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摘要：港口的用电负荷是典型的谐波源，对港口供电系统的供电质量造成了严重的影响。本文分析了港口供电系统的现状进行了分析，对无功补偿和谐波治理方案进行了介绍，并结合某工程实例，详细介绍了无功补偿装置在港口供电系统中的应用。
关键词：港口；供电系统；无功补偿装置
0 引言
随着我国国民经济的快速发展，港口作为水陆交通的集结点和重要的交通枢纽，以其独特的地理优势得到了不断的发展。在港口运行中，港口的装卸机械主要是大型的电动机械，其用电负荷属于典型的谐波源，在运行过程中消耗大量的无功功率，降低了港口的电功率因数，严重影响到了港口供电系统的电能质量。对此，应用无功补偿装置进行治理，提高供电系统的电能质量十分重要。
1港口供电系统现状
为了满足港口高效的进行货物装卸和转运作业要求，越来越多的大功率、高电压用电设备出现在港口设备中，例如门座式起重机、卸船机、装船机、堆取料机、皮带机等。这些用电设备在运行过程中不仅会产生大量的无功功率，而且由于设备驱动多采用变频调速装置，会向系统注入大量谐波。大量无功功率和多次谐波注入电力系统后，会造成线路功率因数降低、电网电压和电流波形畸变，从而导致电路损耗增加、供电设备容量利用率低和线路损坏等问题。对港口电力系统的安全、稳定运行构成威胁。基于港口电力负荷的特点，目前较好的解决方法是使用无功功率补偿和谐波治理装置，对功率因数和谐波问题进行治理，以达到国家标准。
2无功补偿和谐波治理方案
无功补偿在电力供电系统中起提高电网的功率因数的作用，无功补偿又分为静态无功补偿和动态无功补偿。在港口电气设备运行中，无功负荷不稳定，采用静态无功补偿装置已经无法满足要求，因此，港口工程供电系统大多采用动态无功补偿装置。
目前常用的动态无功补偿装置有无功补偿器（SVC）和无功发生器（SVG）两种。无功补偿装置（SVG）是柔性交流输电技术在配电网中的主要应用之一，代表了现阶段电力系统无功补偿技术新的发展方向。SVG能够快速连续地提供容性和感性无功功率，可以提高功率因数、克服三相不平衡、消除电压闪变和电压波动、抑止谐波污染等，实现适当的电压和无功功率控制，保障供电系统稳定、高效、优质运行。SVG的基本原理就是将自换相桥式电路通过变压器或者连接电抗器并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧电流就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现无功动态补偿的目的。
无功补偿器（SVC）主要分为TCR型和MCR型。TCR型是通过控制晶闸管的导通角和导通时间，以控制流过电抗器电流的大小和相位，实现感性无功的连续可调，从而实现容性无功的动态补偿。MCR型利用磁控电抗器电抗值连续可调，实现感性无功的连续可调，从而实现容性无功的动态补偿。
无功发生器（SVG）采用电能变换技术实现无功补偿，与其它补偿设备的最大区别在于能主动发出无功电流，补偿负载无功电流。由于SVG装置是直接电流控制，所以输出电流可以限幅，不会发生谐振或者谐波电压放大的情况，设备的安全性比较高。而其它补偿设备均为无源方式，依靠无源器件自身属性进行无功补偿，在长期运行过程中，如果系统运行情况改变、电抗器及电容器参数发生变化，易导致谐波电压放大，影响系统安全性。而且SVG装置响应速度快，并可以连续调节无功输出，这使得同容量的SVG装置的动态补偿及电压稳定控制能力是同容量TCR或MCR的1.2倍以上，非常适合在高电压、大容量无功补偿环境中使用。并且由于SVG装置采用模块化，即使一个功率模块出现故障，整个设备仍可继续运行在额定容量，从而提高了设备运行的稳定性。SVG装置与TCR型和MCR型补偿装置主要性能指标比较如表1所示。
通过表1的比较不难看出，SVG型补偿装置在无功补偿能力和谐波控制水平上，较TCR型和MCR型有明显的优势，是提高港口电力系统电能质量的一种好方法。
3工程概述
SVG装置各项指标优秀，在目前很多设计项目中都有所应用。
以某港口工程为例，该工程共新建6座10kV变电所，各变电所10kV电源分别引自港区的110kV变电站。1#～5#变电所为双电路10kV电源（分别引自110kV变电站I段和II段母线），6#变电所为单路10kV电源。10kV侧的短路容量约为150MVA。其中1#～4#变电所主要负责场区内的高压设备，如皮带机、装船机、取料机、堆料机、翻车机等，以及低压设备，如皮带机廊道照明、除尘器等设备。5#和6#变电所主要是为场区内各建筑单体、水泵等低压设备供电。各变电所主要用电负荷如表2所示。
由表2可以看出本工程配置大量的装卸和运输设备。这些设备的功率因数基本在0.8～0.85之间，此功率因数是在较高负载率下测得的。然而，在实际使用中这些设备往往是在低负载率下运行，这时的功率因数会降低至0.8以下。与此同时，由于这些设备多采用变频调速装置，会产生大量的谐波，其中5次、7次、11次、13次谐波会对系统中其他用电设备的正常运行造成危害。所以在本工程中，通过设置SVG装置补偿无功功率并对高次谐波进行治理。
3.1无功功率补偿方案
本工程无功功率补偿形式主要采用的是集中补偿的形式，高压和低压无功补偿设备均安装在变电所内。
由于低压负荷安装容量不大且用电负荷多以稳定用电负荷为主，所以低压补偿设备采用电容器+电抗器的组合形式，其中电抗器可以对低压设备产生的5次和7次谐波有很好的处理效果。低压补偿设备安装于各变电所的低压配电室。
高压补偿设备选用SVG装置。高压补偿设备安装于变电所内的10kV高压无功补偿装置室。高压无功补偿装置室的布置如图1所示。目前容量3400kVAr以下的SVG装置的外形尺寸（宽×深×高）3400mm×1200mm×2600mm，设备重量为4.5t，搬运荷载和发热量可分别按10kN/m2和20kW/台考虑。
图1SVG装置室布置
3.2确定无功补偿容量
根据《工业与民用配电设计手册》，采用需要系数法对用电负进行计算，由公式（1）得出补偿前的高、低压功率因数cosφ，然后根据公式（2）、公式（3）分别得出高、低压补偿容量Qb和补偿后的高、低压功率因数cosφ'。低压和高压补偿容量以及补偿前后功率因数变化如表3所示。
（1）
式中：Pc为计算有功功率，kW；Qc为计算无功功率，kVAr；αav?、βav?分别为年平均有功、无功负荷系数，αav?取0.7～0.75，βav?取0.76～0.82。补偿容量：
（2）
式中：tgφ1为补偿前计算负荷功率因数角的正切值；tgφ2为补偿后功率因数角的正切值。补偿后功率因数：
（3）
通过表3比较可以看到，通过设置无功补偿设备，电网的功率因数由0.8以下调高到0.92以上。并且SVG装置对于无功功率变化有较快的反应速度，可保证功率因数维持在较高的水平上。
3.3谐波治理
SVG装置除了可以快速的进行无功补偿外，对于谐波的治理效果也非常明显。国家标准《电能质量公用电网谐波》GB/T14549-93中对各次谐波电流和电压总谐波畸变有相应规定。
根据用电设备厂家提供的各设备谐波电流值，计算得出在不设置SVG装置时，叠加到110kV变电所I段母线和II段母线的各主要谐波值，如表4所示。
将110kV站叠加后得到的各次谐波值与国家规定值相比，电压总谐波畸变率、5次、11次、13次谐波值都超出了国家规定值，特别是11次、13次谐波值超出较多。这对港口电网安全运行是不利的。根据之前计算得出高压补偿容量，将SVG装置加入系统中后，得出的各谐波值和电压畸变率值如表5所示。
将加入SVG装置前、后的谐波值对比，可发现5次、7次、11次、13次谐波得到控制，并且注入电网的谐波电流和10kV母线电压总谐波电压畸变也低于国家标准。可见SVG装置在谐波治理方面有突出的作用。
4结语
综上所述，无功补偿装置在港口供电系统中的应用，能够提高港口供电系统的功率因素，改善港口供电系统的电能质量，减少电能损耗。因此，在港口供电系统中，要结合工程的实际情况，应用无功补偿装置，合理设计无功补偿方案，对谐波进行有效治理，从而降低线路和变压器因输送无功功率造成的电能损耗，改善港口供电系统电能质量。
参考文献
[1]李保华.SVG无功自动补偿装置在港口供配电系统中的应用[J].珠江水运.2016（09）
[2]朱冰.动态无功补偿装置在港口供电系统中的应用[J].科技与创新.2014（09）
论文作者:魏学成
论文发表刊物:《电力技术》2016年第8期
论文发表时间:2016/10/20
标签：谐波论文; 装置论文; 港口论文; 功率因数论文; 供电系统论文; 设备论文; 电压论文; 《电力技术》2016年第8期论文;