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.docx
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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300kVAr、600kVAr、900kVAr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、60kVAr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。
选择Dyn11变压器的接线方式有利于抑制谐波。
结合分散在各变电站的、有滤波功能的无功补偿装置，对谐波层层设防，形成电网阻隔屏障，从源头和电网阻断传播两个方面综合治理。
3、谐波治理效果
2004年西基公司按照检测结果和治理建议，立项治理6#和5#桥式抓斗卸船机的高次谐波，治理后收到显著效果。
抽查点波形图（1＃分变电站）如图1、2所示：
图1 电压电流波形图
图2 测量过程中所能捕捉到的谐波最大瞬时值
图3 谐波最大瞬时值（设备抓屏）
图4 谐波大瞬时值（设备抓屏）
从图1～图4可以看出，1＃分变电站的电压各次谐波几乎为零；1＃分变电站的电流存在各次谐波，谐波总畸变率为2.8％，满足国标要求。
（三）西基分公司桥式抓斗卸船机动态无功补偿和谐波治理项目实施案例
根据检测现状及分析结论的建议，针对谐波污染较为严重的两台西德桥式抓斗卸船机（SU5、SU6），西基分公司专门立项进行治理。
治理方案采用加装滤波电抗点的动态无功补偿。
1、就地动态无功补偿结合谐波治理方案
为确保无功补偿效果，电容器组分5组投切，5组电容器组的容量按1：
2：
4：
6：
7的比例分布，总容量为1000kVA。
实时跟踪电压、电流的相位差，通过计算机运算，采用可控硅无触点控制电容器的投切，响应时间小于20ms。
同时LC滤波器滤除5、7、9、11…高次谐波。
图5 现场无功补偿及谐波治理装置
2、两台进口桥式抓斗卸船机动态无功补偿和谐波治理效果分析（以SU5为例）
改造后，设备运行稳定，提高了桥式抓斗卸船机运行可靠性。
主要表现在以下方面：
（1）谐波电流得到了有效的抑制，5次谐波电流由原来的30%降为3.3%；
（2）桥式抓斗卸船机平均功率因数稳定在0.93以上；
（3）经多次实测，在同样作业条件下，改造后设备运行的电能消耗比改造前降低5.88%（最小实测值）。
（4）补偿后电压、电流波形趋于正弦化。
电压畸变率由补偿前的15%下降到5%，满足国标要求；
（5）稳定了电网电压，网压波动由补偿前的±15%下降到±5%；通过补偿、提高供配电质量，消除了系统误动作隐患。
（6）视在功率减小34%，变压器输出电流大幅度减少，下降幅值最大为39%；
（7）补偿后变压器视在功率降低，同时减小了变压器的涡流损耗，变压器温升下降了约25%；
（8）改造后消除了作业时桥式抓斗卸船机的电梯经常停止等安全隐患，大大减少了对设备的周期性冲击，故障次数减少约1/3；
（9）消除了主变压器的谐波啸叫，净化了港口供电电源。
四、主要措施
“动态无功补偿及谐波治理技术”之所以在广州港集团有限公司得以顺利实施的主要措施如下：
（一）管理节能是核心
为了节能降耗，降低生产成本，各级领导高度重视节能工作，开展了“动态无功补偿及谐波治理技术”。
加强能源计量，督促检查“动态无功补偿及谐波治理技术”效果，以提供可靠的数据与信息来对此能源技术改造提供数据依据。
（二）前期工作是基础
通过大量现场调研和测试，对在变电站内安装具有谐波治理功能的就地动态无功补偿装置、在设备上就地治理谐波、变电所集中补偿等几种治理方案进行了科学论证，并对几个方案的整体效果、投资费用、实施难度、施工周期、运行维护及对生产作业影响等方面进行了综合考虑。
（三）人员配备、资金落实是保障
集团高度重视此项目，配备合适的技术、管理、操作和高校科研人员，落实资金渠道，投入数百万元，保证了项目顺利完成。
（四）科技创新是动力
科技创新是生产力发展的源泉。
广州港集团及时跟踪先进的电气装置和检测设备并充分加以利用，使科学技术转化为生产力，发挥了巨大作用。
五、项目成效
（一）社会效益
目前，国内港口由于装卸机械上大量使用电力电子设备，造成大量高次谐波污染电网，影响了港区供电质量，造成了一定的设备故障和电能损耗；另一方面，而港口电网中无功功率补偿装置普遍效果不够理想，降低了电网效率。
广州港集团以科学发展观为统领，敢于创新，找到了一套成功解决无功补偿和谐波治理问题的办法，提供了一个科学思考问题的方法，对于解决国内港口谐波污染问题有积极意义，并且国内拥有自有电网的企业均可参考、应用该项技术成功应用的经验，其社会效益巨大。
（二）经济效益
广州港集团实施的港区电网动态无功补偿及谐波治理技术改造项目，收到了良好的节能效果和经济效益。
以新沙公司为例，至2007年底公司先后共投入约360万元对电网的无功补偿系统进行改造，使全公司无功补偿容量从投产之初的3060kVAr增加到8200kVAr，年平均功率因数从0.82上升到0.978，装卸作业综合电能单耗从0.97kWh/t下降到0.58kWh/t。
从2002年起至2007年止，全公司平均每年节省电能约140万kWh，约合电费130万元，提高供电设备的容量利用率6%，投资回报明显。
另外，改造后的电网谐波指标符合国家标准，彻底消除功率因数低造成的供电部门加收的电力罚款，从1994年罚款6万元变为2000年开始获取一定的电力奖励，2007年奖励金额更是超过27万元，也降低了企业生产成本。
下表为各年度（以1月份为例）供电局收费情况：
表1 各年度供电局的收费情况
序号
年度
月用电量（KWh）
平均功率因数
供电局奖罚情况（元）
奖（-）罚（+）
1
1994
195,322
0.74
6515.95
2
1999
536,826
0.85
4831.44
3
2001
796,659
0.93
－2853.63
4
2002
1,321,146
0.93
－4792.34
5
2003
1,785,223
0.97
－9037.69
6
2005
1,887,329
0.97
－10035.87
7
2006
2,369,891
0.97
－19045.87
8
2007
3,127,520
0.97
－26173.59
同样的三级无功补偿技术改造在广州港集团新港分公司也取得了较好的效果。
2001年至2007年间，该港区电网年平均功率因数均在0.96以上，节能效果十分明显。
另外，广州港集团针对重点设备的谐波治理也取得了很好的效果。
广州港集团西基分公司针对5#、6#桥式抓斗卸船机的谐波治理，效果十分明显。
表2为5#号桥式抓斗卸船机实施无功补偿措施后的谐波电流对比，可以看出补偿后的谐波电流完全能够满足国家标准要求。
表2 SU5补偿前后谐波电流对比统计（取随机测试最大值）
状态
参数
补偿前
补偿后
滤除率
（A）
564
159
72%
（A）
150
90
40%
（A）
176
82
53%
（A）
92
31
66%
电压畸变率
15%
5%
10%
该项技术改造在投入不到80万元的前提下，不仅使得设备生产单耗比改造前下降了约6%，每年节约电能11.5万kWh，而且设备故障次数减少约1/3，消除了以往经常烧坏控制线路板和开关跳闸的问题，消除了这两台桥式抓斗卸船机作业时桥吊电梯突然停止运行的安全隐患，降低了设备故障率，每年可减少维修成本过百万元，同时降低了运行成本，经济效益显著。
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