南陽市南水北調供水配套工程
電能質量治理
應用案例
前 言
隨著高科技產業的發展，電力用戶對供電質量和可靠性越來越敏感，電器設備的正常運行甚至使用壽命都與之息息相關。電能質量問題又可分為電壓質量和電流質量兩個大的方面。電壓質量問題指會影響用戶設備正常運行的不理想的系統電壓，包括電壓的閃變(Flick)、瞬時過電壓(Swell)、諧波畸變(Harmonics)、各相電壓不平衡(Unbalance)等情況；電流質量問題指電力電子設備等非線性負荷給電網帶來的電流畸變，包括流入電網的諧波電流，以及無功、不平衡負荷電流、低頻負荷變化造成的閃爍等。
面對電網的電能質量被干擾或污染，面對日益惡化的電力品質問題，就得有針對性地對電網進行電能質量改善。國家電力公司明文規定：因電網或用戶用電原因引起的電能質量不符合國家標準時，按“誰干擾，誰污染，誰治理”的原則及時處理，并貫穿于電網及用電設施設計、建設和生產的全過程。
目前電能質量問題主要由負荷方面引起。例如沖擊性無功負載會使電網電壓產生劇烈波動，降低供電質量。隨著電力電子技術的發展，它既給現代工業帶來節能和能量變換積極的一面，同時又對電能質量帶來了新的更加嚴重的損害，已成為電網的主要諧波污染源。諧波使電能的生產、傳輸和利用的效率降低，使電氣設備過熱、產生振動和噪聲，使絕緣老化，壽命縮短，甚至發生故障或燒毀。諧波還會引起電力系統局部并聯諧振或串聯諧振，使諧波被放大，致使電容器等設備燒毀。目前功率因數降低、諧波與電磁干擾已并列為電力系統的三大公害。因而了解諧波產生的機理，研究消除供配電系統中的高次諧波問題對改善供電質量和確保電力系統安全、穩定、經濟運行有著非常積極的意義。
本建議書依據河南省水利勘測設計研究有限公司提供的圖紙，主要針對目前南陽市南水北調供水配套工程中存在功率因數低的問題，通過對系統進行無功補償，從改善電能質量、總體提升設備運行效率和電力能源使用效率的角度來提出的的解決方案。
1、供電質量情況
1.1 項目對象
項目對象：南陽市南水北調供水配套工程
1.2 項目概況
根據河南省水利勘測設計研究有限公司提供的圖紙，南陽市南水北調供水配套工程包含多個泵站，包括譚寨、彭家、田洼、十里廟等。
（1）譚寨泵站10kV電氣主接線示意圖如下所示:
站用變：SC10-63/10，容量為63kVA，一次側為10kV，二次側為400V，D,yn11，Ud%=4；
1號機組：Y450-4/315kW-10kV，容量為315kW，額定電壓為10kV，Ie=22.5A，cos=0.86，η=94%；
2號機組：Y450-4/315kW-10kV，容量為315kW，額定電壓為10kV，Ie=22.5A，cos=0.86，η=94%；
3號機組：Y450-4/315kW-10kV，容量為315kW，額定電壓為10kV，Ie=22.5A，cos=0.86，η=94%；
4號機組：Y450-4/220kW-10kV，容量為220kW，額定電壓為10kV，Ie=15.8A ，cos=0.86，η=93.5%；
5號機組：Y450-4/220kW-10kV，容量為220kW，額定電壓為10kV，Ie=15.8A ，cos=0.86，η=93.5%；
6號機組：Y450-4/220kW-10kV，容量為220kW，額定電壓為10kV，Ie=15.8A ，cos=0.86，η=93.5%；
（2）彭家泵站400V電氣主接線（一）示意圖如下所示：
1號機組：Y225S-4/37kW -380V，容量為37kW，額定電壓為380V，Ie=70.4A ，cos=0.87, η=91.8%；
2號機組：Y225S-4/37kW -380V，容量為37kW，額定電壓為380V，Ie=70.4A ，cos=0.87, η=91.8%；
3號機組：Y225S-4/37kW -380V，容量為37kW，額定電壓為380V，Ie=70.4A ，cos=0.87, η=91.8%；
（3）田洼泵站400V電氣主接線示意圖如下所示：
1號機組：Y315L1-4/160kW -380V，容量為160kW，額定電壓為380V，Ie=292.1A ，cos=0.89,η=93.5%；
2號機組：Y315L1-4/160kW -380V，容量為160kW，額定電壓為380V，Ie=292.1A ，cos=0.89,η=93.5%；
3號機組：Y315L1-4/160kW-380V，容量為160kW，額定電壓為380V，Ie=292.1A ，cos=0.89,η=93.5%；
4號機組：Y315M-10/55kW-380V，容量為55kW，額定電壓為380V，Ie=122.7A，cos=0.92，η=74%；
5號機組：Y315M-10/55kW-380V，容量為55kW，額定電壓為380V，Ie=122.7A，cos=0.92，η=74%；
（4）十里廟泵站1#站10kV電氣主接線示意圖如下所示：
站用變：SC10-63/10，容量為63kVA，一次側為10kV，二次側為400V，D,yn11，Ud%=4；
1號機組：Y450-4/280kW-10kV，容量為280kW，額定電壓為10kV，Ie=20A，cos=0.86，η=93.8%；
2號機組：Y450-4/280kW-10kV，容量為280kW，額定電壓為10kV，Ie=20A，cos=0.86，η=93.8%；
3號機組：Y450-4/280kW-10kV，容量為280kW，額定電壓為10kV，Ie=20A，cos=0.86，η=93.8%；
4號機組：Y450-4/280kW-10kV，容量為280kW，額定電壓為10kV，Ie=20A，cos=0.86，η=93.8%；
2、方案設計
2.1 設計依據
本技術方案依據河南省水利勘測設計研究有限公司提供的關于南陽市南水北調供水配套工程相關泵站的電氣主接線圖紙以及相關國家標準等資料編寫。由于資料有限，本方案僅供參考。
2.2 設計原則
目 的：以改善電力品質、綜合提升設備運行效率和電力能源使用效率為目的。
兼容性：設備獨立，不依賴于原有系統，出現故障時能及時脫離原操作系統；
維護性：操作簡單，設備安裝維護簡潔。
2.3 總體方案及說明
根據用戶的負荷特性，制定本方案如下：
1）根據河南省水利勘測設計研究有限公司的要求，在譚寨泵站10kV供電系統側安裝額定容量為300kvar的RNSVG系列鏈式動態電能治理裝置1套，設備主接線示意圖如下圖所示：
所裝設的RNSVG系列鏈式動態電能治理裝置可實現對10kV系統的動態跟蹤與補償，功率因數達到0.95以上，以改善10kV系統的電能質量。
2）根據河南省水利勘測設計研究有限公司的要求，彭家泵站供電系統所需要的無功補償量僅為18kvar，故我司建議在380V系統側不安裝SVG。
3）根據河南省水利勘測設計研究有限公司的要求，在田洼泵站380V供電系統側安裝額定容量為200kvar的RNSVG系列鏈式動態電能治理裝置1套，設備安裝示意圖如下圖所示：
所裝設的RNSVG系列鏈式動態電能治理裝置可實現對400V系統的動態跟蹤與補償，功率因數達到0.95以上，以改善400V系統的電能質量。
4）根據河南省水利勘測設計研究有限公司的要求，在十里廟泵站1#站10kV供電系統側安裝額定容量為300kvar的RNSVG系列鏈式動態電能治理裝置1套，設備主接線示意圖如下圖所示：
所裝設的RNSVG系列鏈式動態電能治理裝置可實現對10kV系統的動態跟蹤與補償，功率因數達到0.95以上，以改善10kV系統的電能質量。
2.4 供貨清單
本次方案所提供的RNSVG系列鏈式動態電能治理裝置供貨清單如下所示：
供貨清單
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序號
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名稱
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規格和型號
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單位
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數量
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備注
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1
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RNSVG系列鏈式動態電能治理裝置
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RNSVG-0.3/10
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套
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2
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用于譚寨泵站和十里廟泵站1#站
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2
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RNSVG系列鏈式動態電能治理裝置
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RNSVG-0.2/0.4
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套
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1
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用于田洼泵站
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2.1
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電流互感器
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BH-0.66 400A/5A
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套
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1
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3、產品與技術介紹
3.1、傳統無功補償簡介
無功補償技術發展經歷了三個歷史階段：
無功補償技術發展的三個歷史階段
第一代無功補償技術是同步調相機進相、遲相無功補償和電容器固定補償(簡稱FC)，這類補償裝置在應對負荷穩定的無功或變化較慢的無功時有較好的補償效果。這類補償裝置由于結構簡單，價格便宜，至今還在廣泛應用之中。
第二代無功補償技術是靜止無功功率補償器SVC，典型結構如磁控電抗器（簡稱MCR）+FC和晶閘管相控電抗器（簡稱TCR）+FC型動態無功補償裝置。這種補償裝置在80年代之后被我國廣泛應用，如電力系統、鋼鐵企業、煤礦等領域。
可調電抗器無功補償裝置的系統圖如下：
可調電抗器無功補償裝置的系統圖
當負荷變化時，電容與負載共同產生一個容性無功沖擊，QP=QC-QL，這時，用一個可調電抗（電感）來產生相對應的感性無功QB，抵消容性無功沖擊，這樣在負荷波動過程中，就可以保證：QS=QC-QB-QL=0
可調相控電抗器（TCR）產生連續變化感性無功的基本原理如下：
TCR原理及TCR電壓電流波形圖
如上圖所示，可以通過控制電抗器L上串聯的兩只反并聯晶閘管的觸發角來控制電抗器吸收的無功功率的值。
根據以上工作原理可以看出，磁控電抗器MCR型SVC和TCR型SVC均存在以下固有缺點：
1、 自身產生較大諧波，需與無源濾波器配合使用。
2、 裝置占地面積大
3、 效率低
4、 響應速度慢（40ms~60ms）
5、 易產生諧振過電壓，損壞電容器，低壓時補償效果迅速下降。
SVC型補償裝置因其存在固有的缺點，業已逐步被更先進的第三代無功補償裝置SVG所取代。
第三代無功補償裝置稱為靜止無功發生器SVG（英文全稱Static Var Generator），學術上稱之為STATCOM（Static Compensator），它是目前國際上最先進的動態無功補償技術，是柔性交流輸電系統（FACTS）的重要裝置；也是繼電容器補償、磁控電抗器MCR型SVC，TCR型SVC之后的第三代動態無功補償技術。
3.2 RNSVG工作原理
鏈式RNSVG裝置的基本原理：將以大功率可關斷電力電子器件IGBT為核心組成的自換相橋式電路通過換流電抗器（或變壓器）并聯在電網上，適當地調節橋式電路交流側輸出電壓的幅值和相位，或者直接控制其交流側電流就可以使該電路吸收或者發出滿足要求的無功電流，實現動態無功補償的目的。
其原理如下圖所示：
鏈式RNSVG的三種運行模式：
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運行模式
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波形和相量圖
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說 明
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空載運行模式
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UI = Us，IL = 0
RNSVG不輸出無功
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容性運行模式
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UI > Us，IL為超前的電流
RNSVG產生連續可調的容性無功。
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感性運行模式
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UI < Us，IL為滯后的電流
RNSVG產生連續可調的感性無功。
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3.3、鏈式RNSVG系統構成
RNSVG裝置由換流電抗器、充電柜、功率柜及控制柜等部分組成，其主要配置及構成示意圖如下所示。
RNSVG裝置的組成示意圖
3.4、RNSVG技術指標
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電氣特征
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額定電壓（kV）
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0.38、0.69、3、6、10、35
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工作頻率（Hz）
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50±5%
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無功調節范圍
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額定感性到額定容性連續可調
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響應時間
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5ms
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有功功率損耗
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<0.8% 額定功率下
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過載能力
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110%
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可多臺運行方式
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并聯運行
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平均無故障時間
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≥10萬小時
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控制特征
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開關頻率
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平均4kHZ(低壓)，≥500Hz（高壓）
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控制算法
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直接電流跟蹤控制技術及自混合濾波算法
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控制器
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雙DSP+FPGA+CPLD
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通信功能
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以太網等
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控制連接
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光纖，或電氣連接
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結構特征
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防護等級
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IP21或根據用戶需求定制
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顏色
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RAL7035（淺灰色）/7016(灰色)，可按要求提供其他顏色
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冷卻方式
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強迫風冷、嵌入式熱管+強迫風冷、熱管+強迫風冷
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整體結構
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柜式
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安裝方式
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室內安裝，固定方式可選，電纜進線方式可選
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環境條件
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環境溫度
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-25℃~+40℃
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存儲溫度
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-40℃~+65℃
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相對濕度
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最大95%，無凝露
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海拔高度
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安裝海拔小于2000米
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電磁兼容
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符合GB/T.7251-2005 （GB/T7261-2000）包括衰減震蕩脈沖群干擾、靜電放電干擾、輻射 電磁場干擾、快速暖變干擾、浪涌（沖擊）干擾度、電壓中斷抗擾度、電磁發射試驗等
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3.5、RNSVG關鍵技術
1）主電路逆變器采用國際著名品牌的IGBT器件。
2）脈寬調制技術及直接電流控制技術。
4）過電流限制：采用可靠的限流控制環節，當系統中的無功大于無功補償裝置的治理能力時，裝置能在自己的額定容量范圍內最大限度的對無功進行補償，維持正常工作，不會出現過載燒毀等故障。
5）具備完整的保護功能，包括過載、過電流、短路等，具備系統啟動自診斷功能。
6）具有緩沖啟動控制回路，能夠避免自啟動瞬間過大的投入電流，并限制該電流在額定范圍之內。
7）控制器：計算與邏輯處理采用全數字化技術，采用DSP并配有功能強大的FPGA芯片。
8）裝置輸入端裝設可靠的過電壓保護裝置，在操作波發生時，保護裝置起到保護作用,不損壞設備。
9）采用漢字液晶顯示面板，具有故障報警及追憶功能，在面板上能實時顯示運行狀態,以及設定運行參數。
南水北調工程特制SVG動態無功補償設備現場圖
