集装箱港口电网谐振原因分析和整改措施

集装箔港口电网谐振原因分析和
整改措施
陈勇宁
（宁波北仑第三集装箱有限公司，浙江宁波315800）
摘要：结合集装箱港口电网模型和负荷特点，从电路分析和能量流的角度，研究电网产生谐振的原因和危害。

利用Fluke表，以宁波舟山港穿山港区为对象，进行波形仿真校验，结果表明：通过优化码头供电回路和驱动器及检测回路，单台变压器可供电32台岸桥，同时作业过程中电压稳定，达到既经济又节能的效果。

关键词：集装箱港口；高次谐波;振荡；电网模型；能量流；波形仿真校验
0引言
近年来，随着集装箱船大型化的发展,越来越
多的大型集装箱岸桥配置在码头前沿。

由于其功
率巨大，对电网的要求越来越高，影响也越来越
大。

目前存在的较大问题是:作业过程中，当设备
投入过多时，电网容易引起谐振、振荡，直接影响
作业安全，同时大能量的高次谐波会直接损害电
网内的电器设备并增加线路损耗。

目前，国内大型
集装箱港口都遇到类似现象，采取的措施比较被
动，大多通过扩大变压器容量来解决电网谐振和
振荡的问题。

本文着重阐述大型集装箱港口电网
模型和负荷特点，分析电网产生谐振、振荡的原因
和危害，并提出相应的抑制方法。

1港口电网介绍
1.1港口设备供电组成
港口设备供电构成见图1。

港口设备供电一般分3级：第1级是前端高压变电所，用于将110kV及以上的电网高电压转为10kV码头用高压；第2级是10kV电网线路配电，变电所到设备的电网传输线路；第3级是堆场设备设施
图1港口设备供电构成
1.2港口电网现状与模型
目前，大型港口（岸桥数量在25台以上）的电网变压器单机容量一般在20000kVA以上，电网
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•
设计为2台或3台变压器，以单回路或双回路供 电。

其用电特点也十分明显:作业时冲击载荷大,
电网负荷大,负荷呈现明显的脉动特点;无作业时
只是很小的日常工作负荷。

大型港口电网典型模 型见图2O
常规大型岸桥的单机功率基本都在2 000 kVA 左右。

作业时，负荷快速升降，岸桥无论起升耗电
还是下降回馈，相比电网内其他用电负荷，功率都
十分巨大，因而作业时的岸桥用电状况基本可以 反映整个港口电网的用电状况，为分析方便，只考 虑变压器和岸桥的简易模型。

现将岸桥的低压阻
抗等效折算到高压侧。

作业过程中电网电路模型 见图3O
变压器 变压器
#1变 #2变 #x-1变 #乂变
图2大型港口电网典型模型
2影响电网产生谐振、压降的因素
大型港口一般都有10台以上的岸桥，各岸桥 在作业时同步系数约为0.3 ~ 0.4。

作业中，起升机
构下降时，电机处于回馈发电状态,可看作回馈电 源，上升时耗电，可看作耗能负载。

将输入电压尙、 负载阻抗Z 和回馈电压〃z 分别考虑，根据叠加原 理绘制其等效图,岸桥作业等效图见图4。

U m =U 0 x sin IOO ttz t/fea=f/a x sin (讽+&)
式中：&为输入电压;％为回馈电压。

由电路叠 加定理和戴维南定理可知，整个电网的阻抗随着
岸桥作业状态的变化而变化，中间的计算十分复
杂，但可以知道负载所受的功率在多电源叠加作 用下其波形应类似一个傅里叶级数的展开
Z=/?+J(2-n/L-l/2TT/C) (3)
式中:P 为负载功率,kW ；u 为各线路电压,kV ；i 为回 路电流,A ；J 为虚数单位;Z 为阻抗,0子为频率,Hz ；
L 为电感,h ；C 为电容,f 。

当2RI-云石=0时阻抗最小，即频率越接近f=― ，越容易产生i 皆振。

2tt VLC^
当前，普遍认为电网谐波是变流器在整流或 回馈逆变时由于开关作用造成电网内高次谐波分
量过大而引起的。

但在此认为目前用IGBT 功率管
做SPWM 调制的变流器叫就单台而言，它的回馈 电压是采样变流器前端的受电电压为参考值的，
(1)
• 39
•
由于其载波频率基本在2 kHz 以上，当回路中有
电感时，其回馈的电压和电流基本都是正弦波，畸 变量很小叫其功率因数近似1左右叫而前端电抗
器的存在使其高次谐波分量很小,基本上5、7、11、
13、17、19次以上的分量就更小了。

分析供电模型叫岸桥供电模型简图见图5, 电网的振荡进一步分析如下：
电网电流/是各起重机电流之和,即：
/=人+厶+厶+•••+/”
(4)
起重机进线电压V 2为变压器二次侧端电压
y,与线缆电感电压V,.的叠加，即：
V^V^+Vt-Vy+Lxl x sin( 0-90°) (5)
电压振荡模型见图6,看岀电压V,和V,.相互 叠加,使电压5相位发生偏移，造成电压振荡。

图6电压振荡模型
相位偏移角度仏随电网电流(起重机负载)
波动，其会随线缆阻抗的增大而增大。

通常，电力线路的输电能力受到限制的最主 要因素是线路的电压降幅，一般允许值不超过
10%,线路电压降幅为
AU%=^-(R a +X 0 tg ^PL/U 2 (6)
式中:厶为输电距离,km;P 为输电容量,kW ；〃为 线路电压,kV ；tg0为按功率因数折算的正切值；
&为线路电阻及感抗,(l/km o 由压降计算公式可知：电网压降和输电距离 厶、输电容量P 、线路电阻与感抗X…是呈正比关
系的；电网压降与功率因数cos 0、供电电压U 是
呈反比关系的。

对单台岸桥进行作业检测，其结果完全符合分
析预期，高次谐波分量占比非常小。

在此，可能造成 电网谐振的原因有:输入电源和回馈电源共同作用 负载，由于回路的非线性特点，各电源间的电压幅
值、相位、频率存在误差，共同作用造成其负载回路 所受的电压和电流含有高次谐波分量，同时大负荷
的冲击也容易引起电网电压波形的动态波动，当畸 变量过大时,髙次i 皆波的分量将影响电网。

变频器回馈功率由下降负荷和下降速度决
定，当〃一定时，则回馈电源瞬间类似电流源。

若 回馈电网功率瞬间过大，电流会很大，如果电网内 无其他大负荷进行耗能，回路局部积聚能量,当回
馈能量中高次谐波的能量过大时，由于主回路电
缆集肤效应的存在叫能量如果无法有效消耗或上
传到上级变压器，根据能量守恒定理叫由视在功 率可知多余能量将以线路发热消耗和无功功率的 形式存在叫由傅里叶级数可知，除基波外,如果某
高次谐波分量何电压有效值较大，同时电网负载阻 抗的固有频率与某高次谐波接近，则此分量回路
中的电流也很大，其视在功率很大，无功功率很 大,当能量足够时，由于其电流大和高频电抗大而
储存大量能量，容易形成驻波，引起电网振荡。

3电网谐振、压降的解决措施
3.1码头供电回路的优化
(1)新港口在设计时，应按负荷合理配置，形
成树状层级结构，同时合理设计变压器的星三角
接法和容量，利用变压器隔离作用对一部分高次
谐波进行滤波，抑制高次谐波的产生。

另外，设计 时应充分考虑负载情况，如果电网内存在大功率
电阻性负荷，回馈的能量就能及时就近消耗，这样
谐振也不容易形成。

供电变压器容量4指地面向码头设备供电的
主变压器额定容量，实际装机容量B 指地面供电 变压器下挂的所有负荷容量，岸桥装机容量指机 上主变压器与辅助变压器容量之和。

当4下挂4台以下(含4台)岸桥设备时，要 求4：BM0.65：l ；当4下挂8台以下(含8台)岸桥
设备时，要求4 ：Z?>0.60：1；当/1下挂12台以下
(含12台)岸桥设备时，要求4：BM0.55：l ；当A 下 挂12台以上岸桥设备时，要求4 ：B 30.50：1。

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•
(2)优化回路。

采用多回路供电，使负荷均匀 分布在各回路中，尽量减少电缆集肤效应冋的影 响，使能量顺利快速交换。

⑶减小变电站到设备的供电距离。

参考日本
港湾技术协会要求以及YSAD 理论分析和实践 经验,岸桥设备到地面主变压器的线路距离应在
2 500 m 以内。

3.2优化码头设备驱动器及检测回路
(1)采用高性能的正弦波PWM 整流器(FSD-INV),正常工作时，谐波不超过3%,功率因数在 0.95以上。

(2) 适当增加变频器前端电抗器的电感量，取
值尽量避开谐振点,这样既能起到滤波作用,又能 抑制电网谐振。

(3) 针对5、7、11、13、17、19次以下的高次谐 波设计滤波器,使各高次谐波分量减少,视在功率 不是太大。

由于各高次谐波的能量都不大,有控制
电网谐振的可能。

驱动器进线电压波形见图7。

电流
(b)制动状态
图7驱动器进线电压波形
(c)二级管整流
(a)电动状态按照上面的波形可看出，高效的驱动器有以
下特性:能够降低回馈电能的谐波问干扰,失真度
在5%以内；能够减少电力供电设备的容量，功率 因数在0.95以上。

3.3测试结果
以宁波舟山港穿山港区为例,由于生产需要，整 个港区经常需要30路以上的生产作业线,以前用2
台20000 kVA 变压器二回路合理供电各岸桥，无电网谐振现象。

对］台单供也做过测试，基本可供23台
岸桥同时正常作业。

由于穿山港区整体用电需求，对
改成2台40 000 kVA 变压器，但当1台40000 kVA
的变压器投入使用后,26台岸桥同时生产，会出现电
网谐振叫严重影响港区内许多电气设备的使用。

根据以上分析的原因，积极与厂商沟通合作， 在现有状态下采取以下措施：
(1)改变供电线路，由单回路串联供电变为并 联供电模式，合理安排负荷，减少电缆的集肤效
应，优化能量交换。

(2)利用检测的电网数据，优化变流器回馈电 压的相角，减少负荷电压的畸变量。

驱动器电压检
图8驱动器电压检测回路
• 41
•
(3)重新调整增大电抗器电感量。

通过上述调 整方案,对竹湾变电站测试进线电压、谐波分量和 功率因数。

测试条件:#2变压器110kV/10kV 供
电,# 1变压器断开，作业岸桥约28台，作业场桥
35台。

测试点:#2变压器10 kV 输出侧。

电压电流波形见图9O 电压谐波分量见图10o
功率因数见图llo
•电压谐波分量：0.91%<5%
列表
u 、
[(°)]
电路 1
1
W]
1
10.138 k
100.000.0030.015 k 0.15-44.5850.050 k 0.49106.34
70.012 k 0.129().003 k 0.02-99.09
110.014 k 0.14130.012 k 0.12150.001 k 0.01158.06170.002 k 0.02-16.36190.005 k 0.05210.001 k 0.01230.007 k 0.07-55.65250.012 k 0.11-40.96270.006 k 0.06290.012 k 0.1231().(X)8 k 0.08-59.18
330.007 k 0.07350.065 k 0.64370.010 k 0.10-133.7439
0.001 k
0.01
112.11
50.034 Hz U 、ORD01
10.138 kV 100.00% 0.00°
TOTAL 10.138 kV THD-F 0.91%U 150 V
x 100.00
I 100 A
x 200.00
接线
3P3W2M 电路
x 1
PLL U x
50 Hz
间隔
100 ms
显示屏 CH
次序保持状态
图10电压谐波分量
采取对应措施后，目前单台40 000 kVA 变压 器供电32台岸桥，作业十分稳定，达到既经济又
节能的效果。

4结语
本文以码头设备供电电网为研究对象.以整 个电网系统为模型，从产生电网谐振、振荡的原因
•功率因数,09~0.98>0.9
主目录 瞬时值电路 1 .
U 150 V
510.156 kV 0.432 kA x 100.00u 210.175 kV 0.427 kA I 100 A UK 10.190 kV 0.429 kA x 200.00g 10.174 kV
0.429 kA
接线
p
7.35 MW
1.74 MVA 3P3W2M 7.55 MVA 电路
PF
0.9732
XI 50.036 Hz PLL U\
WP+0.000 MWh
0：00：00
50 Hz 间隔
100 ms
显示屏
平均值 保持状态
图"功率因数
分析入手,根据港口实际状况,合理采取措施,在 一定范围内用较少费用保障港口生产的顺利进 行。

通过分析得知，现实中存在许多类似的用电现 象，采取同样措施也可以解决此类问题。

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