集裝箱碼頭電網(wǎng)諧波抑制方案設(shè)計(jì)

摘 要：本文基于無功補(bǔ)償和諧波抑制理論，對(duì)國內(nèi)某集裝箱碼頭10kv變電所存在運(yùn)行電壓偏高、功率因數(shù)低、諧波含量大等電能質(zhì)量問題提出基于TSC裝置的治理方案，通過仿真得到TSC裝置對(duì)10kv變電所諧波抑制后的效果，通過該裝置的應(yīng)用能夠使該集裝箱碼頭10kv變電所諧波含量滿足國標(biāo)限值要求，采用TSC裝置能夠有效優(yōu)化集裝箱碼頭電網(wǎng)電能質(zhì)量、從而節(jié)能降耗推動(dòng)綠色低碳港口的建設(shè)。

關(guān)鍵詞：集裝箱碼頭；諧波；TSC；無功補(bǔ)償

前言

目前國內(nèi)集裝箱碼頭在各作業(yè)環(huán)節(jié)普遍采用電力裝卸設(shè)備，在大大提高裝卸效率和用能效率的同時(shí)，單位運(yùn)輸能耗和污染物排放量明顯下降。伴隨著電力設(shè)備應(yīng)用比例的增長，電力裝卸設(shè)備普遍存在功率因數(shù)低、諧波電流含量大的電能質(zhì)量問題，對(duì)集裝箱碼頭電網(wǎng)的安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行造成了非常不利的影響。隨著交通運(yùn)輸部大力推進(jìn)綠色低碳港口建設(shè)，RTG“油改電”和靠港船舶使用岸電等港口電氣化改造項(xiàng)目的實(shí)施，電力裝卸設(shè)備在集裝箱碼頭應(yīng)用比重將逐年提高，需要對(duì)集裝箱碼頭電能質(zhì)量問題進(jìn)行研究與治理工作。

1 集裝箱碼頭電能質(zhì)量情況

國內(nèi)某集裝箱碼頭包括3個(gè)10000噸級(jí)集裝箱泊位，年吞吐量為100萬TEU，對(duì)當(dāng)?shù)氐膰窠?jīng)濟(jì)發(fā)展起著重要的推動(dòng)作用。該碼頭布置3座10kv變電所（1#～3#），3座變電所進(jìn)線來自碼頭外10kv母線。該碼頭生產(chǎn)用電設(shè)備主要包括岸邊集裝箱起重機(jī)、ERTG（電動(dòng)式輪胎式起重機(jī)）等，這些設(shè)備功率較大，工作時(shí)電壓波動(dòng)頻繁，功率因數(shù)偏低，諧波電流含量高。

通過對(duì)該碼頭10kv變電所的電能質(zhì)量測(cè)試，得到10kv母線電能質(zhì)量情況，測(cè)試結(jié)果表明10kv母線存在功率因數(shù)偏低（均小于0.90）且各次諧波電流含量較大的問題，見表1和表2所示。同時(shí)10kv母線運(yùn)行電壓偏高，總諧波電壓畸變率THDu也較高達(dá)到4.24%。

該集裝箱碼頭3座10kv變電所雖然已分別采用無功補(bǔ)償裝置，但采用的是傳統(tǒng)的靜止型無功補(bǔ)償裝置FC（Filter Compensation），不能實(shí)時(shí)根據(jù)電網(wǎng)無功需求實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)無功功率，因此對(duì)無功補(bǔ)償?shù)男Ч⒉焕硐搿Ｇ以诖a頭建設(shè)時(shí)設(shè)計(jì)的靜止型無功補(bǔ)償裝置FC中濾波單元的諧波電流系數(shù)kh沒有基于測(cè)試數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)，造成濾波器對(duì)諧波的濾除率不高。而目前電能質(zhì)量問題已經(jīng)影響到碼頭的正常生產(chǎn)作業(yè)，因此急需對(duì)無功補(bǔ)償和諧波抑制方案進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

2 治理方案設(shè)計(jì)

TSC（Thyristor Switched Capacitor）是靈活交流輸電（FACTS）技術(shù)之一，是一種可以動(dòng)態(tài)跟蹤電網(wǎng)或負(fù)荷無功波動(dòng)，并無級(jí)輸出無功功率補(bǔ)償系統(tǒng)所需無功并維持電壓穩(wěn)定的裝置。可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償、電壓調(diào)節(jié)、可有效提高系統(tǒng)功率因數(shù)、降低網(wǎng)損、改善電能質(zhì)量。是提高中高壓輸配電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和可靠性一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的技術(shù)手段[1]。TSC裝置主要由濾波裝置（電抗器+電容器）和無功補(bǔ)償控制器組成，如圖1所示。

3 治理方案仿真研究

在MATLAB/Simulink建立TSC阻抗仿真模型，如圖2所示。運(yùn)用公式kh=ZSh/ZNh求得諧波電流系數(shù)kh。其中10kv系統(tǒng)阻抗ZNh是10kv供電系統(tǒng)阻抗與TSC裝置的濾波器FC裝置相并聯(lián)后的阻抗；ZSh為10kv供電系統(tǒng)的阻抗，h為諧波次數(shù)。諧波電流系數(shù)kh是評(píng)價(jià)TSC裝置抑制諧波的重要參數(shù)。

圖中：RS、LS、RP為系統(tǒng)阻抗參數(shù)，總阻抗為ZSh；ZFh為濾波裝置 次諧波阻抗；ZLh為負(fù)載h次諧波阻抗；ZFh為ZFh和ZLh的并聯(lián)值。

根據(jù)仿真模型求得10kv母線系統(tǒng)阻抗特性和諧波電流系數(shù)kh，如圖3所示，系統(tǒng)的諧波電流系數(shù)kh如表4所示。

4 仿真結(jié)論

根據(jù)仿真結(jié)論，采用TSC裝置后該集裝箱碼頭10kv母線的電能質(zhì)量得到了較大改善，主要電能質(zhì)量指標(biāo)滿足國標(biāo)限值要求：當(dāng)TSC裝置投入運(yùn)行后，10kv母線的各次諧波電流含量HRIh均大幅度下降，總諧波電流含量？撞HRIh由治理前的38.24A下降到8.71A，10kv母線諧波電壓總畸變率THDu滿足（GB/T14549-1993）規(guī)定的允許值要求；并且TSC裝置能夠?qū)崟r(shí)補(bǔ)償10kv無功功率，集裝箱碼頭10kv母線電壓偏差會(huì)減小，電壓波動(dòng)能夠得到抑制；同時(shí)10kv母線功率因數(shù)將可以保持在0.95以上。

5 結(jié)束語

隨著“十二五”時(shí)期綠色低碳港口的大力推進(jìn)，電力裝卸設(shè)備憑借節(jié)能、排放低等優(yōu)點(diǎn)在港口應(yīng)用比例將逐年提高。本文通過在國內(nèi)某集裝箱碼頭采用TSC裝置治理電網(wǎng)電能質(zhì)量問題，使該碼頭電網(wǎng)的電能質(zhì)量問題得到較好的解決，采用TSC裝置是治理集裝箱碼頭變電所電能質(zhì)量問題的理想方案，對(duì)國內(nèi)正在建設(shè)綠色低碳港口的集裝箱碼頭企業(yè)有著很好的借鑒和工程應(yīng)用價(jià)值。

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作者簡介：侯玨（1985，10-），男，工程師，安徽省合肥市人，研究方向?yàn)椋焊劭诠?jié)能技術(shù)、電力電子技術(shù)。