摘 要：本文結(jié)合筆者多年來的從業(yè)經(jīng)驗(yàn)，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(duì)現(xiàn)狀的分析提出了基于靜止無(wú)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(wú)功補(bǔ)償及諧波治理裝置，在滿足港口負(fù)荷無(wú)功需求的同時(shí)，不增加額外的硬件，同時(shí)可實(shí)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(wú)功功率 諧波 靜止無(wú)功發(fā)生器

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

在電力系統(tǒng)中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)無(wú)功功率的平衡情況會(huì)直接影響到該節(jié)點(diǎn)的電壓水平。目前在電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中使用的很多設(shè)備都可以實(shí)現(xiàn)無(wú)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(shí)在電力系統(tǒng)中由于存在很多精密設(shè)備，對(duì)電壓的穩(wěn)定性提出了更高的要求，例如計(jì)算機(jī)等。所以系統(tǒng)的無(wú)功功率補(bǔ)償成為了電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行過程中亟需解決的一個(gè)重要問題。

通常我們使用的無(wú)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(wú)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(huì)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(wú)法對(duì)負(fù)荷無(wú)功功率的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，所以這些傳統(tǒng)設(shè)備都已經(jīng)無(wú)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(wú)功補(bǔ)償主要是指通過采用不同的靜止開關(guān)對(duì)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(wú)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(shí)間大約會(huì)持續(xù)10～30 s，速度較慢，無(wú)法對(duì)負(fù)載無(wú)功功率的變化情況進(jìn)行及時(shí)的跟蹤，在投切電容器時(shí)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(wú)觸點(diǎn)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(shí)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(wú)功補(bǔ)償都能夠在一個(gè)周波內(nèi)全部完成，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)單相調(diào)節(jié)功能。目前我們所采用的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置通常是指采用晶閘管制作而成的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，主要包括下述三個(gè)類型：首先一種是在靜止無(wú)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(duì)電抗器進(jìn)行控制或者對(duì)電容器進(jìn)行投切，我們將其稱之為SVC，最后則是高級(jí)靜止無(wú)功發(fā)生器，簡(jiǎn)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(yùn)行情況

港口供電系統(tǒng)會(huì)消費(fèi)大量的電力。隨著社會(huì)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(yùn)行的過程中需要吸收大量沖擊性無(wú)功功率，導(dǎo)致功率因數(shù)過低，甚至?xí)斐呻妷翰▌?dòng)以及閃變等現(xiàn)象，而且電力電子設(shè)備會(huì)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(duì)節(jié)能減排工作提出了更多的要求：港口建設(shè)以及運(yùn)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(shí)與節(jié)能減排相關(guān)的方針政策。在對(duì)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(huì)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(wú)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(duì)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(wú)法切實(shí)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(wú)功補(bǔ)償中通過采用靜止無(wú)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(gè)最佳方案。

在港口電力系統(tǒng)運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)大量感性負(fù)荷問題，很多電動(dòng)裝卸機(jī)械會(huì)發(fā)生較大的負(fù)荷變化以及速度變化，在短時(shí)間內(nèi)承受過大的負(fù)載，是一種無(wú)功沖擊性負(fù)載現(xiàn)象，由此會(huì)導(dǎo)致其功率因數(shù)大幅度降低，無(wú)功補(bǔ)償無(wú)法達(dá)到0.7，在進(jìn)行考核時(shí)無(wú)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(dòng)裝置中，一般都會(huì)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(duì)通訊設(shè)備的正常運(yùn)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(duì)各種設(shè)備的安全運(yùn)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(diǎn)，主要通過采用無(wú)功功率補(bǔ)償以及諧波質(zhì)量裝置，加大功率因數(shù)，對(duì)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(duì)港口供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量進(jìn)行治理時(shí)采取的主要方案

通過使用SVG動(dòng)態(tài)無(wú)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(yùn)行，實(shí)時(shí)跟蹤港口負(fù)荷發(fā)生的變化，有效實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償功能，彌補(bǔ)傳統(tǒng)補(bǔ)償裝置在運(yùn)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(dòng)態(tài)補(bǔ)償還可以提高電能的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)稱負(fù)荷平衡補(bǔ)償負(fù)荷的作用。

2.1 無(wú)功補(bǔ)償裝置的主要原理

在配電網(wǎng)的應(yīng)用當(dāng)中，無(wú)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(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的一個(gè)主要發(fā)展趨勢(shì)。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(duì)電壓和無(wú)功功率進(jìn)行合理控制，確保供電系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)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(duì)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(wú)功電流達(dá)到供電系統(tǒng)運(yùn)行的要求，從而對(duì)無(wú)功功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。

為了在大功率無(wú)功補(bǔ)償、中壓供電以及有源濾波等各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中充分發(fā)揮SVG的作用，目前所研究的一個(gè)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(yùn)行的最主要原理就是通過把若干個(gè)兩電平電壓型逆變器相互串聯(lián)在一起，利用向量將各個(gè)變換器的實(shí)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(shí)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(huì)不斷的趨近于正弦波。

在級(jí)聯(lián)型多電平變換器當(dāng)中通常會(huì)采用三角載波移向PWM法，該方法的每個(gè)模塊中會(huì)由一個(gè)三角載波和一個(gè)正弦波相互比較之后會(huì)形成SPWM信號(hào)，在所有模塊當(dāng)中正弦波都是一樣的，不過某個(gè)模塊中的三角諧波和其相鄰模塊中的三角諧波當(dāng)中會(huì)存在一個(gè)相移，導(dǎo)致各個(gè)模塊里面SPWM脈沖也在相位上相互錯(cuò)開，進(jìn)一步提高了等效開關(guān)的頻率，其中通過N單元級(jí)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(wú)功補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行對(duì)比的過程中可以發(fā)現(xiàn)，SVG能夠運(yùn)行于各種條件下。而傳統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償裝置則會(huì)受到運(yùn)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(wú)法運(yùn)行的情況。而SVG可以在各種運(yùn)行條件下進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，加快了響應(yīng)速度，在運(yùn)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(shí)現(xiàn)無(wú)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(huì)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(wú)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(duì)供電系統(tǒng)造成的影響。而對(duì)于SVG來說其優(yōu)勢(shì)更加明顯，為了有效解決配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)無(wú)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(duì)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(huì)產(chǎn)生很多麻煩，例如會(huì)導(dǎo)致控制以及測(cè)量等系統(tǒng)所具有的功能發(fā)生異常，對(duì)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(wú)源濾波裝置會(huì)引起較多問題，例如響應(yīng)速度較慢，不能動(dòng)態(tài)跟蹤諧波進(jìn)行補(bǔ)償，在補(bǔ)償諧波的過程中會(huì)產(chǎn)生多余的無(wú)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(duì)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(xiàng)目中對(duì)電壓、電流、負(fù)荷電流以及SVG補(bǔ)償電流的實(shí)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(shí)現(xiàn)有源濾波，對(duì)于港口供電系統(tǒng)當(dāng)中既要進(jìn)行無(wú)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(yùn)行中產(chǎn)生用電負(fù)荷屬于一種較為典型的沖擊無(wú)功及諧波源，相對(duì)于其他企業(yè)來說，其功率因數(shù)相對(duì)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(wú)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(gè)最合理的整治方案。

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