节能减排示范项目 港区电网动态无功补偿及谐波治理技术

节能减排典型示范项目——港区电网动态无功补偿及谐波治理技术广州港是华南地区综合性主枢纽港。

2007年全港货物吞吐量达到3.4亿吨，居全国沿海港口第3位，居世界十大港第五位。

其中，2007年广州港集团货物吞吐量达到2.3亿吨。

为响应国家节能减排号召，构建高效、节能的绿色电网体系，提高电能利用效率，合理用能，广州港集团以科学发展观为统领，积极研究探索，合理运用动态无功补偿及谐波治理技术，提高功率因数，治理电网谐波，取得了明显的效果。

广州港集团在对港区电网进行全面、系统测试的基础上，掌握了装卸设备产生谐波的状况及谐波在电网中的分布规律，科学运用动态无功补偿及谐波治理技术进行重点整治，大大提高了电网质量，以较少的投入换取较大的收益，起到了“四两拨千斤”的效果，是国内港口提高电网功率因数、治理谐波的成功范例。

该项技术的成功应用，不仅使港口用电设备处于良好的工作环境中，降低了用电设备的故障率，而且提高了港区电能利用效率，节能降耗，体现了广州港集团“实干创新，强港奉献”的企业精神和节能创新理念。

该技术的推广和应用有助于构建绿色电网、绿色港口。

广州港集团解决港区电网无功补偿及高次谐波问题的科学方法，值得港口企业参考和借鉴，同时对于国内拥有自有电网的其他企业也有一定的参考价值。

广州港集团有限公司“港区电网动态无功补偿及谐波治理技术”推广材料——交通部节能减排专家工作组一、概况广州港是华南地区综合性主枢纽港。

广州港集团现有万吨级以上泊位46个，其下属七大装卸公司，分别为黄埔港务分公司、新港港务分公司、西基港务分公司、广州集装箱码头有限公司（GCT）、河南港务分公司、新风港务分公司、新沙港务有限公司。

主要从事集装箱、石油、煤炭、粮食、化肥、钢材、矿石、汽车等货物装卸。

在腹地经济持续快速发展的推动下，广州港货物吞吐量持续增长。

1999年全港货物吞吐量突破1亿吨，成为中国大陆第二个跨入世界亿吨大港的港口。

2006年吞吐量达到3亿吨，港口货物吞吐量居全国沿海港口第三位，居世界十大港第五位。

2007年广州港生产再创新高。

全港货物吞吐量突破3.4亿吨，继续保持全国第三、世界第五位；广州港集团货物吞吐量完成2.304亿吨，比上年增长14.9％。

2007年装卸生产能耗达到30456吨标煤,其装卸生产用电消耗为25743吨标煤（6372万kWh），占到港口装卸生产能耗的70%以上。

随着港口装卸设备上电力电子装置的大量使用，产生了大量的谐波，影响了港区电网质量，不仅会造成用电设备故障率提高，而且会增加电能附加损耗。

广州港集团针对上述情况，于2001年就着手开展港区电网无功补偿和谐波治理工作，使得港区电网供电质量保持在较高的水平，年平均功率因数保持在0.93－0.97之间，节能效果十分明显。

二、基本原理（一）需求分析随着现代电力电子技术的发展，电力电子设备得到了广泛应用。

港口大型装卸机械的电气传动先后采用了晶闸管整流直流调速设备和交流变频器调速装置，在显著提高装卸机械性能的同时，也带来了无功功率增大和谐波污染电网的问题。

由于用电设备和电网之间存在大量的无功功率往复交换，造成线路和变压器损耗增加，占用了供配电设备和配电线路的容量；谐波污染影响电网供电质量，使驱动电机发热、损耗增加，发生过载，产生的附加扭矩加重了机械冲击，并干扰电子设备及控制系统，导致故障率增加。

早期发现西基公司的供电系统就存在如下问题：两台25吨进口桥式抓斗卸船机的功率因数很低（个别工况最低大约只有0.4）；抓斗起升、开闭斗作业时的负载变化快、幅度大，导致该公司10kV配电系统的电压发生波动，波动幅度约±15%。

与此同时，两台主变在运行过程中经常出现谐波啸叫，且啸叫噪声与抓斗起升、开闭斗作业同步；还经常发生抓斗卸船机不明原因的主开关跳闸、运行中的电梯突然停止及控制线路板被烧坏等问题，这些异常现象严重降低了抓斗卸船机的工作效率，影响装卸生产，增加维修成本，存在重大安全隐患。

上世纪90年代以来，港口发展迅速，新沙港区规模不断扩大，负荷迅速增加，原有补偿容量与负荷增长不相适应，特别是原有无功补偿装置的控制、投切方式故障率高，常常不能使用，致使功率因数低，被供电部门罚款。

功率因数低，电网容量被无功功率挤占，影响了港口的发展，急需研究对策，提出解决问题的措施。

（二）功能目标广州港集团经过多年的研究和电网检测分析，制定了以下功能目标：1、提高电网功率因数。

根据港口电网与生产设备的特点，提出了构建电网三级无功补偿方案。

即在主变电站10kV侧加装电容集中补偿；在各个分变电所0.4KV母线上采用动态无功补偿装置进行分散补偿；在主要的大型装卸机械上进行就地无功补偿，形成三位一体的无功补偿体系。

从机械设备到各变电所乃至整个港区电网，平均功率因数达到0.93以上。

2、治理高次谐波。

在全面系统地摸清各类装卸机械发生高次谐波情况，以及高次谐波在电网中传播分布的基础上抓住重点，本着“经济、合理、优化”的治理原则，将谐波治理与无功补偿结合考虑，使港区电网质量达到国家有关标准。

（三）工作思路面对港口电网功率因数低、高次谐波污染这两个问题，解决的思路和方法很重要，它决定了治理的时效和经济代价。

广州港的思路是：构建电网三级无功补偿体系，按轻重缓急，先抓集中补偿，即在港区电网进线端集中补偿。

这样抓一个点，工期短、投资少、见效快，立竿见影地扭转了被供电局罚款的局面。

但是，集中补偿“补上不补下”，港区电网内部功率因数低并未好转。

第二步，抓二级变电所的动态无功补偿，即分散补偿。

要做好补偿，还需要解决动态补偿的技术问题。

由于港口大型电动装卸机械负荷电流快速变化，无功补偿必须具备快速响应的特性，克服原有补偿装置所出现的过补偿或欠补偿的现象；另外，采用计算机控制技术控制晶闸管替代接触器投切，以解决传统控制方式的无功补偿装置，元器件易损坏、维修困难和运行成本高的难题。

第三步，抓大型设备的就地补偿。

进一步提高整个电网的功率因数。

就地补偿分两种，一是相对稳定的负载如大容量的皮带机，可采用就地与电动机并联电容器组的静态无功补偿方法；二是电流剧烈变化的大型机械，如桥吊、门机等，必须配套动态无功补偿装置。

关于高次谐波污染问题，不是头痛医头孤立地解决某个设备问题，而是要系统全面地弄清各类设备产生高次谐波的频谱，弄清高次谐波在电网中传播和分布的情况。

针对所存在的问题，抓住主要问题予以解决。

将动态无功补偿、高次谐波治理等问题列入科技项目计划，通过科技进步促进电网治理。

2001年，广州港安排了科技立项，研究一套动态无功补偿装置。

解决好技术难题，切实促进动态无功补偿。

2001年，还安排了一个科技立项，对港口典型电网的高次谐波污染状况检测分析。

当时用什么仪器、如何检测高次谐波并无经验可循，因此，以科技立项的形式推动港区电网高次谐波的检测摸查及治理。

三、实施方案针对港区电网功率因数低和频繁出现设备故障的现象，2001年广州港集团立项研究无功补偿和谐波检测两个科技项目，对港区电网功率因数补偿提出了经济合理的实施方案，对港区谐波源、谐波分布状况进行了全面测试分析，并在部分港区进行试点，选取了合适、可行、可靠的技术后，在全港进行实施。

2004年立项开展西基桥式抓斗卸船机动态无功补偿和谐波治理项目。

2007年再次立项抽查检测治理后的港区电网高次谐波状况，对实施成果进行了验证考核，结果表明高次谐波含量很小，符合国家标准。

（一）新沙港区动态无功补偿及谐波治理实施案例对港区功率因数和谐波污染采取三级补偿和治理方案。

分别在110kV电站10kV侧进行集中无功补偿、在各分变电站低压侧进行分散无功补偿和在大于等于132kW的交流电动机旁进行就地无功补偿。

1、110kV电站集中无功补偿110kV电站10kV侧，采用自动无功补偿装置。

高压电容器分成300 kVAr、600 kVAr、900 kVAr 三组，按设定功率因数分组控制电容器的投切。

同时串联电抗器，组成LC滤波器，抑制电网高次谐波。

2、分变电所分散补偿新沙公司对10kV二级电站中的主要电站进行了改造。

首先在1＃分变电站进行。

采用低压动态无功补偿装置，可跟踪负荷无功电流的变化，对电容器组进行快速投切，动态响应时间小于20~40ms。

同时串联电抗器，组成LC滤波器，抑制电网中谐波分量较大的高次谐波，取得了良好效果，并推广应用至1＃、2＃、3＃分变电站。

改造后各主要10kV电站的功率因数均达到0.93以上。

3、用电设备就地无功补偿就地补偿分两种，一种是相对稳定的负载，如皮带机的电动机，新沙公司在单机功率大于等于132KW的电动机旁装设补偿容量分别为30kVAr、45kVAr、60 kVAr的就地静态无功补偿装置。

另一种是电流剧烈变化的大型负载，如桥式抓斗卸船机、门机，由于桥式抓斗卸船机、门机的动作频繁，如果采用静态无功补偿装置会产生补偿不足或过补偿现象。

针对桥式抓斗卸船机、门机的情况，新沙公司在购买桥式抓斗卸船机、门机时同时购买了配套的动态无功补偿装置，提高单机的无功补偿能力。

新沙公司通过各级电站、设备的无功补偿系统改造提高了整个电网的功率因数，形成了集中补偿、分散补偿与就地补偿三位一体的补偿体系。

港区内从主要的大型设备到各级变电站乃至整个电网，平均功率因数达到了0.97。

（二）港区电网高次谐波现状分析、治理建议和治理效果1、现状分析2001年广州港集团专门立项，对各类大型设备在各种工况下产生的高次谐波进行检测、绘制频谱图，还选择港区电网的关键节点进行测试，研究高次谐波生成后在电网中的传播和分布。

全面、系统对电网中高次谐波进行检测和分析。

发现了一些问题和规律：（1）直流桥式抓斗卸船机在作业时产生的谐波比预计的要严重；（2）全变频门机带来新的污染值得注意；（3）非全变频门机在作业时产生的谐波实际大小要比预计的小；（4）斗轮机在作业时产生的谐波比预计的要小；（5）早期的桥式抓斗卸船机采用D－F系统驱动方式，直流被隔离，没有明显的高次谐波；（6）日立制造的斗轮机仅有旋转机构为矢量变频的电气传动方式，由于功率不大，产生的谐波能量较小，不构成危害；（7）谐波主要来自于港口内部某些现代电气传动系统的大型设备，通过变压器后没有被加强。

没有发现明显的外来谐波。

2、主要治理建议（1）在大型设备谐波检测中发现，西基公司5#、6#直流桥式抓斗卸船机产生的高次谐波最为严重，5次谐波为主要的谐波，占到基波电流的30%以上，这是三相整流电流的特征谐波，供电系统受到影响，需重点治理；从源头消除有害谐波。

（2）不需要对所有谐波源进行治理。

起升部分没有采用变频的门机、串阻调速门机、斗轮机、交直交机组大型设备、小功率设备，可以不治理谐波。

变频器是主要的污染源，因此要从源头把关，选择谐波较少的产品；（3）利用电网中的变电设备抑制谐波。