楊明軻， 肖 勇

(1. 北京市建筑設計研究院有限公司，北京 100045； 2. 廣西機場管理集團有限責任公司，南寧 530000)

0 引言

桂林兩江國際機場(簡稱“桂林機場”)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、暖能源供應的問題，在T2航站樓南側設置一字型布局的能源中心， 內部設置制冷機房及其配電室、鍋爐房、變配電室、柴油發(fā)電機房等。該建筑地上一層，局部地下一層，通過設備管廊與T2航站樓地下管廊聯(lián)通。桂林兩江國際機場能源中心位置示意圖如圖1所示。

圖1 桂林兩江國際機場能源中心位置示意圖

1 供配電系統(tǒng)設計介紹

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

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

針對制冷機組啟動柜組，先期規(guī)劃采用通過自耦變壓器降壓啟動，并針對單臺機組在現(xiàn)場設置電容補償裝置方式。但隨著工程實施，經過業(yè)主指示，結合投標產品參數(shù)和與機場中心電站的協(xié)調，校驗啟動電流后，最終決定采用直接啟動方式。同時考慮到變配電室就在高壓制冷機房附近，供電方案調整為取消制冷機組的現(xiàn)場電容補償，改在變配電室10kV側集中設置高壓補償裝置。

2 10kV 側無功補償介紹

2.1 補償容量的確定

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

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

由于制冷機組在運行中不同時啟動，會逐臺投入運行，補償容量滿足使用要求。

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

補償容量滿足使用要求。

2.2 補償方式的確定

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

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

需要強調的是，這一點和低壓側是不一樣的(低壓側要求當采用半導體電子開關或復合開關投切時，動態(tài)響應時間不應大于1s)。另外，同等容量設備的占地面積約為有源設備的3～5倍，但由于其造價較低，目前仍在應用中。

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償器(SVC-StaticVar Compensator)得到快速發(fā)展，雖然屬于無源補償裝置，但響應速度提高。

目前隨著電力電子技術的發(fā)展，特別是IGBT器件的控制技術提高和成本降低，有別于傳統(tǒng)的以電容器、電抗器為基礎元器件的無功補償設備，靜止無功發(fā)生器(SVG-Static Var Generator)應用越來越多。靜止無功發(fā)生器(SVG)又稱靜止同步補償器(STATCOM)，它的核心器件是IGBT，可以實現(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行補償，對補償對象的變化有極快的響應，補償無功功率時不需要儲能元件，補償諧波時所需儲能元件的容量不大，且補償無功功率的大小可以做到連續(xù)調節(jié)；不會引起諧振短路；可以吸納無功；精準電壓控制；受電網阻抗的影響不大，不容易和電網阻抗發(fā)生諧振；且可以跟蹤電網頻率的變化，補償性能不受電網頻率變化的影響。

采用上述三種方式均可以滿足使用要求。在施工圖設計階段，考慮到根據GB 50227-2017《并聯(lián)電容器裝置設計規(guī)范》相關要求，供電線路的開關柜不宜與并聯(lián)電容器裝置布置在同一配電室內，如果采用機械式投切的無源補償裝置或者靜止無功補償器，均需要考慮設置單獨的電容器室，從土建布局上難以實現(xiàn)。最終業(yè)主從土建實際情況以及統(tǒng)一招標角度考慮，確定航站區(qū)全部項目的10kV側電容補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設備進行補償，有兩種方案可以進行比選。

(1)鏈式串聯(lián)直掛式

鏈式結構的SVG就是不經過變壓器，直接在每相都串聯(lián)若干個IGBT功率單元，使每相都可以承受目標電網電壓，只是根據目標電網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 鏈式串聯(lián)直掛式SVG原理圖

目前SVG產品已經可以做到直掛于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，設備體積會明顯增大。

同時由于其內部的鏈式結構，少數(shù)單元的損壞就會導致整機失效，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的基本特點是采用一臺降壓變壓器將10kV或者更高的電網電壓降低為適合變流器單個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)多個變流器功率單元達到大容量補償?shù)哪康摹Ｔ摲桨缚赏ㄟ^增加變流器功率單元的數(shù)量成倍提高裝置的總容量。原理圖見圖3。

圖3 升壓并聯(lián)式SVG原理圖

這種方式結構簡單、體積小、維護與更換IGBT功率單元在低壓側操作安全性較高，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。同時由于采用PWM調制技術要求功率單元內的IGBT開關頻率足夠高，會增加SVG本身的損耗，使SVG自身發(fā)熱量提高。

在本項目中，考慮到每段母線補償容量為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線斷路器后需要加裝采樣電流互感器。本項目中SVG設備最終平面規(guī)劃布置與實際安裝詳見圖4。

圖4 高壓補償柜平面規(guī)劃布置

3 調試與運行

本項目在調試過程中對比SVG投入前后的功率因數(shù)，了解到投入運行前功率因數(shù)為85.9%，投入運行后功率因數(shù)達到99.4%，功率因數(shù)補償效果明顯，滿足設計要求。

當SVG投用后，所有設備啟動與運行正常；當SVG設備人為停用時，同一段母線的第二臺10kV冷水機組啟動時，10kV母線壓降明顯，根據電工原理分析，是因為電機啟動時功率因數(shù)值下降，需要進行高壓無功補償以增加電路電壓的穩(wěn)定性，并對大電流負載的突發(fā)啟動給予電流補償，以可減少對電網的沖擊。SVG設備的使用也實現(xiàn)了設備運行的功能需求。

通過對SVG設備運行過程的觀察，可以發(fā)現(xiàn)SVG設備動態(tài)響應快，且運行情況穩(wěn)定，功率因數(shù)>0.99無突變。同時各廠家均可以做到操作維護方便，控制和查詢運行記錄、故障類型和故障位置方便，相關數(shù)據可以通過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，筆者認為，在運行過程也存在一些值得注意的地方。

(1)設計依據方面，目前在設計過程中遵循的規(guī)范是GB 50227-2017《并聯(lián)電容器裝置設計規(guī)范》和GB 50060-2008《3～110kV高壓配電裝置設計規(guī)范》，同時還有一些制造與電力部門的規(guī)范， 如GB/Z 11024-2002《標稱電壓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條件》、DL/T 840-2009《高壓并聯(lián)電容器裝置使用技術條件》等。在這些規(guī)范規(guī)程中，對于采用SVG方式進行無功補償還沒有相關技術要求。這就意味著能否采用這一方式存在不確定性，對于SVG設備的土建要求也不明確。本項目能夠獲得批準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系。所以在進行設計時需要及時與供電管理單位落實能否采用SVG方式。

(2)由于SVG內的主要元器件是IGBT，其發(fā)熱量較大，一般可以按照補償容量的3%估算，如果采用升壓并聯(lián)方式，還應考慮升壓變壓器的發(fā)熱。基于調試階段發(fā)熱明顯(本項目中兩臺SVG設備發(fā)熱量約為48kW，已經接近變壓器發(fā)熱量)，在設計階段需要向通風專業(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備。為集中解決散熱問題，可以考慮在設計階段為SVG設備規(guī)劃獨立房間進行局部重點降溫，也可以考慮結合其頂部風扇加裝獨立風道，將熱風直接排出室外(是否采用此種方法，要結合變配電室滅火方式綜合考慮)。

(3)在本項目中IGBT開關頻率雖然已經達到4K左右，產生的噪聲依然可以達到約70dB，同時柜頂散熱風扇會產生機械噪聲，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，可以考慮在設計階段為SVG設備規(guī)劃獨立房間進行噪聲隔離，提高運行人員舒適度。在招投標階段，對于供應商也應該要求其供貨的成套設備通過合理確定工作頻率、提高變壓器品質、提高柜頂散熱風扇品質與安裝精密等手段，降低噪音水平以滿足《工業(yè)企業(yè)噪聲控制設計規(guī)范》中的要求。