高壓APF-SVG在洋山四期工程中的應(yīng)用實(shí)例

朱挺松，姜建國

（ 上海交通大學(xué)，上海 200240 ）

0 引言

洋山四期工程是上海港全力打造的首座超大規(guī)模、技術(shù)最先進(jìn)的全自動(dòng)化集裝箱港區(qū)，對(duì)于推動(dòng)上海港技術(shù)升級(jí)換代、綜合服務(wù)能級(jí)提升和上海國際航運(yùn)中心的發(fā)展具有重要意義。港區(qū)采用國際最新一代自動(dòng)化集裝箱裝卸設(shè)備，部分變電所供電設(shè)備數(shù)量較多，作業(yè)時(shí)產(chǎn)生極大的沖擊負(fù)荷且諧波疊加后超標(biāo)幾率較高，對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來不利影響，同時(shí)也增加了電能損耗，不利于港區(qū)的節(jié)能減排。

1 港區(qū)電網(wǎng)及用電設(shè)備特點(diǎn)

洋山四期工程采用國際最新一代自動(dòng)化集裝箱裝卸設(shè)備和一流的自動(dòng)化生產(chǎn)管理控制系統(tǒng)，港口作業(yè)采用“雙小車集裝箱裝卸橋＋自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車（AGV）＋自動(dòng)軌道式龍門起重機(jī)（ARMG）”裝卸工藝方案。

洋山深水港區(qū)由于地理位置特殊，遠(yuǎn)離供電電源，供配電系統(tǒng)采用長距離輸電方式與大電網(wǎng)連接，造成系統(tǒng)短路容量偏小，抗干擾能力弱[1]。同時(shí)，港區(qū)內(nèi)主要用電負(fù)荷為雙小車集裝箱裝卸橋、ARMG等，具有間歇性、沖擊性及隨機(jī)功率潮流的雙向性等特點(diǎn)，且這些用電設(shè)備驅(qū)動(dòng)裝置采用變頻調(diào)速裝置，向系統(tǒng)注入一定量的諧波，造成電網(wǎng)電壓和電流波形的畸變，從而導(dǎo)致線路損耗增加、設(shè)備容量利用率降低等不良現(xiàn)象。

雙小車集裝箱裝卸橋、ARMG均采用10kV供電，其設(shè)備總?cè)萘孔罱K可達(dá)281000kW，計(jì)算有功功率約77300kW，計(jì)算視在功率為83800kVA。其中：雙小車集裝箱裝卸橋裝機(jī)配置28臺(tái)，裝機(jī)容量3850kVA/臺(tái)的2臺(tái)，裝機(jī)容量3200kVA/臺(tái)的23臺(tái)，裝機(jī)容量2900kVA/臺(tái)的3臺(tái)；ARMG配置122臺(tái)，裝機(jī)容量900kVA/臺(tái)的41臺(tái)，裝機(jī)容量800kVA/臺(tái)的81臺(tái)。

2 變電所布置

根據(jù)總平面布置、裝卸設(shè)備及其他用電負(fù)荷分布情況、進(jìn)線電源電壓等級(jí)等多種因素，工程設(shè)一座10kV中心配電所（內(nèi)設(shè)七個(gè)10kV配電系統(tǒng)）、十六座10kV分變電所、一座箱式變電站、三座船舶岸電變電所。

同時(shí)，按照變電所接近負(fù)荷中心設(shè)置這一設(shè)計(jì)原則，結(jié)合工程實(shí)際，負(fù)責(zé)集裝箱裝卸橋和ARMG供電的變電所，其最佳位置應(yīng)是位于帶懸臂ARMG堆場(chǎng)南側(cè)的空地，不占用箱位，且靠近集裝箱裝卸橋、ARMG等大型機(jī)械的接電裝置，以減少供電線路投資。空地內(nèi)分別布置有五座變電所（1#～5#變電所），如圖1所示，每座變電所提供4～6臺(tái)集裝箱裝卸橋、24～26臺(tái)ARMG的10kV電源。

圖1 1#～5#變電所布置示意圖

雖然每臺(tái)集裝箱裝卸橋和ARMG都按要求設(shè)置了無功補(bǔ)償和濾波裝置，功率因數(shù)達(dá)到了0.9以上、諧波電壓限值和諧波電流分量也滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14549規(guī)定[2]。但由于單機(jī)容量大，數(shù)量多，且為反復(fù)短時(shí)工作制，工況非常復(fù)雜，瞬間產(chǎn)生極大沖擊負(fù)荷以及諧波疊加超標(biāo)的幾率較高，造成系統(tǒng)的電壓和頻率波動(dòng)，在增加系統(tǒng)損耗的同時(shí)，對(duì)用電設(shè)備造成危害。

因此，需在上述變電所進(jìn)行就地集中治理，降低特征次諧波、提高線路功率因數(shù)，以減少電源電纜的無功損失，最大限度地利用其輸電能力。其次，通過跟隨負(fù)荷變化，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)無功，以減小電壓波動(dòng)和閃變，提高母線電壓恢復(fù)的速度，進(jìn)而達(dá)到降低系統(tǒng)損耗、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、提升電壓質(zhì)量、改善電能質(zhì)量的目的。

3 解決方案

解決上述問題的最佳方案是選用高壓有源動(dòng)態(tài)濾波及無功補(bǔ)償裝置（即APF-SVG）。APF-SVG是以IGBT為核心的補(bǔ)償系統(tǒng)，是柔性交流輸電技術(shù)（FACTS）的主要裝置之一，它代表著現(xiàn)階段電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償技術(shù)新的發(fā)展方向。APF-SVG能夠快速連續(xù)地提供容性和感性無功功率，濾除2～25次諧波和無功功率控制，保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定、高效和優(yōu)質(zhì)地運(yùn)行。

3.1 基本原理

APF-SVG的基本原理是將自換相橋式電路通過變壓器或者電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當(dāng)調(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓幅值和相位，或直接控制其交流側(cè)電流即可使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償目的，見表1。

表1 APF-SVG的基本原理

3.2 突出優(yōu)勢(shì)

相對(duì)于傳統(tǒng)的補(bǔ)償及濾波裝置，APFSVG在以下幾個(gè)方面有著無可比擬的優(yōu)勢(shì)[3]：

1） 補(bǔ)償方式

采用電源模塊進(jìn)行無功補(bǔ)償，通過檢測(cè)系統(tǒng)中所需的無功，快速發(fā)出大小相等、相位相反的無功，實(shí)現(xiàn)無功的就地平衡，保持系統(tǒng)實(shí)時(shí)高功率因數(shù)運(yùn)行。補(bǔ)償后的功率因數(shù)約在0.98以上。

2） 補(bǔ)償時(shí)間

5ms～20ms完成一次補(bǔ)償，滿足無功補(bǔ)償在瞬時(shí)完成為宜。

3） 無級(jí)補(bǔ)償

0.1kF開始進(jìn)行無級(jí)補(bǔ)償，完全實(shí)現(xiàn)精確補(bǔ)償。

4） 諧波濾除

不產(chǎn)生諧波、不放大諧波，可濾除50%以上的諧波。

5） 使用壽命

10年以上，自身損耗極小且基本無需維護(hù)。

3.3 容量確定

系統(tǒng)總的補(bǔ)償容量包括濾波補(bǔ)償容量、無功沖擊補(bǔ)償容量和基波無功補(bǔ)償容量。由于系統(tǒng)無功沖擊主要為無功影響，因此當(dāng)無功沖擊大于基波無功補(bǔ)償容量時(shí)，總補(bǔ)償容量不考慮基波無功補(bǔ)償部分（補(bǔ)償?shù)臒o功沖擊容量已包含基波無功補(bǔ)償）。

基波無功補(bǔ)償容量：通過補(bǔ)償前功率因數(shù)角正切值與補(bǔ)償后功率因數(shù)角正切值的差值，與有功功率的乘積得出。濾波補(bǔ)償容量：在集裝箱裝卸橋裝和ARMG調(diào)試時(shí)，經(jīng)過配置的多功能儀表，分別測(cè)得設(shè)備負(fù)荷電流的諧波次數(shù)、諧波電流以及設(shè)備的最大負(fù)荷變化量，按照《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》和國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14549《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》的相關(guān)規(guī)定，對(duì)每段母線的濾波補(bǔ)償容量進(jìn)行估算。無功沖擊補(bǔ)償容量：按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12326《電能質(zhì)量 電壓波動(dòng)與閃變》[4]對(duì)每段母線的無功沖擊補(bǔ)償容量進(jìn)行估算，最終確定每段母線所需的補(bǔ)償容量。

4 投運(yùn)分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，APF-SVG在投運(yùn)前后，10kV中心配電所內(nèi)Ⅵ系統(tǒng)的Ⅱ段母線各次諧波電流最大值數(shù)據(jù)對(duì)比詳見表2。

表2 各次諧波電流最大值在APF-SVG投運(yùn)前后的數(shù)據(jù)對(duì)比表

從表2可見，在APF-SVG投運(yùn)前，各次諧波大大超出了國標(biāo)的限制范圍，而在投運(yùn)后，各次諧波得到明顯改善，達(dá)到了預(yù)期治理目標(biāo)。

此外，根據(jù)某一時(shí)段的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)可以看出，系統(tǒng)功率因數(shù)也有一定提高，最低由0.94提高至0.97，如圖2所示。

圖2 APF-SVG投運(yùn)前后功率因數(shù)變化情況

5 結(jié)語

港口的大型機(jī)械容量大、數(shù)量多、工況復(fù)雜，是典型的諧波源和無功源。通過長期針對(duì)洋山港四期工程電能質(zhì)量測(cè)試，發(fā)現(xiàn)APF-SVG對(duì)10kV母線的2～25次諧波均有較好的治理效果，對(duì)系統(tǒng)的功率因數(shù)也有一定程度提高。裝置運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定具有較大幫助，有效優(yōu)化港區(qū)的電網(wǎng)電能質(zhì)量，節(jié)能降耗，促進(jìn)綠色低碳港口的建設(shè)，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。