桂林机场T2航站楼能源中心10kV SVG实施总结

杨明轲， 肖 勇

(1. 北京市建筑设计研究院有限公司，北京 100045； 2. 广西机场管理集团有限责任公司，南宁 530000)

0 引言

桂林两江国际机场(简称“桂林机场”)位于桂林市西南方28km处的临桂县两江镇，T1航站楼5.03万m2，T2航站楼10万m2。为解决向T1航站楼和T2 航站楼集中提供冷、暖能源供应的问题，在T2航站楼南侧设置一字型布局的能源中心， 内部设置制冷机房及其配电室、锅炉房、变配电室、柴油发电机房等。该建筑地上一层，局部地下一层，通过设备管廊与T2航站楼地下管廊联通。桂林两江国际机场能源中心位置示意图如图1所示。

图1 桂林两江国际机场能源中心位置示意图

1 供配电系统设计介绍

本项目中暖通专业规划设置4台1 200RT的制冷机组，为T1航站楼和T2 航站楼集中提供冷源。但由于1 500Rt的冷水机组输入电功率大约880kW，且根据中华人民共和国工业用电规程规定，在电机容量大于200kW时电力驱动设备宜选用高压电机，故本项目最终确定采用4台10kV高压电机。

在初步设计阶段，电气专业按照常规方式在制冷机房配电控制室内，针对10kV高压制冷机组一对一规划设置了启动柜组，自能源中心变配电室10kV出线开关采用放射式向启动柜配出10kV电缆。

针对制冷机组启动柜组，先期规划采用通过自耦变压器降压启动，并针对单台机组在现场设置电容补偿装置方式。但随着工程实施，经过业主指示，结合投标产品参数和与机场中心电站的协调，校验启动电流后，最终决定采用直接启动方式。同时考虑到变配电室就在高压制冷机房附近，供电方案调整为取消制冷机组的现场电容补偿，改在变配电室10kV侧集中设置高压补偿装置。

2 10kV 侧无功补偿介绍

2.1 补偿容量的确定

通过咨询机场供电管理部门，对于补偿容量要求按照高压设备容量的30%执行，考虑到变压器低压侧已采用电容补偿装置，最终确定按照10kV制冷机组容量(每段母线两台1 250kVA机组)进行补偿，每段10kV母线补偿容量确定为800 kvar。通过对中标设备分析，针对本项目供回水温度的工况，单台机组电机功率为879kW。

在启动阶段，取不利自然功率因数cosφ1为0.7，则tgφ1=1.02；补偿后，cosφ2目标值为0.95，tgφ2=0.318，则需要补偿无功功率Qc为Pe·(tgφ1-tgφ2)=879·(1.02-0.318)=616kvar。

由于制冷机组在运行中不同时启动，会逐台投入运行，补偿容量满足使用要求。

在稳定运行阶段，取不利自然功率因数cosφ1为0.8，则tgφ1=0.75；补偿后，cosφ2目标值为0.95，tgφ2=0.318，则需要补偿无功功率Qc为Pe·(tgφ1-tgφ2)=2·879·(0.75-0.318)=759kvar。

补偿容量满足使用要求。

2.2 补偿方式的确定

在10kV侧，可以采用传统的无源并联电容器组方式进行无功补偿，并通过投切开关控制分组电容器的投切。

早期采用机械式投切的无源补偿装置，由于补偿方式是采用纯电容或电容电抗串接的方式，会造成无功补偿阶跃性，无法达到较好的补偿效果，设备易受系统阻抗变化及谐波影响，设计寿命一般为5年左右。同时由于其投切装置的限制，响应速度也较慢，无法及时满足补偿现场设备使用要求。当然这样也是可以满足规范要求的，因为根据DL/T 672-1999《变电所电压无功调节控制装置订货技术条件》，对于6kV及以上电网中，接受投切指令进行动作的并联电容器组进行控制的自动调节控制装置，延时时间在20～60s可调，所以无功自动补偿器将在接收10kV电压信号和电流信号，并计算所需补偿容量后，延时后进行无功自动投切。

需要强调的是，这一点和低压侧是不一样的(低压侧要求当采用半导体电子开关或复合开关投切时，动态响应时间不应大于1s)。另外，同等容量设备的占地面积约为有源设备的3～5倍，但由于其造价较低，目前仍在应用中。

随后以晶闸管控制的电抗器(TCR-Thyristor Controlled Reactor)、晶闸管投切的电容器(TSC-Thyristor Switch Capacitor)以及二者的混合装置(TCR+TSC)等主要形式组成的静止无功补偿器(SVC-StaticVar Compensator)得到快速发展，虽然属于无源补偿装置，但响应速度提高。

目前随着电力电子技术的发展，特别是IGBT器件的控制技术提高和成本降低，有别于传统的以电容器、电抗器为基础元器件的无功补偿设备，静止无功发生器(SVG-Static Var Generator)应用越来越多。静止无功发生器(SVG)又称静止同步补偿器(STATCOM)，它的核心器件是IGBT，可以实现维持系统电压恒定、谐波治理、抑制电压闪变等，可以对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功功率进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应，补偿无功功率时不需要储能元件，补偿谐波时所需储能元件的容量不大，且补偿无功功率的大小可以做到连续调节；不会引起谐振短路；可以吸纳无功；精准电压控制；受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振；且可以跟踪电网频率的变化，补偿性能不受电网频率变化的影响。

采用上述三种方式均可以满足使用要求。在施工图设计阶段，考虑到根据GB 50227-2017《并联电容器装置设计规范》相关要求，供电线路的开关柜不宜与并联电容器装置布置在同一配电室内，如果采用机械式投切的无源补偿装置或者静止无功补偿器，均需要考虑设置单独的电容器室，从土建布局上难以实现。最终业主从土建实际情况以及统一招标角度考虑，确定航站区全部项目的10kV侧电容补偿均采用静止无功发生器(SVG)方式。

2.3 SVG形式的确定

采用SVG设备进行补偿，有两种方案可以进行比选。

(1)链式串联直挂式

链式结构的SVG就是不经过变压器，直接在每相都串联若干个IGBT功率单元，使每相都可以承受目标电网电压，只是根据目标电网电压的不同决定每相串联IGBT功率单元的数量。原理图见图2。

图2 链式串联直挂式SVG原理图

目前SVG产品已经可以做到直挂于35kV及以下电压等级的电路上，损耗较小，同时省去了升压变压器，减少了故障环节。但是需要增加IGBT功率单元的数量，设备体积会明显增大。

同时由于其内部的链式结构，少数单元的损坏就会导致整机失效，所以提高IGBT功率单元的可靠性是非常重要的。出于性价比的考虑，小容量SVG不建议采用直挂式。

(2)升压并联式

升压并联式SVG的基本特点是采用一台降压变压器将10kV或者更高的电网电压降低为适合变流器单个功率单元可靠工作的电压等级(一般为600V左右)，通过在变压器的副边并联多个变流器功率单元达到大容量补偿的目的。该方案可通过增加变流器功率单元的数量成倍提高装置的总容量。原理图见图3。

图3 升压并联式SVG原理图

这种方式结构简单、体积小、维护与更换IGBT功率单元在低压侧操作安全性较高，并可以通过并联较多功率单元提高可靠性。但是变压器成为了故障环节，需要注意如何减低变压器故障率。同时由于采用PWM调制技术要求功率单元内的IGBT开关频率足够高，会增加SVG本身的损耗，使SVG自身发热量提高。

在本项目中，考虑到每段母线补偿容量为800 kvar，最后决定在每段母线安装一套采用升压并联式SVG。需要注意的是，由于补偿柜不同10kV配电柜并柜安装，所以自10kV配电柜除引来10kV电源外，还需要每段母线主进线断路器后需要加装采样电流互感器。本项目中SVG设备最终平面规划布置与实际安装详见图4。

图4 高压补偿柜平面规划布置

3 调试与运行

本项目在调试过程中对比SVG投入前后的功率因数，了解到投入运行前功率因数为85.9%，投入运行后功率因数达到99.4%，功率因数补偿效果明显，满足设计要求。

当SVG投用后，所有设备启动与运行正常；当SVG设备人为停用时，同一段母线的第二台10kV冷水机组启动时，10kV母线压降明显，根据电工原理分析，是因为电机启动时功率因数值下降，需要进行高压无功补偿以增加电路电压的稳定性，并对大电流负载的突发启动给予电流补偿，以可减少对电网的冲击。SVG设备的使用也实现了设备运行的功能需求。

通过对SVG设备运行过程的观察，可以发现SVG设备动态响应快，且运行情况稳定，功率因数>0.99无突变。同时各厂家均可以做到操作维护方便，控制和查询运行记录、故障类型和故障位置方便，相关数据可以通过RS422/485通讯接口采用MODBUS通讯协议，上传到电力监控系统。

但是，笔者认为，在运行过程也存在一些值得注意的地方。

(1)设计依据方面，目前在设计过程中遵循的规范是GB 50227-2017《并联电容器装置设计规范》和GB 50060-2008《3～110kV高压配电装置设计规范》，同时还有一些制造与电力部门的规范， 如GB/Z 11024-2002《标称电压1kV以上交流电力系统用并联电容器》、DL/T 604-1996《高压并联电容器装置订货技术条件》、DL/T 840-2009《高压并联电容器装置使用技术条件》等。在这些规范规程中，对于采用SVG方式进行无功补偿还没有相关技术要求。这就意味着能否采用这一方式存在不确定性，对于SVG设备的土建要求也不明确。本项目能够获得批准采用此种方式与航站区电站由业主自行管理有很大关系。所以在进行设计时需要及时与供电管理单位落实能否采用SVG方式。

(2)由于SVG内的主要元器件是IGBT，其发热量较大，一般可以按照补偿容量的3%估算，如果采用升压并联方式，还应考虑升压变压器的发热。基于调试阶段发热明显(本项目中两台SVG设备发热量约为48kW，已经接近变压器发热量)，在设计阶段需要向通风专业提出此部分发热量资料需求，以便配置更适合的房间降温设备。为集中解决散热问题，可以考虑在设计阶段为SVG设备规划独立房间进行局部重点降温，也可以考虑结合其顶部风扇加装独立风道，将热风直接排出室外(是否采用此种方法，要结合变配电室灭火方式综合考虑)。

(3)在本项目中IGBT开关频率虽然已经达到4K左右，产生的噪声依然可以达到约70dB，同时柜顶散热风扇会产生机械噪声，其与IGBT噪音叠加后现场感觉明显。所以为集中解决噪声问题，可以考虑在设计阶段为SVG设备规划独立房间进行噪声隔离，提高运行人员舒适度。在招投标阶段，对于供应商也应该要求其供货的成套设备通过合理确定工作频率、提高变压器品质、提高柜顶散热风扇品质与安装精密等手段，降低噪音水平以满足《工业企业噪声控制设计规范》中的要求。