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摘要：随着国家进出口贸易的发展，港口行业也蓬勃发展并且逐渐成为电力消费大户。同时，电力电子技术的进步使得大型电力传动装置在港口得到广泛运用，而这些设备大多属于非线性用电负载，属于典型的谐波源，使用过程中会向港口电网注入大量谐波，从而严重影响港口电网电能的质量。
关键词：港口；电能质量；负荷运行；测试
近几年来港口电能的消耗比例越来越高，使用电力设备提高了港口的装卸效率和用能效率，且单位运输能耗和污染物排放量也显著降低，同时也加快了高能耗、高污染及高排放运输装备的更新。但是在这一过程当中，港口的电能质量问题也日益严重。由于港口使用的大功率电力装卸设备，往往存在着功率因数低和谐波电流大的问题，从而给港口电网的稳定运行带来不利影响。
一、港口电网电能质量问题
港口电网的电能质量有着以下方面的特点。目前港口使用的往往都是大功率的电力装卸设备，在使用过程中存在谐波含量大和功率因数低等问题，会对变压器、电容器、大型机械、熔断器及测量仪表等带来严重危害[1]。除此之外，功率因数低和谐波电流损耗也会导致电网运行能耗较高的同时供电可靠性下降，使得电力消耗增加而违背节能减排的目的。以X港口的电网为例，X港口的主要货种为集装箱和杂货。港口建设有1座35kV主变电所和4座10kV分变电所，配电网如图1所示。
港口配置的用电设备包括岸桥、装船机、门机等。这些设备的用电功率都比较大，所以工作时会给电网带来较大的有功和无功冲击，且电压的波动非常频繁。根据X港口对35kV主变电所和10kV分变电所进行的电能质量测试，发现10kV分变电所存在功率因数低同时各次谐波电流含量大这一问题，并且35kV母线运行电压较高，从而导致电网损耗上升，电网总谐波电压畸变率THDu超过4%[2]。虽然X港口的10kV变电所都使用了无功补偿装置，不过使用的是传统上的静止性无功补偿，无法实时根据电网的无功需求而调节无功功率，从而导致港口电网功率因数较低且电压波动频繁。此外，之前设计的无功补偿容量难以满足港口电网的需求，滤波器谐波电流系数kh也没能根据测试的数据进行设计，从而导致滤波器滤除谐波的比率过高，影响到港口电网电能的质量。
二、港口电网电能的负荷特性
港口用電设备对供电质量的要求较高，一旦出现供电回路波动或中断，会严重影响港口的正常作业，从而造成巨大损失和生产事故，因此一定要确保供电质量的可靠性和安全性。在谐波来源方面，港口用电设备当中的谐波主要来源于整流器、逆变器、变压器等设备，这些设备一方面吸收基波功率，另一方面会产生谐波功率和谐波电流。谐波能够加剧用电元件发热，从而导致设备老化，会对港口电网的安全稳定运行带来不利影响。
首先是谐波能够损伤港口电网变压器，谐波电流会使变压器铜损上升，从而导致变压器的发热量增大。尽管港口电网变压器都具有隔离谐波的装置，但在隔离低频谐波方面的效果并不理想，同时谐波电压还会导致电力变压器涡流损耗和磁滞损耗。
其次是对电缆的影响，谐波会导致电缆介质损耗和输电线路功率损耗，从而使得输电线路温度上升，加速其绝缘老化[3]。输电线路存在集肤效应，在该效应作用下，线路电阻会因为频率上升而增大。在电力系统中中性线的功能是为三相不平衡电流提供通道，在一般条件下不平衡电流较小，所以中性线设计较细，但是中性线中3次谐波含量上升时，就会导致中性线严重发热甚至烧毁。
再次是对电容器的影响，这表现在电容器的谐振问题上面。在工频状态下电网安装的电容器要远远大于感抗从而依次消除谐振。不过谐波状态下的电容值大为减小，同时电抗值上升，进而增加谐振可能性。谐振会放大谐波电流进而导致电容器损坏。
除此之外，港口电网当中无功功率负荷也较为严重。港口装卸作业使用的设备通常是动态负荷，设备作业周期时间较短，随着装卸设备快速和无规律的运行，电网无功功率变化较大，同时功率因数变化范围也较广。同时，港口皮带机在工作过程中同样会产生无功功率，注入电网后会严重影响港口电网电能的质量。
三、港口电网电能改造技术
SVC（Static Var Compensator）是一种灵活交流输电技术，能够动态跟踪电网或者负荷的无功波动，同时无级输出功率补偿所需的无功进而维持电压稳定。SVC装置可以分成多种型号，晶闸管控制电抗器（TCR）是一种性价比突出的技术方案，TCR类型的SVC装置是由滤波装置（电容器和电抗器）和TCR装置共同组成。在如图1所示的电网中建立阻抗模型，通过测量仪表来测量SVC装置使用前后的电网阻抗，通过公式kh=Zsh/Znh，得到谐波电流系数kh。其中Znh是10kV供电系统同SVC装置滤波器FC并联之后的阻抗，Zsh是10kV供电系统自身阻抗，h是谐波次数，同时谐波电流系数kh则是判断SVC装置控制谐波的关键参数[4]，通过分析可以得到10kV供电系统的阻抗特性和谐波电流系数kh。
在使用SVC装置之后，10kV和35kV母线各次谐波电流都出现了大幅度下降，由改造前的66.71A下降到改造后的16.89A，也就是说在使用TCR型SVC装置后，X港口35kV和lOkV母线电能质量能够得到明显改善，电能质量的指标能够满足国家标准的限值要求，lOkV侧和35kV侧的谐波电压畸变率THDu能够满足（GB/T14549—1993）规定要求。此外，SVC装置还可以实时补偿无功并抑制无功的倒送，同时，因为港口10kV和35kV母线电压偏差降低，所以电压波动可以得到有效抑制，功率因数大为提高，测试发现10kV母线能够保持在0.95以上[5]。简言之，使用TCR型SVC装置是提高港口电网电能质量的有效解决措施。
综上所述，随着电气技术的发展和进步，越来越多的电气设备应用在现代化港口当中。在高度电气化的条件下，提高并稳定港口供电系统质量成为重要任务，只有保证电能的高质量供应，才能保证港口设备的高效运转，从而满足现代化港口高强度装卸作业的要求。
参考文献：
[1]梅新润.港口行业的用电特点及治理措施[J].港口科技，2013，11（17） ：226-228.
[2]王兆安，杨君等.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京：机械工业出版社，2012：268-270.
[3]夏道止，沈赞埙.高压直流输电系统的谐波分析与滤波[M].北京：水利电力出版社，2012：368-371.
[4]赵娜，范永峰.浅谈港口供电系统[J].中国水运（理论版），2013，7（11）：109-113.
[5]邱丽琴.浅谈企业供配电系统电能质量的测试与评估[J].山东冶金，2013，12（6）：123-125.
关键词：港口；电能质量；负荷运行；测试
近几年来港口电能的消耗比例越来越高，使用电力设备提高了港口的装卸效率和用能效率，且单位运输能耗和污染物排放量也显著降低，同时也加快了高能耗、高污染及高排放运输装备的更新。但是在这一过程当中，港口的电能质量问题也日益严重。由于港口使用的大功率电力装卸设备，往往存在着功率因数低和谐波电流大的问题，从而给港口电网的稳定运行带来不利影响。
一、港口电网电能质量问题
港口电网的电能质量有着以下方面的特点。目前港口使用的往往都是大功率的电力装卸设备，在使用过程中存在谐波含量大和功率因数低等问题，会对变压器、电容器、大型机械、熔断器及测量仪表等带来严重危害[1]。除此之外，功率因数低和谐波电流损耗也会导致电网运行能耗较高的同时供电可靠性下降，使得电力消耗增加而违背节能减排的目的。以X港口的电网为例，X港口的主要货种为集装箱和杂货。港口建设有1座35kV主变电所和4座10kV分变电所，配电网如图1所示。
港口配置的用电设备包括岸桥、装船机、门机等。这些设备的用电功率都比较大，所以工作时会给电网带来较大的有功和无功冲击，且电压的波动非常频繁。根据X港口对35kV主变电所和10kV分变电所进行的电能质量测试，发现10kV分变电所存在功率因数低同时各次谐波电流含量大这一问题，并且35kV母线运行电压较高，从而导致电网损耗上升，电网总谐波电压畸变率THDu超过4%[2]。虽然X港口的10kV变电所都使用了无功补偿装置，不过使用的是传统上的静止性无功补偿，无法实时根据电网的无功需求而调节无功功率，从而导致港口电网功率因数较低且电压波动频繁。此外，之前设计的无功补偿容量难以满足港口电网的需求，滤波器谐波电流系数kh也没能根据测试的数据进行设计，从而导致滤波器滤除谐波的比率过高，影响到港口电网电能的质量。
二、港口电网电能的负荷特性
港口用電设备对供电质量的要求较高，一旦出现供电回路波动或中断，会严重影响港口的正常作业，从而造成巨大损失和生产事故，因此一定要确保供电质量的可靠性和安全性。在谐波来源方面，港口用电设备当中的谐波主要来源于整流器、逆变器、变压器等设备，这些设备一方面吸收基波功率，另一方面会产生谐波功率和谐波电流。谐波能够加剧用电元件发热，从而导致设备老化，会对港口电网的安全稳定运行带来不利影响。
首先是谐波能够损伤港口电网变压器，谐波电流会使变压器铜损上升，从而导致变压器的发热量增大。尽管港口电网变压器都具有隔离谐波的装置，但在隔离低频谐波方面的效果并不理想，同时谐波电压还会导致电力变压器涡流损耗和磁滞损耗。
其次是对电缆的影响，谐波会导致电缆介质损耗和输电线路功率损耗，从而使得输电线路温度上升，加速其绝缘老化[3]。输电线路存在集肤效应，在该效应作用下，线路电阻会因为频率上升而增大。在电力系统中中性线的功能是为三相不平衡电流提供通道，在一般条件下不平衡电流较小，所以中性线设计较细，但是中性线中3次谐波含量上升时，就会导致中性线严重发热甚至烧毁。
再次是对电容器的影响，这表现在电容器的谐振问题上面。在工频状态下电网安装的电容器要远远大于感抗从而依次消除谐振。不过谐波状态下的电容值大为减小，同时电抗值上升，进而增加谐振可能性。谐振会放大谐波电流进而导致电容器损坏。
除此之外，港口电网当中无功功率负荷也较为严重。港口装卸作业使用的设备通常是动态负荷，设备作业周期时间较短，随着装卸设备快速和无规律的运行，电网无功功率变化较大，同时功率因数变化范围也较广。同时，港口皮带机在工作过程中同样会产生无功功率，注入电网后会严重影响港口电网电能的质量。
三、港口电网电能改造技术
SVC（Static Var Compensator）是一种灵活交流输电技术，能够动态跟踪电网或者负荷的无功波动，同时无级输出功率补偿所需的无功进而维持电压稳定。SVC装置可以分成多种型号，晶闸管控制电抗器（TCR）是一种性价比突出的技术方案，TCR类型的SVC装置是由滤波装置（电容器和电抗器）和TCR装置共同组成。在如图1所示的电网中建立阻抗模型，通过测量仪表来测量SVC装置使用前后的电网阻抗，通过公式kh=Zsh/Znh，得到谐波电流系数kh。其中Znh是10kV供电系统同SVC装置滤波器FC并联之后的阻抗，Zsh是10kV供电系统自身阻抗，h是谐波次数，同时谐波电流系数kh则是判断SVC装置控制谐波的关键参数[4]，通过分析可以得到10kV供电系统的阻抗特性和谐波电流系数kh。
在使用SVC装置之后，10kV和35kV母线各次谐波电流都出现了大幅度下降，由改造前的66.71A下降到改造后的16.89A，也就是说在使用TCR型SVC装置后，X港口35kV和lOkV母线电能质量能够得到明显改善，电能质量的指标能够满足国家标准的限值要求，lOkV侧和35kV侧的谐波电压畸变率THDu能够满足（GB/T14549—1993）规定要求。此外，SVC装置还可以实时补偿无功并抑制无功的倒送，同时，因为港口10kV和35kV母线电压偏差降低，所以电压波动可以得到有效抑制，功率因数大为提高，测试发现10kV母线能够保持在0.95以上[5]。简言之，使用TCR型SVC装置是提高港口电网电能质量的有效解决措施。
综上所述，随着电气技术的发展和进步，越来越多的电气设备应用在现代化港口当中。在高度电气化的条件下，提高并稳定港口供电系统质量成为重要任务，只有保证电能的高质量供应，才能保证港口设备的高效运转，从而满足现代化港口高强度装卸作业的要求。
参考文献：
[1]梅新润.港口行业的用电特点及治理措施[J].港口科技，2013，11（17） ：226-228.
[2]王兆安，杨君等.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京：机械工业出版社，2012：268-270.
[3]夏道止，沈赞埙.高压直流输电系统的谐波分析与滤波[M].北京：水利电力出版社，2012：368-371.
[4]赵娜，范永峰.浅谈港口供电系统[J].中国水运（理论版），2013，7（11）：109-113.
[5]邱丽琴.浅谈企业供配电系统电能质量的测试与评估[J].山东冶金，2013，12（6）：123-125.