楊明軻， 肖 勇

(1. 北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100045； 2. 廣西機(jī)場管理集團(tuán)有限責(zé)任公司，南寧 530000)

0 引言

桂林兩江國際機(jī)場(簡稱“桂林機(jī)場”)位于桂林市西南方28km處的臨桂縣兩江鎮(zhèn)，T1航站樓5.03萬m2，T2航站樓10萬m2。為解決向T1航站樓和T2 航站樓集中提供冷、暖能源供應(yīng)的問題，在T2航站樓南側(cè)設(shè)置一字型布局的能源中心， 內(nèi)部設(shè)置制冷機(jī)房及其配電室、鍋爐房、變配電室、柴油發(fā)電機(jī)房等。該建筑地上一層，局部地下一層，通過設(shè)備管廊與T2航站樓地下管廊聯(lián)通。桂林兩江國際機(jī)場能源中心位置示意圖如圖1所示。

圖1 桂林兩江國際機(jī)場能源中心位置示意圖

1 供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)介紹

本項(xiàng)目中暖通專業(yè)規(guī)劃設(shè)置4臺1 200RT的制冷機(jī)組，為T1航站樓和T2 航站樓集中提供冷源。但由于1 500Rt的冷水機(jī)組輸入電功率大約880kW，且根據(jù)中華人民共和國工業(yè)用電規(guī)程規(guī)定，在電機(jī)容量大于200kW時(shí)電力驅(qū)動設(shè)備宜選用高壓電機(jī)，故本項(xiàng)目最終確定采用4臺10kV高壓電機(jī)。

在初步設(shè)計(jì)階段，電氣專業(yè)按照常規(guī)方式在制冷機(jī)房配電控制室內(nèi)，針對10kV高壓制冷機(jī)組一對一規(guī)劃設(shè)置了啟動柜組，自能源中心變配電室10kV出線開關(guān)采用放射式向啟動柜配出10kV電纜。

針對制冷機(jī)組啟動柜組，先期規(guī)劃采用通過自耦變壓器降壓啟動，并針對單臺機(jī)組在現(xiàn)場設(shè)置電容補(bǔ)償裝置方式。但隨著工程實(shí)施，經(jīng)過業(yè)主指示，結(jié)合投標(biāo)產(chǎn)品參數(shù)和與機(jī)場中心電站的協(xié)調(diào)，校驗(yàn)啟動電流后，最終決定采用直接啟動方式。同時(shí)考慮到變配電室就在高壓制冷機(jī)房附近，供電方案調(diào)整為取消制冷機(jī)組的現(xiàn)場電容補(bǔ)償，改在變配電室10kV側(cè)集中設(shè)置高壓補(bǔ)償裝置。

2 10kV 側(cè)無功補(bǔ)償介紹

2.1 補(bǔ)償容量的確定

通過咨詢機(jī)場供電管理部門，對于補(bǔ)償容量要求按照高壓設(shè)備容量的30%執(zhí)行，考慮到變壓器低壓側(cè)已采用電容補(bǔ)償裝置，最終確定按照10kV制冷機(jī)組容量(每段母線兩臺1 250kVA機(jī)組)進(jìn)行補(bǔ)償，每段10kV母線補(bǔ)償容量確定為800 kvar。通過對中標(biāo)設(shè)備分析，針對本項(xiàng)目供回水溫度的工況，單臺機(jī)組電機(jī)功率為879kW。

在啟動階段，取不利自然功率因數(shù)cosφ1為0.7，則tgφ1=1.02；補(bǔ)償后，cosφ2目標(biāo)值為0.95，tgφ2=0.318，則需要補(bǔ)償無功功率Qc為Pe·(tgφ1-tgφ2)=879·(1.02-0.318)=616kvar。

由于制冷機(jī)組在運(yùn)行中不同時(shí)啟動，會逐臺投入運(yùn)行，補(bǔ)償容量滿足使用要求。

在穩(wěn)定運(yùn)行階段，取不利自然功率因數(shù)cosφ1為0.8，則tgφ1=0.75；補(bǔ)償后，cosφ2目標(biāo)值為0.95，tgφ2=0.318，則需要補(bǔ)償無功功率Qc為Pe·(tgφ1-tgφ2)=2·879·(0.75-0.318)=759kvar。

補(bǔ)償容量滿足使用要求。

2.2 補(bǔ)償方式的確定

在10kV側(cè)，可以采用傳統(tǒng)的無源并聯(lián)電容器組方式進(jìn)行無功補(bǔ)償，并通過投切開關(guān)控制分組電容器的投切。

早期采用機(jī)械式投切的無源補(bǔ)償裝置，由于補(bǔ)償方式是采用純電容或電容電抗串接的方式，會造成無功補(bǔ)償階躍性，無法達(dá)到較好的補(bǔ)償效果，設(shè)備易受系統(tǒng)阻抗變化及諧波影響，設(shè)計(jì)壽命一般為5年左右。同時(shí)由于其投切裝置的限制，響應(yīng)速度也較慢，無法及時(shí)滿足補(bǔ)償現(xiàn)場設(shè)備使用要求。當(dāng)然這樣也是可以滿足規(guī)范要求的，因?yàn)楦鶕?jù)DL/T 672-1999《變電所電壓無功調(diào)節(jié)控制裝置訂貨技術(shù)條件》，對于6kV及以上電網(wǎng)中，接受投切指令進(jìn)行動作的并聯(lián)電容器組進(jìn)行控制的自動調(diào)節(jié)控制裝置，延時(shí)時(shí)間在20～60s可調(diào)，所以無功自動補(bǔ)償器將在接收10kV電壓信號和電流信號，并計(jì)算所需補(bǔ)償容量后，延時(shí)后進(jìn)行無功自動投切。

需要強(qiáng)調(diào)的是，這一點(diǎn)和低壓側(cè)是不一樣的(低壓側(cè)要求當(dāng)采用半導(dǎo)體電子開關(guān)或復(fù)合開關(guān)投切時(shí)，動態(tài)響應(yīng)時(shí)間不應(yīng)大于1s)。另外，同等容量設(shè)備的占地面積約為有源設(shè)備的3～5倍，但由于其造價(jià)較低，目前仍在應(yīng)用中。

隨后以晶閘管控制的電抗器(TCR-Thyristor Controlled Reactor)、晶閘管投切的電容器(TSC-Thyristor Switch Capacitor)以及二者的混合裝置(TCR+TSC)等主要形式組成的靜止無功補(bǔ)償器(SVC-StaticVar Compensator)得到快速發(fā)展，雖然屬于無源補(bǔ)償裝置，但響應(yīng)速度提高。

目前隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，特別是IGBT器件的控制技術(shù)提高和成本降低，有別于傳統(tǒng)的以電容器、電抗器為基礎(chǔ)元器件的無功補(bǔ)償設(shè)備，靜止無功發(fā)生器(SVG-Static Var Generator)應(yīng)用越來越多。靜止無功發(fā)生器(SVG)又稱靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)，它的核心器件是IGBT，可以實(shí)現(xiàn)維持系統(tǒng)電壓恒定、諧波治理、抑制電壓閃變等，可以對頻率和大小都變化的諧波以及變化的無功功率進(jìn)行補(bǔ)償，對補(bǔ)償對象的變化有極快的響應(yīng)，補(bǔ)償無功功率時(shí)不需要儲能元件，補(bǔ)償諧波時(shí)所需儲能元件的容量不大，且補(bǔ)償無功功率的大小可以做到連續(xù)調(diào)節(jié)；不會引起諧振短路；可以吸納無功；精準(zhǔn)電壓控制；受電網(wǎng)阻抗的影響不大，不容易和電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振；且可以跟蹤電網(wǎng)頻率的變化，補(bǔ)償性能不受電網(wǎng)頻率變化的影響。

采用上述三種方式均可以滿足使用要求。在施工圖設(shè)計(jì)階段，考慮到根據(jù)GB 50227-2017《并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)要求，供電線路的開關(guān)柜不宜與并聯(lián)電容器裝置布置在同一配電室內(nèi)，如果采用機(jī)械式投切的無源補(bǔ)償裝置或者靜止無功補(bǔ)償器，均需要考慮設(shè)置單獨(dú)的電容器室，從土建布局上難以實(shí)現(xiàn)。最終業(yè)主從土建實(shí)際情況以及統(tǒng)一招標(biāo)角度考慮，確定航站區(qū)全部項(xiàng)目的10kV側(cè)電容補(bǔ)償均采用靜止無功發(fā)生器(SVG)方式。

2.3 SVG形式的確定

采用SVG設(shè)備進(jìn)行補(bǔ)償，有兩種方案可以進(jìn)行比選。

(1)鏈?zhǔn)酱?lián)直掛式

鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的SVG就是不經(jīng)過變壓器，直接在每相都串聯(lián)若干個(gè)IGBT功率單元，使每相都可以承受目標(biāo)電網(wǎng)電壓，只是根據(jù)目標(biāo)電網(wǎng)電壓的不同決定每相串聯(lián)IGBT功率單元的數(shù)量。原理圖見圖2。

圖2 鏈?zhǔn)酱?lián)直掛式SVG原理圖

目前SVG產(chǎn)品已經(jīng)可以做到直掛于35kV及以下電壓等級的電路上，損耗較小，同時(shí)省去了升壓變壓器，減少了故障環(huán)節(jié)。但是需要增加IGBT功率單元的數(shù)量，設(shè)備體積會明顯增大。

同時(shí)由于其內(nèi)部的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，少數(shù)單元的損壞就會導(dǎo)致整機(jī)失效，所以提高IGBT功率單元的可靠性是非常重要的。出于性價(jià)比的考慮，小容量SVG不建議采用直掛式。

(2)升壓并聯(lián)式

升壓并聯(lián)式SVG的基本特點(diǎn)是采用一臺降壓變壓器將10kV或者更高的電網(wǎng)電壓降低為適合變流器單個(gè)功率單元可靠工作的電壓等級(一般為600V左右)，通過在變壓器的副邊并聯(lián)多個(gè)變流器功率單元達(dá)到大容量補(bǔ)償?shù)哪康?。該方案可通過增加變流器功率單元的數(shù)量成倍提高裝置的總?cè)萘?。原理圖見圖3。

圖3 升壓并聯(lián)式SVG原理圖

這種方式結(jié)構(gòu)簡單、體積小、維護(hù)與更換IGBT功率單元在低壓側(cè)操作安全性較高，并可以通過并聯(lián)較多功率單元提高可靠性。但是變壓器成為了故障環(huán)節(jié)，需要注意如何減低變壓器故障率。同時(shí)由于采用PWM調(diào)制技術(shù)要求功率單元內(nèi)的IGBT開關(guān)頻率足夠高，會增加SVG本身的損耗，使SVG自身發(fā)熱量提高。

在本項(xiàng)目中，考慮到每段母線補(bǔ)償容量為800 kvar，最后決定在每段母線安裝一套采用升壓并聯(lián)式SVG。需要注意的是，由于補(bǔ)償柜不同10kV配電柜并柜安裝，所以自10kV配電柜除引來10kV電源外，還需要每段母線主進(jìn)線斷路器后需要加裝采樣電流互感器。本項(xiàng)目中SVG設(shè)備最終平面規(guī)劃布置與實(shí)際安裝詳見圖4。

圖4 高壓補(bǔ)償柜平面規(guī)劃布置

3 調(diào)試與運(yùn)行

本項(xiàng)目在調(diào)試過程中對比SVG投入前后的功率因數(shù)，了解到投入運(yùn)行前功率因數(shù)為85.9%，投入運(yùn)行后功率因數(shù)達(dá)到99.4%，功率因數(shù)補(bǔ)償效果明顯，滿足設(shè)計(jì)要求。

當(dāng)SVG投用后，所有設(shè)備啟動與運(yùn)行正常；當(dāng)SVG設(shè)備人為停用時(shí)，同一段母線的第二臺10kV冷水機(jī)組啟動時(shí)，10kV母線壓降明顯，根據(jù)電工原理分析，是因?yàn)殡姍C(jī)啟動時(shí)功率因數(shù)值下降，需要進(jìn)行高壓無功補(bǔ)償以增加電路電壓的穩(wěn)定性，并對大電流負(fù)載的突發(fā)啟動給予電流補(bǔ)償，以可減少對電網(wǎng)的沖擊。SVG設(shè)備的使用也實(shí)現(xiàn)了設(shè)備運(yùn)行的功能需求。

通過對SVG設(shè)備運(yùn)行過程的觀察，可以發(fā)現(xiàn)SVG設(shè)備動態(tài)響應(yīng)快，且運(yùn)行情況穩(wěn)定，功率因數(shù)>0.99無突變。同時(shí)各廠家均可以做到操作維護(hù)方便，控制和查詢運(yùn)行記錄、故障類型和故障位置方便，相關(guān)數(shù)據(jù)可以通過RS422/485通訊接口采用MODBUS通訊協(xié)議，上傳到電力監(jiān)控系統(tǒng)。

但是，筆者認(rèn)為，在運(yùn)行過程也存在一些值得注意的地方。

(1)設(shè)計(jì)依據(jù)方面，目前在設(shè)計(jì)過程中遵循的規(guī)范是GB 50227-2017《并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》和GB 50060-2008《3～110kV高壓配電裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》，同時(shí)還有一些制造與電力部門的規(guī)范， 如GB/Z 11024-2002《標(biāo)稱電壓1kV以上交流電力系統(tǒng)用并聯(lián)電容器》、DL/T 604-1996《高壓并聯(lián)電容器裝置訂貨技術(shù)條件》、DL/T 840-2009《高壓并聯(lián)電容器裝置使用技術(shù)條件》等。在這些規(guī)范規(guī)程中，對于采用SVG方式進(jìn)行無功補(bǔ)償還沒有相關(guān)技術(shù)要求。這就意味著能否采用這一方式存在不確定性，對于SVG設(shè)備的土建要求也不明確。本項(xiàng)目能夠獲得批準(zhǔn)采用此種方式與航站區(qū)電站由業(yè)主自行管理有很大關(guān)系。所以在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要及時(shí)與供電管理單位落實(shí)能否采用SVG方式。

(2)由于SVG內(nèi)的主要元器件是IGBT，其發(fā)熱量較大，一般可以按照補(bǔ)償容量的3%估算，如果采用升壓并聯(lián)方式，還應(yīng)考慮升壓變壓器的發(fā)熱?；谡{(diào)試階段發(fā)熱明顯(本項(xiàng)目中兩臺SVG設(shè)備發(fā)熱量約為48kW，已經(jīng)接近變壓器發(fā)熱量)，在設(shè)計(jì)階段需要向通風(fēng)專業(yè)提出此部分發(fā)熱量資料需求，以便配置更適合的房間降溫設(shè)備。為集中解決散熱問題，可以考慮在設(shè)計(jì)階段為SVG設(shè)備規(guī)劃獨(dú)立房間進(jìn)行局部重點(diǎn)降溫，也可以考慮結(jié)合其頂部風(fēng)扇加裝獨(dú)立風(fēng)道，將熱風(fēng)直接排出室外(是否采用此種方法，要結(jié)合變配電室滅火方式綜合考慮)。

(3)在本項(xiàng)目中IGBT開關(guān)頻率雖然已經(jīng)達(dá)到4K左右，產(chǎn)生的噪聲依然可以達(dá)到約70dB，同時(shí)柜頂散熱風(fēng)扇會產(chǎn)生機(jī)械噪聲，其與IGBT噪音疊加后現(xiàn)場感覺明顯。所以為集中解決噪聲問題，可以考慮在設(shè)計(jì)階段為SVG設(shè)備規(guī)劃獨(dú)立房間進(jìn)行噪聲隔離，提高運(yùn)行人員舒適度。在招投標(biāo)階段，對于供應(yīng)商也應(yīng)該要求其供貨的成套設(shè)備通過合理確定工作頻率、提高變壓器品質(zhì)、提高柜頂散熱風(fēng)扇品質(zhì)與安裝精密等手段，降低噪音水平以滿足《工業(yè)企業(yè)噪聲控制設(shè)計(jì)規(guī)范》中的要求。