港口、码头电力系统电能质量分析及解决方案

前言：

由于我国大力推进绿色低碳港口建设，大型装卸机械“油改电”工程和“靠港船舶岸电供电”工程等港口电气化改造项目在沿海各港口已经大规模实施，即采用电力设备使港口装卸效率和用能效率明显提高，单位运输能耗和污染物排放量明显下降，因此，使得电能在港口能源消耗中的比重逐年提高，电力已成为港口的主要能源。

预计港口电能比例仍将会进一步提高，这个发展方向符合我国“建设绿色低碳港口”的战略方针，并对加快高能耗、高排放、高污染运输装备淘汰更新起到推动作用。

一、行业情况介绍

1、行业介绍

港口是位于海、江、河、湖、水库沿岸，具有水陆联运设备以及条件以供船舶安全进出和停泊的 运输枢纽。港口作为水陆交通的集结点和枢纽处，是工农业产品和外贸进出口物资的集散地，也是船舶停泊、装卸货物、上下旅客、补充给养的场所。作为资源配置枢纽、国际贸易关键节点，港口在交通运输系统中起着举足轻重的作用，而港口行业也被视为 经济发展的晴雨表，其增速整体与经济发展趋同。港口对于满足国家能源、原材料等大宗物资运输，支撑经济、社会和贸易发展以及人民生活水平的提高，提升国家综合实力具有十分重要的作用。

2、港口的分类

①按用途：可分为商港、军港、渔港、工业港、避风港等；

②按所在位置：可分为海岸港、河口港和内河港，其中海岸港和河口港统称为海港；

③按发展地位：可分为国际性港、国家性港、地区性港；其中国际性港靠泊来自世界各国港口的船舶，如中国的上海港和大连港、国外的鹿特丹和伦敦港等，国家性港主要靠舶往来于国内港口的船舶，地区性港主要靠泊往来于国内某一地区港口的船舶。

3、港口行业特点

①自然条件、经济腹地要求高

港口建设发展需要一定的自然与经济条件，如优越的地理位置、广阔的水陆域、必要的泊位水深、良好的气象条件、发达的经济腹地条件。

②集疏运条件要求高

现代港口必须具有完善与畅通的集疏运系统，才能成为综合交通运输网中重要的水陆交通权纽。

③资金投入大、建设周期长

港口属于交通运输基础设施，具有投资规模大、建设周期长的特点，要求进入者必须具有较强的资金实力。

④经营专业化程度高

港口行业在交通运输行业中属于经营专业化程度较高的子行业，在港口技术、经营管理、商业渠道、客户关系、产品服务等方面更专业化。

⑤政府管制严格

港口事关国计民生、国家安全，我国在港口建设、投资、运营等方面对港口行业有比较严格的行政管制。

二、港口行业的电能质量现状：

1、港口码头的两种电力系统

①场地电力系统:“场地电力系统”的任务是向大型装卸机械供电.

②岸电系统:“岸电系统”的任务是向靠港船舶供电。

2、港口电力主要的几类负载

(1)反复间歇性负载：主要为装卸类起重设备，包括岸吊、起重机、龙门吊、抓斗、输送带、传送管、卷扬机、牵引机。采用大功率整流驱动直流电机或变频驱动交流电机负载。其负载特性为启动电流大。平均负载电流小，谐波含量大，功率因数较低(0.6以下)。

(2)不间断运行设备(占20-30%)：主要为皮带运输机，煤码头斗轮机。其负载特性为负荷较为均匀，且三相对称，功率因数稳定(0.8左右)。

(3)辅助设备(占10-20%)：主要为变频或整流类电源类负载和照明负载。

比如港口使用的计算机电源、办公设备均属于开关电源，会产生5次、7次、11次谐波，其负载特性为电源谐波含量大;

照明负载中，荧光灯、高压钠灯和高压水银灯功率因数较低(0.45-0.65之间)。

3、港口的装卸工作流程中的负载

港口装卸作业是港口的主要技术，无论是港口的设计，还是相关设施的建造，都需要考虑到港口的装卸流程作业所带来的影响。港口作业区散货泊位由卸船系统、装船系统、矿石堆场和装车系统组成。

①卸船系统：码头卸船采用抓斗卸船机，清舱设备采用轮式装载机。

港口卸船作业一般采用卸船机、皮带机、堆取料机等装卸设备，一般的装船过程时:桥式抓斗卸船机将货物从船舶上堆放到移动式皮带机、皮带车上，经由多个皮带机传输机到达堆场，最终由斗轮式堆取料机把货物倒堆到堆场中。其中卸船机一般有两种，即周期性和连续性机械，最常用为机械性的卸船机。

②装船系统：装船系统中一般采用移动式装船机装船；水平输送系统一般是是采用1路带式输送机。

港口的装船作业一般会使用到装船机、堆取料机、皮带机等装卸设备，装船流程一般是:堆取料机将货物从堆场中取出，经由多个皮带机、或者皮带车，到达另一个堆场；或者到达移动式装船机，再由装船机将货物倒堆到船舶上。

③矿石堆场：在码头后方沿东西向平行布置矿石堆场。在堆场上设置堆、取合一的斗轮堆取料机。

④装车系统：装车作业线上一般装设有轨道式移动式装车机；堆场出料装车水平输送系统一般都是选用带式输送机；在移动式装车机上布置电子皮带秤，对每节车皮的装车量进行精确控制。

随着现代科学技术的发展，在装卸工艺中使用了大型电力装卸机械和电气传动等装置，比如装船机、桥式抓斗卸船机、泵船浮式起重机、堆取料机、皮带输送机等。其中装船机、桥式抓斗卸船机、泵船浮式起重机、堆取料机这些设备的调速控制都是使用变频器实现的。变频器作为常用的控制电动机的控制设备，广泛运用于港口行业的运作中，其主要谐波次数为5、7次。

大型装卸机械（桥吊、皮带机等）基本采用电力电子装置和电气传动装置，包括晶闸管整流直流调速和交流变频调速装置，这些设备均属于非线性用电设备，是典型的谐波源，向港口电网中注入大量的谐波，同时港口大量的皮带机被用于堆场和船舶之间的货物传送，而皮带运输机在工作过程中会消耗大量的无功功率，严重影响港口电网的电能质量。使供电可靠性降低，电网运行能耗偏高。

4、港口工作流程中的辅助设备

变频或整流类电源类负载：由于港口使用的计算机电源、办公设备均属于开关电源，计算机本身也属于谐波源的一种，所以在工作过程中会产生谐波电流，比如开关电源会产生5、7、11次谐波；计算机主要产生3、5、7次谐波，其中3初次谐波含量最大。

照明设备：港口一般都会使用一些荧光灯和高压气体放电灯作为港口的照明设备，这些照明设备的非线性特性极其严重，荧光灯需要与电子镇流器串联才能使得综合伏安特性曲线不再呈现负值，设备才能正常使用，而电子镇流器主要的谐波次数是3次，高压气体放电灯的主要谐波次数是3、5、7次。

三、解决方案：

1.谐波问题：

从上述的主要负载以及其存在的电能质量问题，我们可以了解到，港口行业在生产过程中存在严重的谐波治理问题，其中最主要的谐波问题在于生产过程中几乎每个环节都在使用的变频器设备和照明设备，它们主要存在3、5、7次谐波的问题，而保证电源稳定性的UPS不间断电源也存在严重的谐波问题，不及时处理会影响其他电气设备的正常工作，降低发电、输电及用电设备的效率，甚至会引起谐振引发重大事故。

对此，我们提出的解决方案时依据实际情况，配置相应的有源滤波器APF设备进行有源滤波，减少谐波含量，降低谐波畸变率。

我司的有源电力滤波器APF产品如下图所示，具有谐波补偿、功率因数补偿和三相不平衡补偿等多种补偿功能，能同时滤除三相四线制配电系统中2次到50次各次谐波，同时改善电网功率因数，是治理电能质量问题完美解决方案。

2.无功补偿：

上述用电设备的功率因数都不高，都在0.7~0.85之间，说明港口行业中这些电气设备的效率都不高。根据《国家电网公司电力系统电压质量和无功电力管理规定》，100kVA及以上10kV供电的电力用户，其功率因数宜达到0.95以上，其他电力用户，其功率因数宜达到0.90以上。港口行业中上述的主要设备基本都没有达标，如果不进行无功补偿，供电公司将会进行罚款。

对于无功功率不达标的问题，我们有两种解决方法：

一种是通过电容电抗补偿柜（LC）进行补偿，改善电网供电质量及提高用电的可靠性，安装方便，占用面积小，节省空间。

另一种方法是使用静止无功发生器（SVG），该方法可以实时补偿，无过补、欠补现象，且容性无功、感性无功都能实现补偿。

四、案例分享：

山东省日照港

曹妃甸液体化工码头

湛江港变电站

龙翔化工码头配电房改造

上海洋山深水港区