試論靜止無功補償裝置在港口供電系統的應用

摘 要：本文結合筆者多年來的從業經驗，就港口的供電現狀進行闡述，通常情況下港口的用電負荷屬于典型的諧波源，嚴重影響著港口供電系統的電能質量。通過對現狀的分析提出了基于靜止無功補償裝置（SVG）的電能質量治理方案， SVG是基于柔性交流輸電技術的新一代無功補償及諧波治理裝置，在滿足港口負荷無功需求的同時，不增加額外的硬件，同時可實現有源濾波的效果，是港口改善電能質量的最佳解決方案，以供同類工程參考與借鑒。

關鍵詞：港口供電系統 柔性交流輸電技術 電能質量 無功功率 諧波 靜止無功發生器

中圖分類號：TM761 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）04（a）-0136-02

在電力系統中，各個節點無功功率的平衡情況會直接影響到該節點的電壓水平。目前在電力系統運行過程中使用的很多設備都可以實現無功功率的頻繁變化，例如常見的電氣化鐵道以及軋鋼機等。與此同時在電力系統中由于存在很多精密設備，對電壓的穩定性提出了更高的要求，例如計算機等。所以系統的無功功率補償成為了電力系統安全穩定運行過程中亟需解決的一個重要問題。

通常我們使用的無功功率補償設備主要包括同步發電機、調相機以及并聯電容器等，但是在一些太大或者太小的無功功率補償過程中，使用同步發電機或調相機并不是特別合適，而且這些設備屬于一種旋轉設備，會產生較大的損耗以及噪聲問題；另外并聯電容器阻抗是保持固定不變的，無法對負荷無功功率的變化進行實時跟蹤，所以這些傳統設備都已經無法繼續為電力系統的發展提供必要的支持了。

本文所述的靜止無功補償主要是指通過采用不同的靜止開關對電容器以及電抗器等進行投切，能夠使其獲得吸收和發出無功電流的功能，進一步增加功率因數，確保電力系統的電壓具有更好的穩定性，從而避免系統發生振蕩問題。到目前為止常用的靜止開關主要包括斷路器開關以及電力電子開關這兩種。其中斷路器開關作為接觸器，其開關時間大約會持續10～30 s，速度較慢，無法對負載無功功率的變化情況進行及時的跟蹤，在投切電容器時很容易造成較大的沖擊涌流以及操作過電壓現象，導致接觸電發生燒焊，使得補償電容器內部遭到擊穿，承受過大的應力，增加了維修量。

隨著電力電子技術水平的不斷提高，使得其廣泛應用于電力系統中，逐漸出現了交流無觸點開關GTO、SCR以及GTR等，這些開關在進行投切的過程中持續時間僅為10μs，相比于過去提高了大約500倍，不管是什么系統參數，無功補償都能夠在一個周波內全部完成，同時還可以實現單相調節功能。目前我們所采用的靜止無功補償裝置通常是指采用晶閘管制作而成的無功補償設備，主要包括下述三個類型：首先一種是在靜止無功補償裝置當中包含有飽和電抗器，其次是通過利用晶閘管來對電抗器進行控制或者對電容器進行投切，我們將其稱之為SVC，最后則是高級靜止無功發生器，簡稱為ASVG，該裝置主要采用自換相變流技術。

1 現階段港口供電系統的運行情況

港口供電系統會消費大量的電力。隨著社會經濟的不斷發展，科學技術水平取得了非常大的提高，在港口建設中逐漸采用了更多的電力裝卸機械以及電力電子裝置等，但是由于這些設備在運行的過程中需要吸收大量沖擊性無功功率，導致功率因數過低，甚至會造成電壓波動以及閃變等現象，而且電力電子設備會帶來一定的諧波污染，導致港口供電電網波形發生變形問題，進一步惡化了供電質量，直接影響到了電能的質量。另外在港口建設中還對節能減排工作提出了更多的要求：港口建設以及運行的相關部門和企業一定要有明確的政治責任感，將節能減排工作放在港口建設中的重要地位。通過加強部門的組織領導力度，認真貫徹落實與節能減排相關的方針政策。在對港區電網進行改造的過程中，還需要積極與供電部門相配合，通過采用新技術，盡可能的避免高次諧波造成的附加損耗，進一步確保港口的供電質量。

為了提高港口供電質量水平，確保供電的可靠性，通常會采用磁控電抗器、晶閘管投切電容器以及控制電抗器等傳統的無功補償設備，然后再在LC濾波器的基礎上降低諧波畸變對供電系統造成的影響，但是這些設備由于響應速度較慢、無法切實解決過補以及欠補的問題、很容易造成諧波進一步放大的問題，所以，在港口無功補償中通過采用靜止無功補償裝置（SVG），可以進一步治理諧波問題，是目前港口供電系統為了提高電能質量采取的一個最佳方案。

在港口電力系統運行中會出現大量感性負荷問題，很多電動裝卸機械會發生較大的負荷變化以及速度變化，在短時間內承受過大的負載，是一種無功沖擊性負載現象，由此會導致其功率因數大幅度降低，無功補償無法達到0.7，在進行考核時無法達到電業部門的相關考核規定，常常遭受一定的罰款。

除此之外，在港口供電系統所使用的大型裝卸機械電氣傳動裝置中，一般都會選擇晶閘管整流直流調速設備以及交流變頻調速設備，屬于一種非線性負荷，能夠不斷的向電力系統當中注入諧波，導致電網電壓以及電流波形發生畸變問題，變壓器熱量上升，進一步加大了電路的損耗，最終對通訊設備的正常運行造成一定的影響。另外由于電能質量水平的不斷降低，對各種設備的安全運行產生較大的威脅。因此根據港口供電系統電力負荷的主要特點，主要通過采用無功功率補償以及諧波質量裝置，加大功率因數，對諧波進行有效的治理，滿足電業部門的考核標準，有效降低了電網中產生的諧波污染，確保了供電質量。

2 在對港口供電系統的電能質量進行治理時采取的主要方案

通過使用SVG動態無功補償裝置，能夠有效的抑制諧波，確保供電系統的安全穩定運行，實時跟蹤港口負荷發生的變化，有效實現動態補償功能，彌補傳統補償裝置在運行中的不足之處，提高功率因數，避免線損，降低能源消耗；另外諧波動態補償還可以提高電能的質量，實現對輸電系統的控制，確保線路傳輸容量滿足相關要求；最后還可以有效維持負荷端電壓的穩定性，并具有不對稱負荷平衡補償負荷的作用。

2.1 無功補償裝置的主要原理

在配電網的應用當中，無功補償裝置（SVG）屬于一種柔性交流輸電技術，是目前電力系統無功補償技術的一個主要發展趨勢。SVG可以有效增大功率因數，避免發生三相不平衡問題，進一步整治諧波污染，可以對電壓和無功功率進行合理控制，確保供電系統的安全、穩定運行。

SVG的主要原理為：利用變壓器等將自換相橋式電路并聯于電網中，通過對橋式電路交流側輸出電壓具有的幅值以及相位等進行合理的調節，或對交流側電流進行直接控制，確保該電路所吸收或發出的無功電流達到供電系統運行的要求，從而對無功功率進行動態補償。

為了在大功率無功補償、中壓供電以及有源濾波等各個領域當中充分發揮SVG的作用，目前所研究的一個熱門問題就是多電平功率變換電路。如圖1所示為電源及聯式多電平逆變電路拓撲結構示意圖，根據該圖我們可以知道，多電平變換電路運行的最主要原理就是通過把若干個兩電平電壓型逆變器相互串聯在一起，利用向量將各個變換器的實際輸出電壓進行合成，以此來形成多電平波形，盡可能的趨近于正弦輸出電壓，此時電平數如果越多，就越能夠提高分辨率，輸出的電壓波形也會不斷的趨近于正弦波。

在級聯型多電平變換器當中通常會采用三角載波移向PWM法，該方法的每個模塊中會由一個三角載波和一個正弦波相互比較之后會形成SPWM信號，在所有模塊當中正弦波都是一樣的，不過某個模塊中的三角諧波和其相鄰模塊中的三角諧波當中會存在一個相移，導致各個模塊里面SPWM脈沖也在相位上相互錯開，進一步提高了等效開關的頻率，其中通過N單元級聯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。

在和傳統無功補償設備進行對比的過程中可以發現，SVG能夠運行于各種條件下。而傳統的無功補償裝置則會受到運行環境的極大影響，如果諧波以及負序等情況非常嚴重，甚至會出現裝置無法運行的情況。而SVG可以在各種運行條件下進行自動調節，加快了響應速度，在運行的過程中降低了諧波污染，有效消除電壓閃變等問題，進一步改善了電能的質量，減少了能源的消耗，創造了巨大的經濟效益。

2.2 通過采用SVG實現無功補償

為了提高港口供電質量水平，確保供電的可靠性，通常會采用磁控電抗器、晶閘管投切電容器以及控制電抗器等傳統的無功補償設備，然后再在LC濾波器的基礎上降低諧波畸變對供電系統造成的影響。而對于SVG來說其優勢更加明顯，為了有效解決配電網動態無功補償問題，本研究中主要采用了SVG這一方案。

2.3 通過采用SVG對諧波進行治理

在港口用電負荷中引起的高頻諧波電流會產生很多麻煩，例如會導致控制以及測量等系統所具有的功能發生異常，對通訊網絡產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無源濾波裝置會引起較多問題，例如響應速度較慢，不能動態跟蹤諧波進行補償，在補償諧波的過程中會產生多余的無功，相關參數的穩定性較差，很容易引起失諧問題。

針對港口區域供電系統中電網諧波現狀，可以通過有源濾波技術進行諧波的治理。為現階段應用于某港口項目中對電壓、電流、負荷電流以及SVG補償電流的實際情況。從圖中可以看出由于受到諧波的影響，負荷側電流出現了嚴重的畸變，SVG通過向供電系統當中注入方向相反、大小相同的分量，在與諧波分量進行疊加之后，可以確保系統電流為完美的正弦波。另外SVG裝置不需要再繼續增加額外硬件就可以充分實現有源濾波，對于港口供電系統當中既要進行無功補償又要有效治理諧波的處理中有著重要的意義。

3 結論

（1）在港口供電系統運行中產生用電負荷屬于一種較為典型的沖擊無功及諧波源，相對于其他企業來說，其功率因數相對較低，諧波污染較為嚴重。（2）SVG裝置不僅可以滿足供電系統的無功需求，還具有有源濾波的作用，是現階段港口供電系統提高電能質量水平的一個最合理的整治方案。

參考文獻

[1]孫憲君，康明才.靜止無功補償裝置應用實例分析[J].中國高校科技與產業化，2006（S1）.

[2]陳青華，李群湛.靜止無功發生器在牽引供電系統中的分析[J].電力科學與技術學報，2007（4）.

[3]周獎.靜止無功補償裝置的綜述[J].廣西大學學報：哲學社會科學版，2006（S1）.