基于港口供配电系统电压闪变的探究

基于港口供配电系统电压闪变的探究

刘光强

（重庆国际集装箱码头有限责任公司重庆江北400025）

摘要：目前电力电子技术在现代港口电力系统的广泛应用，特别是能量回馈装置在桥吊、门机等港口设备上的大量配置，在特定运行条件下，存在较大的冲击负荷，导致电网电压波形闪变、系统电压不稳定、设备损耗等问题。其中电压闪变事件不仅影响了港口配电系统的安全稳定运行，还影响了港口桥吊的工作效率及设备的使用寿命。本文针对港口配电系统存在的问题，将从电压闪变的角度对其进行分析，同时提出治理方案。

关键词：港口；供配电系统；电压闪变

1港口供配电系统

电力系统是由发电厂、电力网变电站及用户组成的系统。港口一般都是从地区电力网接受电能，经过降低电压，再分配到各用电场所。港区面积较大，用电负荷分散分布，其中大部分是220～380V低压设备，而且容量不大。大型港口的作业区一般接入110kV高压电能，在各码头降压到3～10kV供桥吊设备使用，而低压设备则需要进一步降压再使用。

港口用电负荷等级视具体情况可分为Ⅱ级或Ⅲ级。对于大型国际性港口，属Ⅱ级负荷；一般中、小型港口属Ⅲ级负荷，负荷分级只是相对的，与港口的规模、性质和当地当时的电力供应情况等都有密切的关系。应综合考虑各种因素，根据具体条件确定。本文以寸滩港口为例，该港口属于中型港口，负荷等级Ⅲ级负荷。该港口供电系统进线由2条10kV电缆组成，采用单相混合敷设。由于输电线路较长，港区电网抗干扰能力较弱。港口供配电系统现有2个10kV开关站。

2电压闪变事件

2.1事件背景。

日常生产运营中使用黑卷集1路供电，4#岸边轨道式门式起重机总断路器由于失压保护而动作断开，在开闭所10kV进线侧同时检测到电压振荡。

2.2电压闪变事件发生的源头分析

基于4#岸边轨道式门式起重机总断路器因失压断开现象，在开闭所10kV进线侧同时检测到电压波动。对10kVI段母线电压、有功功率和无功功率变化分别检测分析，寻找电压闪变的源头。

分析使用中的黑卷集1路10kV母线电压和功率的录波曲线。

（1）10kV进线电压、有功功率和无功功率变化曲线。调用10kV进线处闪变实时检测到的数据，可知，在电压闪变事件发生时，最大的相无功变化范围为-4.877～+4.897Mvar，有功变化范围为-2.924～5.700MW，最大相电压波动范围约为5.223～6.259kV，最大电压波动为17.9%。有功、无功、电压波动主频率均为12Hz。

（2）10kV母线电压、有功功率和无功功率变化曲线。电压闪变前后，同时对10kV进线处进行了数据实时监测，可知，在电压闪变事件发生时，最大的相无功变化范围为-0.1～+0.5Mvar，有功变化范围为1.25～1.90MW，最大相的电压波动范围为5.63～5.90kV，最大电压波动为4.6%。有功、无功、电压波动主频率均为12Hz。根据录波数据变化曲线，可以估算受电端相功率的变化如下:

P=（-2.924+1.25+2.1）～（5.7+1.9+2.1）

Q=（-4.877-0.1+0.8）～（4.897+0.5+0.8）

即有功功率的变化范围为0.426～9.700MW；无功功率的变化范围为-4.177～6.197Mvar；S为0～11.51MVA间变化；功率因数变化范围为滞后0～1.0和超前0～1.0。

从上述分析可知，电压闪变事件主要是由10kV电压波动引起的，进线的电压波动是因为发生电压闪变所引起的。

2.3电压闪变现象原理分析

（1）10kV母线电压录波曲线。黑卷集1路存在电压振荡现象，对电压闪变前后进行实时监测，可知，电压闪变事件前电压的波动频率为12Hz，电压波动的峰峰值约为12V，则对应的电压变动为du=12/5800×100%=0.207%，12Hz、12V的电压波动造成的电压闪变值为Pst=0.207×0.714/0.312=0.474。

当发生低频振荡事件时，黑卷集1路10kV母线12Hz的最大电压波动、对应的电压闪变值分别为du=1036/5800×100%=17.9%；Pst=17.9×0.714/0.312=40.96，因此，在发生低频振荡时会出现剧烈的电压闪变现象。

（2）电压闪变变化趋势。为了进一步分析电压波动，调用电压闪变事件前后2h内的黑卷集1路10kV母线电压录波数据，形成相关的曲线图可知，电压闪变事件前后Pst在0.2～0.6之间，与上述（1）分析的结果基本一致。

当电压闪变发生时，Pst=0.84，与上述（1）分析的结果（Pst=40.96）相差甚远。电压闪变值是按照国标规定的10min统计计算一次的结果，而电压闪变事件只分析了最大电压变动造成的闪变值，因此10min的统计值远小于电压闪变最严重时的值。

3港口供配电系统功率传输与电压稳定仿真计算

3.1仿真电路

港区由变电站接入，变电站由两条110kV输电线路供电，对供电线路供电系统进行仿真，供配电电路拓扑结构如图1所示。图1中，G31、G33分别为黑卷集1和黑卷集2线路视在功率系数。

3.2仿真结果

根据供配电电路拓扑结构搭建模型，对变电站110kVI段母线、寸滩港10kV母线电压调整率分别用MATLAB软件进行仿真。

从电压稳定性角度分析，当受电端视在功率和功率因数波动，均会引起110kV和10kV电压的波动即电压调整率增大，10kV电压波动为110kV电压波动的3～6倍；当受电端三相功率（幅值和功率因数）出现不平衡时，会引起严重的三相电压不平衡，3%的负序电压会缩短电机寿命，超过3%的负序电压会烧坏电机。随着港区受电端功率的增大，如果对功率振荡问题不加以解决，电压不稳定事件会更加频繁和严重；而控制受电端功率因数为1，是稳定电压的最好措施。

4港口供配电系统存在的问题及对策

4.1存在主要问题

根据一系列的检测、计算和仿真确定港口供配电系统的主要问题是:电压稳定性问题。全港区供配电系统发生电压闪变的原因是港区10kV进线存在严重的12Hz的功率（视在功率、有功功率、无功功率、功率因数）振荡，致使10kV母线电压存在17.9%的电压波动，变电站110kV母线电压存在5%的主频为12Hz的电压波动，且电压波动同时传递到10kV供电线路上，致使出现全寸滩港区的电压波动和闪变。

4.2整体解决方案

4.2.1整体解决方案

（1）在中压侧10kV母线上设置SVC或SVG，兼顾谐波和动态无功补偿。SVC（或SVG）的动态无功补偿功能使功率因数λ控制在1。由于闪变时电压波动和无功变化幅值较大，因此为了快速响应有效的进行无功补偿，设置SVG要占总体无功补偿设置的50%以上。

（2）合理配置10kV段母线所带负荷，使黑卷集1路≤0.6，由相关仿真图可知，港区10kV进线受电端功率因数为1时，视在功率在0～50MVA变化时，KU31在-1.5%～+1.5%范围。

4.2.2整改效果

由相关仿真图可知，当进线受电端功率因数不为1时，视在功率在0～50MVA变化时，KU超出了2.5%～+2.5%范围内不符合目标函数的要求。

根据整体解决方案将110kV进线受电端功率因数为1时，视在功率在0～50MVA变化时，KU是在+0.5%～+2.5%范围内。在一定程度上降低了电压波动和闪变的程度。

结语

通过在中压侧合理地配置SVC或SVG，或是合理配置10kV母线所带负荷能够将功率因数控制在1左右，从而尽量避免了电压的波动，使得电压闪变的现象能够得到缓解，避免电压闪变对一些设备造成损害。

参考文献

[1]姜齐荣.电能质量治理技术及其发展趋势[J].供用电，2014(2).

[2]李中元，王明.电能质量分析方法与控制技术探讨[J].内蒙古石油化工，2013.

作者简介

刘光强（1985.7-），男，四川叙永人，重庆交通大学应用技术学院，单位：重庆国际集装箱码头有限责任公司。