1 港口供电系统现状

    港口是电力消费大户。随着现代科学技术的发展, 越来越多的电力装卸机械和电力电子装置在港口中得到了应用。这些设备需要吸收大量的冲击性无功功率, 引起低功率因数、电压波动与闪变等问题;此外, 电力电子设备在表现出非线性、冲击性等特征,可能产生谐波污染, 引起供电电网波形畸变、三相不平衡等问题, 使得配电系统的供电质量恶化,造成对电能质量的严重影响。

    提高港口供电可*性和电能质量的传统做法是加设TSC(晶闸管投切电容)、TCR(晶闸管控制电抗器)和MCR(磁控电抗器)等无功补偿设备,并采用LC滤波器减小谐波畸变的影响,这些设备存在无法避免过补、欠补;响应速度慢;占地面积大;对系统阻抗敏感,容易出现谐振和谐波放大等各自固有的缺点,因此,将柔性交流输电技术的重要成果之一的静止无功补偿装置(SVG)应用于港口用电负荷的无功补偿和谐波治理,是最佳的港口电能质量治理方案。

    港口用电存在大量的感性负荷,大型电动装卸机械都是负荷变化大、速度变化快、短时重负载,属于无功冲击性负荷,因而港口用电的功率因数都较低,无功补偿之前一般都在0.7以下,远低于电业部门考核的功率因数,因而受到不同程度的罚款。港口的供电系统容易出现桥式抓斗卸船机的功率因数很低、配电系统电压发生波动、运行中的电梯突然停止等问题。

    此外,港口大型装卸机械的电气传动装置多采用晶闸管整流直流调速和交流变频调速装备,是典型的非线性负荷,向系统注入了大量谐波,引起电网电压和电流波形畸变、导致变压器发热、增加电路损耗、影响通讯设备等异常。由于电能质量降低,构成了对用户设备及其它设备的安全、稳定运行的潜在威胁。

    针对港口电力负荷的特点,使用无功功率补偿和谐波治理装置,能够有效地提高功率因数和治理谐波以达到国家标准,消除电网的谐波污染,提高电网的供电能力。

2 港口电能质量治理方案

   采用SVG动态无功补偿装置和谐波抑制效果明显、运行稳定可*,能够跟踪港口负荷的变化,实现动态补偿,避免了传统补偿装置存在的弊端和不足,能达到功率因数动态补偿,降低线损,节能降耗; 谐波动态补偿,改善电能质量;输电系统稳定控制,提高线路传输容量;维持负荷端电压,加强系统电压稳定性;不对称负荷平衡补偿负荷等功能。

2.1 SVG原理

    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流,实现无功动态补偿的目的。为实现将SVG应用于中压供电、大功率无功补偿及有源滤波等域,多电平功率变换电路是当前的研究热点。图1为单元级联式多电平逆变电路拓扑结构示意图,多电平变换电路的基本原理是将多个两电平电压型逆变器串联起来,通过向量合成每个变换器的输出电压形成多电平波形,以逼近正弦输出电压,电平数越多,其分辨率越高,输出电压波形越逼近正弦波。

2.2 利用SVG实现无功补偿

    提高港口供电可*性和电能质量的传统做法是加设晶闸管投切电容、晶闸管控制电抗器和磁控电抗器等无功补偿设备,并采用LC滤波器减小谐波畸变的影响,与传统的无功补偿装置相比,基于大功率电力电子技术的SVG拥有相当的优势,应用SVG是解决配电网动态无功补偿的最佳方案。

2.3 利用SVG兼做谐波治理

    港口用电负荷中,大量非线性负荷产生的高频谐波电流常带来很多意想不到的麻烦:会使变压器、电缆和其它电力组件产生附加热损耗;造成控制、保护和测量系统的功能异常,通信和数据网络也因此受到谐波干扰,这是现代电力电子控制设备最大的弊端。

    采用传统的LC无源滤波装置治理谐波存在诸多缺陷:一种参数只能针对特定次数谐波补偿,响应速度慢,无法跟踪谐波动态补偿;补偿谐波时,可能产生多余的无功,无功反送正计导致功率因数罚款;系统阻抗小时,补偿效果难以令人满意;改变系统阻抗特性,可能导致谐振及谐波电压放大;参数稳定性差,特别是电容参数容易变,导致失谐。

    针对港口电网谐波现状, 治理谐波的最佳解决方案是采用有源滤波技术,有源滤波技术也是FACTS的主要组成部分。一般而言,有源滤波器(受控电流源)与一个产生谐波的负荷并联连接,该受控电流源产生与负荷的谐波电流大小相同相位相反的补偿电流, 以此来消除负荷产生的谐波对配电网的影响。应用于港口某项目中实测系统电压、系统电流、负荷电流和SVG补偿电流如图3所示,可见负荷侧由于谐波从而电流畸变严重,SVG分离出谐波分量,并向系统注入大小相等、方向相反的分量,此分量和谐波分量叠加后为零,从而保证系统电流为完美的正弦波。

    SVG装置在不增加额外硬件的情况下,能够实现有源滤波的功能,是诸如港口供电系统这种要兼顾无功补偿和谐波治理场合的最佳解决方案。