自動(dòng)無(wú)功補(bǔ)償裝置控制器的淺析

范志銘，趙勇，劉陽(yáng)

(1.ABB(中國(guó))有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110025;2.新東北電氣集團(tuán)電器設(shè)備有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110025)

1 引言

要改善電力浪費(fèi)，電網(wǎng)質(zhì)量嚴(yán)重超標(biāo)的狀況，其中重要的一環(huán)就是選擇無(wú)功功率補(bǔ)償裝置。圖1所示，當(dāng)功率因數(shù)為1.0時(shí)，有功功率100kW和視在功率都為100kVA，而功率因數(shù)為0.6時(shí)，所需要的視在功率為167kVA，而有功功率也為100kW。這就說(shuō)明相同有功功率負(fù)荷，功率因素為0.6的在電纜和變壓器上的電流是功率因素為1.0的負(fù)載的1.67倍。因此，在使用低功率因素負(fù)荷時(shí)，從發(fā)電站到工廠支路的整個(gè)電氣網(wǎng)絡(luò)，必須能承載比需要的還要大的電流負(fù)荷。因此，在選擇設(shè)備時(shí)需要更大的設(shè)備，增加投資成本，造成更大的浪費(fèi)。

2 無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)綜述

電力電容器作為配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹匾O(shè)備，在配電系統(tǒng)中被廣泛使用。主要優(yōu)點(diǎn):

(1)電力電容器是提供極簡(jiǎn)單的改善功率因數(shù);

(2)能有效配合感應(yīng)電動(dòng)機(jī)低功率因數(shù)運(yùn)行負(fù)荷的需要;

(3)電容器沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)的部分，使用維護(hù)簡(jiǎn)單;

(4)不需要復(fù)雜的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu);

(5)增加負(fù)荷時(shí)利用增加電容器辦法能有效把功率因數(shù)提高到所要求的水平;

(6)電容器的本身?yè)p耗很低。

圖1

可是目前市場(chǎng)無(wú)法提供電容容量能夠連續(xù)可調(diào)的電力電容，因此不能直接利用成熟的線性控制理論來(lái)設(shè)計(jì)功率因素補(bǔ)償器。而功率因素補(bǔ)償器是無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹匾M成，通過(guò)它合理地控制電容器，優(yōu)化投切電容器，來(lái)決定配電系統(tǒng)中已安裝的電容器組在不同負(fù)荷狀態(tài)下的投切策略(決定投切的組數(shù))，以達(dá)到減小系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)功率或能量損耗目的?？梢蕴岣吲潆娤到y(tǒng)的電壓質(zhì)量，改善功率因素，降低網(wǎng)絡(luò)損耗，增加系統(tǒng)容量。

3 靜止電容器的控制

靜止電容器可以改善線路參數(shù)，減少線路感性無(wú)功功率，補(bǔ)償系統(tǒng)無(wú)功。但由于提供的無(wú)功功率Qc與節(jié)點(diǎn)電壓U平方成正比:

Qc=2πfCU210－9(kvar)

當(dāng)節(jié)點(diǎn)電壓下降時(shí)，它提供的無(wú)功功率會(huì)大大減小，因此靜止電容器的無(wú)功功率調(diào)節(jié)性能較差。由于維護(hù)方便，裝設(shè)容量可大可小，既可集中使用，又可分散安裝。一般的功率因數(shù)檢測(cè)方法是，檢測(cè)電流與電壓信號(hào)過(guò)零的時(shí)間差，算出相應(yīng)的功率因數(shù)角和功率因數(shù)。當(dāng)cosφ=1時(shí)，線路中沒(méi)有無(wú)功損耗。

這種采樣方式在運(yùn)行中既要保證線路系統(tǒng)穩(wěn)定、無(wú)振蕩現(xiàn)象出現(xiàn)，又要兼顧補(bǔ)償效果。這是一對(duì)矛盾，只能在現(xiàn)場(chǎng)視具體情況將參數(shù)整定在較好的狀態(tài)下工作。即使調(diào)整的較好，也無(wú)法彌補(bǔ)這種方式本身的缺陷，尤其是在線路重負(fù)荷時(shí)。舉例說(shuō)明:

圖2

圖2所示，表示了電容補(bǔ)償有功、無(wú)功的相量關(guān)系。其中，Φn是系統(tǒng)的自然功率數(shù)角;Φ1為控制器設(shè)計(jì)的下限功率因素角;Φ2為控制器的上限功率角，在此之前系統(tǒng)的容量用OA表示，已投入電容器容量為CC(用AB表示)，將功率因素提高到下限之上;當(dāng)負(fù)載增加到OC時(shí)(此時(shí)有功P用OF表示，原有的電容器容量QC不能將功率因素補(bǔ)到下限之上，而稍低于下限，這時(shí)系統(tǒng)總?cè)萘坑蒓D表示，如果即將投入的一組電容器容量Qci大于DE，那么投入后就將系統(tǒng)的功率因素越過(guò)上限，這時(shí)就造成振蕩。投切振蕩很容易造成控制設(shè)備和電容器的損壞，必須予以避免。

設(shè)定投入門(mén)限;cosΦ=0.95(滯后)此時(shí)線路重負(fù)荷，即使此時(shí)的無(wú)功損耗已很大，再投電容器組也不會(huì)出現(xiàn)過(guò)補(bǔ)償，但只要cosΦ不小于0.95，控制器就不會(huì)再有補(bǔ)償指令，也就不會(huì)有電容器組投入，所以這種控制方式建議不做為推薦的方式。

4 補(bǔ)償器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償應(yīng)用實(shí)例分析

無(wú)功補(bǔ)償情況簡(jiǎn)介，現(xiàn)場(chǎng)多臺(tái)電機(jī)分散分部，且在不同的時(shí)段不同負(fù)荷(白天工作時(shí)間負(fù)載比較大，夜間電流比較小)，諧波含量小。因此，集中補(bǔ)償點(diǎn)在變壓器出線處，總的補(bǔ)償無(wú)功功率為360kvar，分12組，每組電容容量為30kvar。

電網(wǎng)無(wú)功功率經(jīng)控制器采樣、運(yùn)算，發(fā)出不同的電容的投入或切除信號(hào)，通過(guò)投入或切除電容器來(lái)改變電網(wǎng)中的無(wú)功電流，最后電網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償達(dá)到目標(biāo)設(shè)定值。整個(gè)無(wú)功補(bǔ)償控制過(guò)程是屬于閉環(huán)控制。圖2所示，電容的投入或切除是通過(guò)補(bǔ)償器的輸出端子1～12號(hào)端子來(lái)控制接觸器分合，來(lái)實(shí)現(xiàn)電容器的投入或切除。

圖3

圖3所示，電容補(bǔ)償過(guò)程電壓、電流變化過(guò)程，從自然功率因數(shù)到目標(biāo)功率因數(shù)的過(guò)程，在開(kāi)始補(bǔ)償前，電壓的平均值為217.9V，電流平均值為1080A，而補(bǔ)償后電壓的平均值為222.3V，電流平均值為915A。

(1)說(shuō)明在使用低功率因數(shù)負(fù)荷時(shí)，從發(fā)電站到工廠支路的整個(gè)電氣網(wǎng)絡(luò)，承受的負(fù)載比需要的還要大的電流負(fù)荷。而經(jīng)無(wú)功補(bǔ)償后電流減小。電流減小時(shí)，從電網(wǎng)到工廠支路的整個(gè)電氣網(wǎng)絡(luò)的線路損耗將有所降低，降低線路的電壓降，從而電壓有所提高。

圖4

(2)在無(wú)功補(bǔ)償過(guò)程，電壓逐漸平滑上升和電流逐漸平滑下降過(guò)程，補(bǔ)償過(guò)程電壓、電流基本不發(fā)生突變，也沒(méi)有大沖擊電流和電壓。補(bǔ)償器是逐級(jí)投入電容器組，根據(jù)檢測(cè)的無(wú)功功率和目標(biāo)值對(duì)比，決定投入或切除一組電容，投入或切除一組電容器后再檢測(cè)的無(wú)功功率，決定投切一組電容。補(bǔ)償器不是一次性地輸出控制量，每次控制量的輸出需要一定的時(shí)間才能完成。以免了大沖擊電流和電壓的波動(dòng)，無(wú)功功率調(diào)節(jié)近似是平滑調(diào)節(jié)。

(3)從補(bǔ)償過(guò)程圖4觀察，自然功率因數(shù)接近目標(biāo)功率因數(shù)時(shí)，電流和電壓接近穩(wěn)定值。雖然負(fù)荷有點(diǎn)波動(dòng)，但只有波動(dòng)在一定范圍，補(bǔ)償器不會(huì)再投切電容器組。

圖5

圖5所示，補(bǔ)償前電網(wǎng)中的自然功率因數(shù)為0.85，有功功率為204kW無(wú)功功率為126kvar，視在功率240kVA;現(xiàn)場(chǎng)設(shè)定目標(biāo)功率因數(shù)為0.98，補(bǔ)償器是通過(guò)逐級(jí)投入或切除電容器來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率控制，控制器敏感度C/k=0.62×Q=19kvar。也就是說(shuō)，當(dāng)目標(biāo)無(wú)功功率和和實(shí)際無(wú)功相差大于C/K時(shí)，控制器才會(huì)投入或切除電容器，否則，將不投切。

當(dāng)功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)?.97時(shí)，不會(huì)再投入一組電容補(bǔ)償，因?yàn)閷?shí)際無(wú)功功率為58kvar－目標(biāo)無(wú)功功率43kvar=15kvar小于控制器的敏感度19kvar。

5 有諧波電流下無(wú)功補(bǔ)償實(shí)例分析

負(fù)荷主要是開(kāi)關(guān)電源，3次諧波電流嚴(yán)重。為了減小諧波對(duì)電容器的影響，在電容上串聯(lián)一個(gè)電抗，如圖6所示。選好電容器和電抗器的值，來(lái)保證回路在基波頻率(50Hz)下，為容性阻抗，在3次諧波頻率下(150Hz)，為零阻抗或感性阻抗。這樣經(jīng)投切串有電抗的電容器，對(duì)于3次諧波150Hz下，既有有濾波功能，也有防止諧波造成電網(wǎng)中電抗和電容形成諧振，損壞電容功能。

圖6 三相電容加電抗示意圖

圖7 補(bǔ)償前后電能質(zhì)量圖

圖8

圖8所示，補(bǔ)償前后的電流諧波含量圖，補(bǔ)償前電流為1337A，諧波的總含量THD=24.0%，補(bǔ)償后電流為1306A，電流諧波的總含量THD=1.6%。

圖9所示，補(bǔ)償前電網(wǎng)電壓為220.1V，電壓諧波的總含量THD=3.0%，補(bǔ)償后電壓為219.8V，電壓諧波的總含量THD=1.2%。

圖9

(1)從無(wú)功補(bǔ)償效果看，補(bǔ)償器在諧波下，能控制電容器組正常的投切，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確無(wú)功補(bǔ)償。

(2)在諧波比較大的系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，在每組電容器和一定比例k值的電抗器串聯(lián)，既實(shí)現(xiàn)了無(wú)功補(bǔ)償，又濾除電網(wǎng)中諧波電流。

5 結(jié)語(yǔ)

本文用實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證了無(wú)功補(bǔ)償器的性能，由無(wú)功補(bǔ)償器控制電容器投入前后的電壓、電流波形和電容投入過(guò)程電壓、電流幅值變化，可明顯看出無(wú)功補(bǔ)償器效果;在系統(tǒng)諧波電流比較大時(shí)，無(wú)功補(bǔ)償回路的電容器和電抗器串聯(lián)，投入后系統(tǒng)無(wú)功功率得到補(bǔ)償，電流中所含諧波電流成分及系統(tǒng)接入點(diǎn)電壓的諧波含有率均大大降低，系統(tǒng)電壓、電流質(zhì)量均有明顯改善。