南阳市南水北调供水配套工程
电能质量治理
应用案例
前 言
随着高科技产业的发展，电力用户对供电质量和可靠性越来越敏感，电器设备的正常运行甚至使用寿命都与之息息相关。电能质量问题又可分为电压质量和电流质量两个大的方面。电压质量问题指会影响用户设备正常运行的不理想的系统电压，包括电压的闪变(Flick)、瞬时过电压(Swell)、谐波畸变(Harmonics)、各相电压不平衡(Unbalance)等情况；电流质量问题指电力电子设备等非线性负荷给电网带来的电流畸变，包括流入电网的谐波电流，以及无功、不平衡负荷电流、低频负荷变化造成的闪烁等。
面对电网的电能质量被干扰或污染，面对日益恶化的电力品质问题，就得有针对性地对电网进行电能质量改善。国家电力公司明文规定：因电网或用户用电原因引起的电能质量不符合国家标准时，按“谁干扰，谁污染，谁治理”的原则及时处理，并贯穿于电网及用电设施设计、建设和生产的全过程。
目前电能质量问题主要由负荷方面引起。例如冲击性无功负载会使电网电压产生剧烈波动，降低供电质量。随着电力电子技术的发展，它既给现代工业带来节能和能量变换积极的一面，同时又对电能质量带来了新的更加严重的损害，已成为电网的主要谐波污染源。谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，使绝缘老化，寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波还会引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波被放大，致使电容器等设备烧毁。目前功率因数降低、谐波与电磁干扰已并列为电力系统的三大公害。因而了解谐波产生的机理，研究消除供配电系统中的高次谐波问题对改善供电质量和确保电力系统安全、稳定、经济运行有着非常积极的意义。
本建议书依据河南省水利勘测设计研究有限公司提供的图纸，主要针对目前南阳市南水北调供水配套工程中存在功率因数低的问题，通过对系统进行无功补偿，从改善电能质量、总体提升设备运行效率和电力能源使用效率的角度来提出的的解决方案。
1、供电质量情况
1.1 项目对象
项目对象：南阳市南水北调供水配套工程
1.2 项目概况
根据河南省水利勘测设计研究有限公司提供的图纸，南阳市南水北调供水配套工程包含多个泵站，包括谭寨、彭家、田洼、十里庙等。
（1）谭寨泵站10kV电气主接线示意图如下所示:
站用变：SC10-63/10，容量为63kVA，一次侧为10kV，二次侧为400V，D,yn11，Ud%=4；
1号机组：Y450-4/315kW-10kV，容量为315kW，额定电压为10kV，Ie=22.5A，cos=0.86，η=94%；
2号机组：Y450-4/315kW-10kV，容量为315kW，额定电压为10kV，Ie=22.5A，cos=0.86，η=94%；
3号机组：Y450-4/315kW-10kV，容量为315kW，额定电压为10kV，Ie=22.5A，cos=0.86，η=94%；
4号机组：Y450-4/220kW-10kV，容量为220kW，额定电压为10kV，Ie=15.8A ，cos=0.86，η=93.5%；
5号机组：Y450-4/220kW-10kV，容量为220kW，额定电压为10kV，Ie=15.8A ，cos=0.86，η=93.5%；
6号机组：Y450-4/220kW-10kV，容量为220kW，额定电压为10kV，Ie=15.8A ，cos=0.86，η=93.5%；
（2）彭家泵站400V电气主接线（一）示意图如下所示：
1号机组：Y225S-4/37kW -380V，容量为37kW，额定电压为380V，Ie=70.4A ，cos=0.87, η=91.8%；
2号机组：Y225S-4/37kW -380V，容量为37kW，额定电压为380V，Ie=70.4A ，cos=0.87, η=91.8%；
3号机组：Y225S-4/37kW -380V，容量为37kW，额定电压为380V，Ie=70.4A ，cos=0.87, η=91.8%；
（3）田洼泵站400V电气主接线示意图如下所示：
1号机组：Y315L1-4/160kW -380V，容量为160kW，额定电压为380V，Ie=292.1A ，cos=0.89,η=93.5%；
2号机组：Y315L1-4/160kW -380V，容量为160kW，额定电压为380V，Ie=292.1A ，cos=0.89,η=93.5%；
3号机组：Y315L1-4/160kW-380V，容量为160kW，额定电压为380V，Ie=292.1A ，cos=0.89,η=93.5%；
4号机组：Y315M-10/55kW-380V，容量为55kW，额定电压为380V，Ie=122.7A，cos=0.92，η=74%；
5号机组：Y315M-10/55kW-380V，容量为55kW，额定电压为380V，Ie=122.7A，cos=0.92，η=74%；
（4）十里庙泵站1#站10kV电气主接线示意图如下所示：
站用变：SC10-63/10，容量为63kVA，一次侧为10kV，二次侧为400V，D,yn11，Ud%=4；
1号机组：Y450-4/280kW-10kV，容量为280kW，额定电压为10kV，Ie=20A，cos=0.86，η=93.8%；
2号机组：Y450-4/280kW-10kV，容量为280kW，额定电压为10kV，Ie=20A，cos=0.86，η=93.8%；
3号机组：Y450-4/280kW-10kV，容量为280kW，额定电压为10kV，Ie=20A，cos=0.86，η=93.8%；
4号机组：Y450-4/280kW-10kV，容量为280kW，额定电压为10kV，Ie=20A，cos=0.86，η=93.8%；
2、方案设计
2.1 设计依据
本技术方案依据河南省水利勘测设计研究有限公司提供的关于南阳市南水北调供水配套工程相关泵站的电气主接线图纸以及相关国家标准等资料编写。由于资料有限，本方案仅供参考。
2.2 设计原则
目 的：以改善电力品质、综合提升设备运行效率和电力能源使用效率为目的。
兼容性：设备独立，不依赖于原有系统，出现故障时能及时脱离原操作系统；
维护性：操作简单，设备安装维护简洁。
2.3 总体方案及说明
根据用户的负荷特性，制定本方案如下：
1）根据河南省水利勘测设计研究有限公司的要求，在谭寨泵站10kV供电系统侧安装额定容量为300kvar的RNSVG系列链式动态电能治理装置1套，设备主接线示意图如下图所示：
所装设的RNSVG系列链式动态电能治理装置可实现对10kV系统的动态跟踪与补偿，功率因数达到0.95以上，以改善10kV系统的电能质量。
2）根据河南省水利勘测设计研究有限公司的要求，彭家泵站供电系统所需要的无功补偿量仅为18kvar，故我司建议在380V系统侧不安装SVG。
3）根据河南省水利勘测设计研究有限公司的要求，在田洼泵站380V供电系统侧安装额定容量为200kvar的RNSVG系列链式动态电能治理装置1套，设备安装示意图如下图所示：
所装设的RNSVG系列链式动态电能治理装置可实现对400V系统的动态跟踪与补偿，功率因数达到0.95以上，以改善400V系统的电能质量。
4）根据河南省水利勘测设计研究有限公司的要求，在十里庙泵站1#站10kV供电系统侧安装额定容量为300kvar的RNSVG系列链式动态电能治理装置1套，设备主接线示意图如下图所示：
所装设的RNSVG系列链式动态电能治理装置可实现对10kV系统的动态跟踪与补偿，功率因数达到0.95以上，以改善10kV系统的电能质量。
2.4 供货清单
本次方案所提供的RNSVG系列链式动态电能治理装置供货清单如下所示：
供货清单
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序号
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名称
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规格和型号
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单位
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数量
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备注
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1
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RNSVG系列链式动态电能治理装置
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RNSVG-0.3/10
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套
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2
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用于谭寨泵站和十里庙泵站1#站
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2
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RNSVG系列链式动态电能治理装置
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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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电流互感器
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BH-0.66 400A/5A
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套
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1
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3、产品与技术介绍
3.1、传统无功补偿简介
无功补偿技术发展经历了三个历史阶段：
无功补偿技术发展的三个历史阶段
第一代无功补偿技术是同步调相机进相、迟相无功补偿和电容器固定补偿(简称FC)，这类补偿装置在应对负荷稳定的无功或变化较慢的无功时有较好的补偿效果。这类补偿装置由于结构简单，价格便宜，至今还在广泛应用之中。
第二代无功补偿技术是静止无功功率补偿器SVC，典型结构如磁控电抗器（简称MCR）+FC和晶闸管相控电抗器（简称TCR）+FC型动态无功补偿装置。这种补偿装置在80年代之后被我国广泛应用，如电力系统、钢铁企业、煤矿等领域。
可调电抗器无功补偿装置的系统图如下：
可调电抗器无功补偿装置的系统图
当负荷变化时，电容与负载共同产生一个容性无功冲击，QP=QC-QL，这时，用一个可调电抗（电感）来产生相对应的感性无功QB，抵消容性无功冲击，这样在负荷波动过程中，就可以保证：QS=QC-QB-QL=0
可调相控电抗器（TCR）产生连续变化感性无功的基本原理如下：
TCR原理及TCR电压电流波形图
如上图所示，可以通过控制电抗器L上串联的两只反并联晶闸管的触发角来控制电抗器吸收的无功功率的值。
根据以上工作原理可以看出，磁控电抗器MCR型SVC和TCR型SVC均存在以下固有缺点：
1、 自身产生较大谐波，需与无源滤波器配合使用。
2、 装置占地面积大
3、 效率低
4、 响应速度慢（40ms~60ms）
5、 易产生谐振过电压，损坏电容器，低压时补偿效果迅速下降。
SVC型补偿装置因其存在固有的缺点，业已逐步被更先进的第三代无功补偿装置SVG所取代。
第三代无功补偿装置称为静止无功发生器SVG（英文全称Static Var Generator），学术上称之为STATCOM（Static Compensator），它是目前国际上最先进的动态无功补偿技术，是柔性交流输电系统（FACTS）的重要装置；也是继电容器补偿、磁控电抗器MCR型SVC，TCR型SVC之后的第三代动态无功补偿技术。
3.2 RNSVG工作原理
链式RNSVG装置的基本原理：将以大功率可关断电力电子器件IGBT为核心组成的自换相桥式电路通过换流电抗器（或变压器）并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧电流就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。
其原理如下图所示：
链式RNSVG的三种运行模式：
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运行模式
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波形和相量图
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说 明
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空载运行模式
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UI = Us，IL = 0
RNSVG不输出无功
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容性运行模式
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UI > Us，IL为超前的电流
RNSVG产生连续可调的容性无功。
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感性运行模式
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UI < Us，IL为滞后的电流
RNSVG产生连续可调的感性无功。
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3.3、链式RNSVG系统构成
RNSVG装置由换流电抗器、充电柜、功率柜及控制柜等部分组成，其主要配置及构成示意图如下所示。
RNSVG装置的组成示意图
3.4、RNSVG技术指标
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电气特征
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额定电压（kV）
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0.38、0.69、3、6、10、35
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工作频率（Hz）
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50±5%
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无功调节范围
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额定感性到额定容性连续可调
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响应时间
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5ms
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有功功率损耗
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<0.8% 额定功率下
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过载能力
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110%
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可多台运行方式
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并联运行
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平均无故障时间
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≥10万小时
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控制特征
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开关频率
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平均4kHZ(低压)，≥500Hz（高压）
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控制算法
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直接电流跟踪控制技术及自混合滤波算法
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控制器
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双DSP+FPGA+CPLD
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通信功能
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以太网等
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控制连接
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光纤，或电气连接
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结构特征
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防护等级
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IP21或根据用户需求定制
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颜色
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RAL7035（浅灰色）/7016(灰色)，可按要求提供其他颜色
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冷却方式
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强迫风冷、嵌入式热管+强迫风冷、热管+强迫风冷
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整体结构
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柜式
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安装方式
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室内安装，固定方式可选，电缆进线方式可选
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环境条件
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环境温度
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-25℃~+40℃
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存储温度
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-40℃~+65℃
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相对湿度
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最大95%，无凝露
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海拔高度
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安装海拔小于2000米
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电磁兼容
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符合GB/T.7251-2005 （GB/T7261-2000）包括衰减震荡脉冲群干扰、静电放电干扰、辐射 电磁场干扰、快速暖变干扰、浪涌（冲击）干扰度、电压中断抗扰度、电磁发射试验等
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3.5、RNSVG关键技术
1）主电路逆变器采用国际著名品牌的IGBT器件。
2）脉宽调制技术及直接电流控制技术。
4）过电流限制：采用可靠的限流控制环节，当系统中的无功大于无功补偿装置的治理能力时，装置能在自己的额定容量范围内最大限度的对无功进行补偿，维持正常工作，不会出现过载烧毁等故障。
5）具备完整的保护功能，包括过载、过电流、短路等，具备系统启动自诊断功能。
6）具有缓冲启动控制回路，能够避免自启动瞬间过大的投入电流，并限制该电流在额定范围之内。
7）控制器：计算与逻辑处理采用全数字化技术，采用DSP并配有功能强大的FPGA芯片。
8）装置输入端装设可靠的过电压保护装置，在操作波发生时，保护装置起到保护作用,不损坏设备。
9）采用汉字液晶显示面板，具有故障报警及追忆功能，在面板上能实时显示运行状态,以及设定运行参数。
南水北调工程特制SVG动态无功补偿设备现场图
