1 港口供電系統現狀

    港口是電力消費大戶。隨著現代科學技術的發展, 越來越多的電力裝卸機械和電力電子裝置在港口中得到了應用。這些設備需要吸收大量的沖擊性無功功率, 引起低功率因數、電壓波動與閃變等問題;此外, 電力電子設備在表現出非線性、沖擊性等特征,可能產生諧波污染, 引起供電電網波形畸變、三相不平衡等問題, 使得配電系統的供電質量惡化,造成對電能質量的嚴重影響。

    提高港口供電可*性和電能質量的傳統做法是加設TSC(晶閘管投切電容)、TCR(晶閘管控制電抗器)和MCR(磁控電抗器)等無功補償設備,并采用LC濾波器減小諧波畸變的影響,這些設備存在無法避免過補、欠補;響應速度慢;占地面積大;對系統阻抗敏感,容易出現諧振和諧波放大等各自固有的缺點,因此,將柔性交流輸電技術的重要成果之一的靜止無功補償裝置(SVG)應用于港口用電負荷的無功補償和諧波治理,是最佳的港口電能質量治理方案。

    港口用電存在大量的感性負荷,大型電動裝卸機械都是負荷變化大、速度變化快、短時重負載,屬于無功沖擊性負荷,因而港口用電的功率因數都較低,無功補償之前一般都在0.7以下,遠低于電業部門考核的功率因數,因而受到不同程度的罰款。港口的供電系統容易出現橋式抓斗卸船機的功率因數很低、配電系統電壓發生波動、運行中的電梯突然停止等問題。

    此外,港口大型裝卸機械的電氣傳動裝置多采用晶閘管整流直流調速和交流變頻調速裝備,是典型的非線性負荷,向系統注入了大量諧波,引起電網電壓和電流波形畸變、導致變壓器發熱、增加電路損耗、影響通訊設備等異常。由于電能質量降低,構成了對用戶設備及其它設備的安全、穩定運行的潛在威脅。

    針對港口電力負荷的特點,使用無功功率補償和諧波治理裝置,能夠有效地提高功率因數和治理諧波以達到國家標準,消除電網的諧波污染,提高電網的供電能力。

2 港口電能質量治理方案

   采用SVG動態無功補償裝置和諧波抑制效果明顯、運行穩定可*,能夠跟蹤港口負荷的變化,實現動態補償,避免了傳統補償裝置存在的弊端和不足,能達到功率因數動態補償,降低線損,節能降耗; 諧波動態補償,改善電能質量;輸電系統穩定控制,提高線路傳輸容量;維持負荷端電壓,加強系統電壓穩定性;不對稱負荷平衡補償負荷等功能。

2.1 SVG原理

    無功補償裝置(SVG)是柔性交流輸電技術在配電網中的主要應用之一,代表了現階段電力系統無功補償技術新的發展方向。SVG能夠快速連續地提供容性和感性無功功率,可以提高功率因數、克服三相不平衡、消除電壓閃變和電壓波動、抑止諧波污染等,實現適當的電壓和無功功率控制,保障供電系統穩定、高效、優質運行。

    SVG的基本原理就是將自換相橋式電路通過變壓器或者連接電抗器并聯在電網上,適當地調節橋式電路交流側輸出電壓的幅值和相位,或者直接控制其交流側電流就可以使該電路吸收或者發出滿足要求的無功流,實現無功動態補償的目的。為實現將SVG應用于中壓供電、大功率無功補償及有源濾波等域,多電平功率變換電路是當前的研究熱點。圖1為單元級聯式多電平逆變電路拓撲結構示意圖,多電平變換電路的基本原理是將多個兩電平電壓型逆變器串聯起來,通過向量合成每個變換器的輸出電壓形成多電平波形,以逼近正弦輸出電壓,電平數越多,其分辨率越高,輸出電壓波形越逼近正弦波。

2.2 利用SVG實現無功補償

    提高港口供電可*性和電能質量的傳統做法是加設晶閘管投切電容、晶閘管控制電抗器和磁控電抗器等無功補償設備,并采用LC濾波器減小諧波畸變的影響,與傳統的無功補償裝置相比,基于大功率電力電子技術的SVG擁有相當的優勢,應用SVG是解決配電網動態無功補償的最佳方案。

2.3 利用SVG兼做諧波治理

    港口用電負荷中,大量非線性負荷產生的高頻諧波電流常帶來很多意想不到的麻煩:會使變壓器、電纜和其它電力組件產生附加熱損耗;造成控制、保護和測量系統的功能異常,通信和數據網絡也因此受到諧波干擾,這是現代電力電子控制設備最大的弊端。

    采用傳統的LC無源濾波裝置治理諧波存在諸多缺陷:一種參數只能針對特定次數諧波補償,響應速度慢,無法跟蹤諧波動態補償;補償諧波時,可能產生多余的無功,無功反送正計導致功率因數罰款;系統阻抗小時,補償效果難以令人滿意;改變系統阻抗特性,可能導致諧振及諧波電壓放大;參數穩定性差,特別是電容參數容易變,導致失諧。

    針對港口電網諧波現狀, 治理諧波的最佳解決方案是采用有源濾波技術,有源濾波技術也是FACTS的主要組成部分。一般而言,有源濾波器(受控電流源)與一個產生諧波的負荷并聯連接,該受控電流源產生與負荷的諧波電流大小相同相位相反的補償電流, 以此來消除負荷產生的諧波對配電網的影響。應用于港口某項目中實測系統電壓、系統電流、負荷電流和SVG補償電流如圖3所示,可見負荷側由于諧波從而電流畸變嚴重,SVG分離出諧波分量,并向系統注入大小相等、方向相反的分量,此分量和諧波分量疊加后為零,從而保證系統電流為完美的正弦波。

    SVG裝置在不增加額外硬件的情況下,能夠實現有源濾波的功能,是諸如港口供電系統這種要兼顧無功補償和諧波治理場合的最佳解決方案。