無功補(bǔ)償裝置在工廠供電系統(tǒng)中的應(yīng)用

李歡

【摘 要】隨著由電力電子器件組成的電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用和容量的不斷增加，給供電網(wǎng)絡(luò)和其他用電設(shè)備帶來的電網(wǎng)污染和公害也日益顯著。因此，在設(shè)計(jì)或構(gòu)成一個(gè)大型的電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)時(shí)，必須考慮諧波治理、功率因數(shù)及無功功率補(bǔ)償?shù)膯栴}。該文以TCR型SVC裝置為例系統(tǒng)介紹了SVC的工作原理及其在煤礦供電系統(tǒng)中的選型設(shè)計(jì)方法，以供同行探討。

【關(guān)鍵詞】無功補(bǔ)償；濾波裝置；供電系統(tǒng)

0.前言

由于電力電子器件的非線性和波形非正弦的特點(diǎn)，由電力電子器件組成的電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)的電源側(cè)電流不僅含有基波，還包含豐富的諧波，電控系統(tǒng)在整個(gè)運(yùn)行期間功率因數(shù)偏低（一般在0.2～0.8之間），同時(shí)由于起動(dòng)時(shí)無功沖擊大，電網(wǎng)電壓波動(dòng)較大，電壓波動(dòng)問題更加突出。這些都會(huì)給電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來不利影響，同時(shí)也會(huì)對(duì)接入該供電網(wǎng)絡(luò)中的其他用電設(shè)備帶來一些不利影響甚至危害，下面就此問題筆者結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行探討。

1.目前國(guó)內(nèi)無功補(bǔ)償裝置的應(yīng)用情況

對(duì)于供電系統(tǒng)的無功補(bǔ)償，傳統(tǒng)上只用濾波裝置實(shí)現(xiàn)。但對(duì)于負(fù)荷變化較頻繁，尤其是煤礦供電系統(tǒng)，若僅裝設(shè)諧波濾波裝置，由于其無功補(bǔ)償是恒定的，因此就造成了在母線負(fù)荷重的時(shí)候，無功功率的補(bǔ)償不足，而在負(fù)荷輕的時(shí)候，無功又倒送回電網(wǎng)。使母線電壓升高。我國(guó)目前對(duì)無功的考核采用“反轉(zhuǎn)正計(jì)”的方法，即吸收無功和反送無功均累計(jì)無功電度，造成功率因數(shù)更低。

針對(duì)目前電力負(fù)荷特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外對(duì)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償技術(shù)都進(jìn)行了研究，主要類型分為如下幾種：

（1）靜止型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置（SVC）。該裝置為晶閘管控制電抗器+濾波裝置（TCR+FC）方式。其功能具有平滑調(diào)節(jié)無功補(bǔ)償容量、系統(tǒng)響應(yīng)速度快，并能綜合治理諧波，普遍應(yīng)用在煤礦系統(tǒng)、冶金行業(yè)、電力系統(tǒng)和電氣化鐵路等。

（2）分組投切電容器方式。真空接觸器（或斷路器）投切方式，投切時(shí)開關(guān)觸頭間會(huì)產(chǎn)生電弧，因電容回路的通斷過程中會(huì)產(chǎn)生較高的操作過電壓和沖擊電流。觸頭間易產(chǎn)生電弧重燃，對(duì)開關(guān)及電容器安全運(yùn)行產(chǎn)生較大的影響。

（3）磁閥式補(bǔ)償方式。裝置由補(bǔ)償電容器和并聯(lián)可調(diào)電抗器組成，通過高阻抗電抗器磁通的調(diào)節(jié)，使其與并聯(lián)電容器中多余的容性無功容量平衡。這是自飽和電抗器補(bǔ)償方式的一種變型產(chǎn)品，因其損耗大，運(yùn)行成本高，調(diào)節(jié)速度慢，補(bǔ)償范圍有一定的限制，屬于淘汰技術(shù)。

2.無功沖擊對(duì)電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的影響

（1）使供電系統(tǒng)母線電壓產(chǎn)生波動(dòng)，降低了機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行效率。

（2）大量無功使系統(tǒng)功率因數(shù)較低，浪費(fèi)大量電能。變流設(shè)備自然功率因數(shù)較低，一般只有0.7左右，造成供配電系統(tǒng)的電能損耗增加，發(fā)配電設(shè)備的利用率下降，企業(yè)的電費(fèi)支出增加，影響企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

（3）諧波電流對(duì)電氣設(shè)備的危害。

變流設(shè)備產(chǎn)生的大量諧波電流和無功沖擊會(huì)對(duì)用戶本身及電網(wǎng)用電設(shè)備造成較嚴(yán)重的電壓波動(dòng)和諧波污染。這不僅帶來運(yùn)行隱患，威脅電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，還會(huì)給其他電氣設(shè)備的運(yùn)行帶來不利影響。

3.煤礦用SVC裝置的原理與應(yīng)用

3.1可調(diào)相控電抗器（TCR）產(chǎn)生連續(xù)變化感性無功的基本原理

u為交流電壓，Th1、Th2為2個(gè)反并聯(lián)晶閘管，控制這兩個(gè)晶閘管在一定范圍內(nèi)導(dǎo)通，則可控制電抗器流過的電流i和u的基本波形，故

a為Th1和Th2的觸發(fā)角，則有

i的基波有效值為：

式中

V——相電壓有效值；

ωL——電抗器的基波電抗。

因此，可以通過控制電抗器上串聯(lián)的兩只反并聯(lián)晶閘管的觸發(fā)角來控制電抗器吸收的無功功率的值。

3.2 SVC系統(tǒng)的組成及控制原理

TCR型SVC系統(tǒng)的基本組成如圖1：

（1）恒無功控制，保證功率因數(shù)及抑制電壓波動(dòng)。SVC連接到系統(tǒng)中，電容器提供固定的容性無功功率QC，通過相控電抗器的電流決定了從相控電抗器輸出的感性無功值QTCR，感性無功與容性無功相抵消，只要QN（系統(tǒng)）=QV（負(fù)載）-QC+QTCR=恒定值（或0），功率因數(shù)就能保持恒定，電壓幾乎不波動(dòng)。最重要的是精確控制晶閘管觸發(fā)，獲得所需的電抗器電流。采集的進(jìn)線電流及母線電壓經(jīng)運(yùn)算后得出要補(bǔ)償?shù)臒o功功率，計(jì)算機(jī)發(fā)出觸發(fā)脈沖，光纖傳輸至脈沖放大單元，經(jīng)放大后觸發(fā)晶閘管，得到所補(bǔ)償?shù)臒o功功率。

（2）采用STEINMETZ理論進(jìn)行分相調(diào)節(jié)，抑制負(fù)序電流。不平衡有功可通過在其它兩相的無功元件來產(chǎn)生平衡電流。當(dāng)不平衡負(fù)荷中每相間負(fù)荷既有有功Pab、Pbc、Pca，又有無功Qab、Qbc、Qca時(shí)，相間無功可用角接補(bǔ)償電納來補(bǔ)償，不平衡有功可以用另外兩個(gè)相間電納來平衡。

4.結(jié)語

經(jīng)過各類方案的綜合比選，適合工廠供電系統(tǒng)的無功補(bǔ)償方案可選擇技術(shù)先進(jìn)的靜止型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置（SVC），即晶閘管控制電抗器（TCR+FC）方案。近年來，隨著國(guó)內(nèi)需求的高漲，在國(guó)家的大力支持下，國(guó)內(nèi)TCR型動(dòng)補(bǔ)已逐步實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，極大地降低了TCR型動(dòng)補(bǔ)的生產(chǎn)成本；同時(shí)，熱管自冷技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用于大功率晶閘管的散熱中，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)補(bǔ)的免維護(hù)運(yùn)行，提高了系統(tǒng)可靠性。

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