集裝箱碼頭電網諧波抑制方案設計

摘 要：本文基于無功補償和諧波抑制理論，對國內某集裝箱碼頭10kv變電所存在運行電壓偏高、功率因數低、諧波含量大等電能質量問題提出基于TSC裝置的治理方案，通過仿真得到TSC裝置對10kv變電所諧波抑制后的效果，通過該裝置的應用能夠使該集裝箱碼頭10kv變電所諧波含量滿足國標限值要求，采用TSC裝置能夠有效優化集裝箱碼頭電網電能質量、從而節能降耗推動綠色低碳港口的建設。

關鍵詞：集裝箱碼頭；諧波；TSC；無功補償

前言

目前國內集裝箱碼頭在各作業環節普遍采用電力裝卸設備，在大大提高裝卸效率和用能效率的同時，單位運輸能耗和污染物排放量明顯下降。伴隨著電力設備應用比例的增長，電力裝卸設備普遍存在功率因數低、諧波電流含量大的電能質量問題，對集裝箱碼頭電網的安全穩定經濟運行造成了非常不利的影響。隨著交通運輸部大力推進綠色低碳港口建設，RTG“油改電”和靠港船舶使用岸電等港口電氣化改造項目的實施，電力裝卸設備在集裝箱碼頭應用比重將逐年提高，需要對集裝箱碼頭電能質量問題進行研究與治理工作。

1 集裝箱碼頭電能質量情況

國內某集裝箱碼頭包括3個10000噸級集裝箱泊位，年吞吐量為100萬TEU，對當地的國民經濟發展起著重要的推動作用。該碼頭布置3座10kv變電所（1#～3#），3座變電所進線來自碼頭外10kv母線。該碼頭生產用電設備主要包括岸邊集裝箱起重機、ERTG（電動式輪胎式起重機）等，這些設備功率較大，工作時電壓波動頻繁，功率因數偏低，諧波電流含量高。

通過對該碼頭10kv變電所的電能質量測試，得到10kv母線電能質量情況，測試結果表明10kv母線存在功率因數偏低（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10kv母線運行電壓偏高，總諧波電壓畸變率THDu也較高達到4.24%。

該集裝箱碼頭3座10kv變電所雖然已分別采用無功補償裝置，但采用的是傳統的靜止型無功補償裝置FC（Filter Compensation），不能實時根據電網無功需求實時調節無功功率，因此對無功補償的效果并不理想。且在碼頭建設時設計的靜止型無功補償裝置FC中濾波單元的諧波電流系數kh沒有基于測試數據設計，造成濾波器對諧波的濾除率不高。而目前電能質量問題已經影響到碼頭的正常生產作業，因此急需對無功補償和諧波抑制方案進行重新設計。

2 治理方案設計

TSC（Thyristor Switched Capacitor）是靈活交流輸電（FACTS）技術之一，是一種可以動態跟蹤電網或負荷無功波動，并無級輸出無功功率補償系統所需無功并維持電壓穩定的裝置。可實現動態無功補償、電壓調節、可有效提高系統功率因數、降低網損、改善電能質量。是提高中高壓輸配電網運行經濟性和可靠性一種經濟實用的技術手段[1]。TSC裝置主要由濾波裝置（電抗器+電容器）和無功補償控制器組成，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。運用公式kh=ZSh/ZNh求得諧波電流系數kh。其中10kv系統阻抗ZNh是10kv供電系統阻抗與TSC裝置的濾波器FC裝置相并聯后的阻抗；ZSh為10kv供電系統的阻抗，h為諧波次數。諧波電流系數kh是評價TSC裝置抑制諧波的重要參數。

圖中：RS、LS、RP為系統阻抗參數，總阻抗為ZSh；ZFh為濾波裝置 次諧波阻抗；ZLh為負載h次諧波阻抗；ZFh為ZFh和ZLh的并聯值。

根據仿真模型求得10kv母線系統阻抗特性和諧波電流系數kh，如圖3所示，系統的諧波電流系數kh如表4所示。

4 仿真結論

根據仿真結論，采用TSC裝置后該集裝箱碼頭10kv母線的電能質量得到了較大改善，主要電能質量指標滿足國標限值要求：當TSC裝置投入運行后，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）規定的允許值要求；并且TSC裝置能夠實時補償10kv無功功率，集裝箱碼頭10kv母線電壓偏差會減小，電壓波動能夠得到抑制；同時10kv母線功率因數將可以保持在0.95以上。

5 結束語

隨著“十二五”時期綠色低碳港口的大力推進，電力裝卸設備憑借節能、排放低等優點在港口應用比例將逐年提高。本文通過在國內某集裝箱碼頭采用TSC裝置治理電網電能質量問題，使該碼頭電網的電能質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量問題的理想方案，對國內正在建設綠色低碳港口的集裝箱碼頭企業有著很好的借鑒和工程應用價值。

參考文獻

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[6]楊書臣.近年日本創建低碳港口的特點及舉措[J].港口經濟，2011.7.

作者簡介：侯玨（1985，10-），男，工程師，安徽省合肥市人，研究方向為：港口節能技術、電力電子技術。