置的主要原理

在配電網(wǎng)的應(yīng)用當(dāng)中，無功補(bǔ)償裝置（SVG）屬于一種柔性交流輸電技術(shù)，是目前電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償技術(shù)的一個主要發(fā)展趨勢。SVG可以有效增大功率因數(shù)，避免發(fā)生三相不平衡問題，進(jìn)一步整治諧波污染，可以對電壓和無功功率進(jìn)行合理控制，確保供電系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行。

SVG的主要原理為：利用變壓器等將自換相橋式電路并聯(lián)于電網(wǎng)中，通過對橋式電路交流側(cè)輸出電壓具有的幅值以及相位等進(jìn)行合理的調(diào)節(jié)，或?qū)涣鱾?cè)電流進(jìn)行直接控制，確保該電路所吸收或發(fā)出的無功電流達(dá)到供電系統(tǒng)運行的要求，從而對無功功率進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償。

為了在大功率無功補(bǔ)償、中壓供電以及有源濾波等各個領(lǐng)域當(dāng)中充分發(fā)揮SVG的作用，目前所研究的一個熱門問題就是多電平功率變換電路。如圖1所示為電源及聯(lián)式多電平逆變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖，根據(jù)該圖我們可以知道，多電平變換電路運行的最主要原理就是通過把若干個兩電平電壓型逆變器相互串聯(lián)在一起，利用向量將各個變換器的實際輸出電壓進(jìn)行合成，以此來形成多電平波形，盡可能的趨近于正弦輸出電壓，此時電平數(shù)如果越多，就越能夠提高分辨率，輸出的電壓波形也會不斷的趨近于正弦波。

在級聯(lián)型多電平變換器當(dāng)中通常會采用三角載波移向PWM法，該方法的每個模塊中會由一個三角載波和一個正弦波相互比較之后會形成SPWM信號，在所有模塊當(dāng)中正弦波都是一樣的，不過某個模塊中的三角諧波和其相鄰模塊中的三角諧波當(dāng)中會存在一個相移，導(dǎo)致各個模塊里面SPWM脈沖也在相位上相互錯開，進(jìn)一步提高了等效開關(guān)的頻率，其中通過N單元級聯(lián)多電平逆變器輸出的SPWM波所具有的等效載波頻率具體為fec=2Nfc，能夠在不改變開關(guān)頻率的前提下降低輸出諧波。圖1為其具體控制原理示意圖。

在和傳統(tǒng)無功補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行對比的過程中可以發(fā)現(xiàn)，SVG能夠運行于各種條件下。而傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償裝置則會受到運行環(huán)境的極大影響，如果諧波以及負(fù)序等情況非常嚴(yán)重，甚至?xí)霈F(xiàn)裝置無法運行的情況。而SVG可以在各種運行條件下進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，加快了響應(yīng)速度，在運行的過程中降低了諧波污染，有效消除電壓閃變等問題，進(jìn)一步改善了電能的質(zhì)量，減少了能源的消耗，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 通過采用SVG實現(xiàn)無功補(bǔ)償

為了提高港口供電質(zhì)量水平，確保供電的可靠性，通常會采用磁控電抗器、晶閘管投切電容器以及控制電抗器等傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償設(shè)備，然后再在LC濾波器的基礎(chǔ)上降低諧波畸變對供電系統(tǒng)造成的影響。而對于SVG來說其優(yōu)勢更加明顯，為了有效解決配電網(wǎng)動態(tài)無功補(bǔ)償問題，本研究中主要采用了SVG這一方案。

2.3 通過采用SVG對諧波進(jìn)行治理

在港口用電負(fù)荷中引起的高頻諧波電流會產(chǎn)生很多麻煩，例如會導(dǎo)致控制以及測量等系統(tǒng)所具有的功能發(fā)生異常，對通訊網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生干擾以及加大變壓器等的附加熱損耗等。

在治理諧波的過程中如果采用LC無源濾波裝置會引起較多問題，例如響應(yīng)速度較慢，不能動態(tài)跟蹤諧波進(jìn)行補(bǔ)償，在補(bǔ)償諧波的過程中會產(chǎn)生多余的無功，相關(guān)參數(shù)的穩(wěn)定性較差，很容易引起失諧問題。

針對港口區(qū)域供電系統(tǒng)中電網(wǎng)諧波現(xiàn)狀，可以通過有源濾波技術(shù)進(jìn)行諧波的治理。為現(xiàn)階段應(yīng)用于某港口項目中對電壓、電流、負(fù)荷電流以及SVG補(bǔ)償電流的實際情況。從圖中可以看出由于受到諧波的影響，負(fù)荷側(cè)電流出現(xiàn)了嚴(yán)重的畸變，SVG通過向供電系統(tǒng)當(dāng)中注入方向相反、大小相同的分量，在與諧波分量進(jìn)行疊加之后，可以確保系統(tǒng)電流為完美的正弦波。另外SVG裝置不需要再繼續(xù)增加額外硬件就可以充分實現(xiàn)有源濾波，對于港口供電系統(tǒng)當(dāng)中既要進(jìn)行無功補(bǔ)償又要有效治理諧波的處理中有著重要的意義。

3 結(jié)論

（1）在港口供電系統(tǒng)運行中產(chǎn)生用電負(fù)荷屬于一種較為典型的沖擊無功及諧波源，相對于其他企業(yè)來說，其功率因數(shù)相對較低，諧波污染較為嚴(yán)重。（2）SVG裝置不僅可以滿足供電系統(tǒng)的無功需求，還具有有源濾波的作用，是現(xiàn)階段港口供電系統(tǒng)提高電能質(zhì)量水平的一個最合理的整治方案。

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