高压APF-SVG在洋山四期工程中的应用实例

朱挺松，姜建国

（ 上海交通大学，上海 200240 ）

0 引言

洋山四期工程是上海港全力打造的首座超大规模、技术最先进的全自动化集装箱港区，对于推动上海港技术升级换代、综合服务能级提升和上海国际航运中心的发展具有重要意义。港区采用国际最新一代自动化集装箱装卸设备，部分变电所供电设备数量较多，作业时产生极大的冲击负荷且谐波叠加后超标几率较高，对电网的安全稳定经济运行带来不利影响，同时也增加了电能损耗，不利于港区的节能减排。

1 港区电网及用电设备特点

洋山四期工程采用国际最新一代自动化集装箱装卸设备和一流的自动化生产管理控制系统，港口作业采用“双小车集装箱装卸桥＋自动导引运输车（AGV）＋自动轨道式龙门起重机（ARMG）”装卸工艺方案。

洋山深水港区由于地理位置特殊，远离供电电源，供配电系统采用长距离输电方式与大电网连接，造成系统短路容量偏小，抗干扰能力弱[1]。同时，港区内主要用电负荷为双小车集装箱装卸桥、ARMG等，具有间歇性、冲击性及随机功率潮流的双向性等特点，且这些用电设备驱动装置采用变频调速装置，向系统注入一定量的谐波，造成电网电压和电流波形的畸变，从而导致线路损耗增加、设备容量利用率降低等不良现象。

双小车集装箱装卸桥、ARMG均采用10kV供电，其设备总容量最终可达281000kW，计算有功功率约77300kW，计算视在功率为83800kVA。其中：双小车集装箱装卸桥装机配置28台，装机容量3850kVA/台的2台，装机容量3200kVA/台的23台，装机容量2900kVA/台的3台；ARMG配置122台，装机容量900kVA/台的41台，装机容量800kVA/台的81台。

2 变电所布置

根据总平面布置、装卸设备及其他用电负荷分布情况、进线电源电压等级等多种因素，工程设一座10kV中心配电所（内设七个10kV配电系统）、十六座10kV分变电所、一座箱式变电站、三座船舶岸电变电所。

同时，按照变电所接近负荷中心设置这一设计原则，结合工程实际，负责集装箱装卸桥和ARMG供电的变电所，其最佳位置应是位于带悬臂ARMG堆场南侧的空地，不占用箱位，且靠近集装箱装卸桥、ARMG等大型机械的接电装置，以减少供电线路投资。空地内分别布置有五座变电所（1#～5#变电所），如图1所示，每座变电所提供4～6台集装箱装卸桥、24～26台ARMG的10kV电源。

图1 1#～5#变电所布置示意图

虽然每台集装箱装卸桥和ARMG都按要求设置了无功补偿和滤波装置，功率因数达到了0.9以上、谐波电压限值和谐波电流分量也满足国家标准GB/T 14549规定[2]。但由于单机容量大，数量多，且为反复短时工作制，工况非常复杂，瞬间产生极大冲击负荷以及谐波叠加超标的几率较高，造成系统的电压和频率波动，在增加系统损耗的同时，对用电设备造成危害。

因此，需在上述变电所进行就地集中治理，降低特征次谐波、提高线路功率因数，以减少电源电缆的无功损失，最大限度地利用其输电能力。其次，通过跟随负荷变化，动态调节系统无功，以减小电压波动和闪变，提高母线电压恢复的速度，进而达到降低系统损耗、提高系统稳定性、提升电压质量、改善电能质量的目的。

3 解决方案

解决上述问题的最佳方案是选用高压有源动态滤波及无功补偿装置（即APF-SVG）。APF-SVG是以IGBT为核心的补偿系统，是柔性交流输电技术（FACTS）的主要装置之一，它代表着现阶段电力系统无功补偿技术新的发展方向。APF-SVG能够快速连续地提供容性和感性无功功率，滤除2～25次谐波和无功功率控制，保障电力系统稳定、高效和优质地运行。

3.1 基本原理

APF-SVG的基本原理是将自换相桥式电路通过变压器或者电抗器并联在电网上，适当调节桥式电路交流侧输出电压幅值和相位，或直接控制其交流侧电流即可使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿目的，见表1。

表1 APF-SVG的基本原理

3.2 突出优势

相对于传统的补偿及滤波装置，APFSVG在以下几个方面有着无可比拟的优势[3]：

1） 补偿方式

采用电源模块进行无功补偿，通过检测系统中所需的无功，快速发出大小相等、相位相反的无功，实现无功的就地平衡，保持系统实时高功率因数运行。补偿后的功率因数约在0.98以上。

2） 补偿时间

5ms～20ms完成一次补偿，满足无功补偿在瞬时完成为宜。

3） 无级补偿

0.1kF开始进行无级补偿，完全实现精确补偿。

4） 谐波滤除

不产生谐波、不放大谐波，可滤除50%以上的谐波。

5） 使用寿命

10年以上，自身损耗极小且基本无需维护。

3.3 容量确定

系统总的补偿容量包括滤波补偿容量、无功冲击补偿容量和基波无功补偿容量。由于系统无功冲击主要为无功影响，因此当无功冲击大于基波无功补偿容量时，总补偿容量不考虑基波无功补偿部分（补偿的无功冲击容量已包含基波无功补偿）。

基波无功补偿容量：通过补偿前功率因数角正切值与补偿后功率因数角正切值的差值，与有功功率的乘积得出。滤波补偿容量：在集装箱装卸桥装和ARMG调试时，经过配置的多功能仪表，分别测得设备负荷电流的谐波次数、谐波电流以及设备的最大负荷变化量，按照《工业与民用配电设计手册》和国家标准GB/T 14549《电能质量 公用电网谐波》的相关规定，对每段母线的滤波补偿容量进行估算。无功冲击补偿容量：按照国家标准GB/T 12326《电能质量 电压波动与闪变》[4]对每段母线的无功冲击补偿容量进行估算，最终确定每段母线所需的补偿容量。

4 投运分析

根据现场实测结果，APF-SVG在投运前后，10kV中心配电所内Ⅵ系统的Ⅱ段母线各次谐波电流最大值数据对比详见表2。

表2 各次谐波电流最大值在APF-SVG投运前后的数据对比表

从表2可见，在APF-SVG投运前，各次谐波大大超出了国标的限制范围，而在投运后，各次谐波得到明显改善，达到了预期治理目标。

此外，根据某一时段的现场数据可以看出，系统功率因数也有一定提高，最低由0.94提高至0.97，如图2所示。

图2 APF-SVG投运前后功率因数变化情况

5 结语

港口的大型机械容量大、数量多、工况复杂，是典型的谐波源和无功源。通过长期针对洋山港四期工程电能质量测试，发现APF-SVG对10kV母线的2～25次谐波均有较好的治理效果，对系统的功率因数也有一定程度提高。装置运行对电网系统稳定具有较大帮助，有效优化港区的电网电能质量，节能降耗，促进绿色低碳港口的建设，达到了预期目标。