自動無功補(bǔ)償技術(shù)在船舶交流電網(wǎng)中的應(yīng)用與實踐

林 明

（舟山三峰電氣設(shè)備有限公司，浙江 舟山316000）

0 引言

在船舶交流電力系統(tǒng)中，電網(wǎng)的大多數(shù)負(fù)載設(shè)備都是感性的，這些設(shè)備的運(yùn)行會使功率因數(shù)變小，無功功率變大，從而增加電網(wǎng)的無功損耗，也會造成電網(wǎng)電壓下降，導(dǎo)致船舶電網(wǎng)供電效率和質(zhì)量明顯下降。因此，船舶電力系統(tǒng)供電時應(yīng)保證電網(wǎng)功率因數(shù)較大，比如在0.8以上。而在船舶實際負(fù)載工作的狀態(tài)下，無功功率又是無法避免的，所以在電網(wǎng)中用無功補(bǔ)償方式來提高電能質(zhì)量十分有必要。

在感性負(fù)載中無功功率補(bǔ)償原理即容性負(fù)載裝置與感性功率負(fù)荷并聯(lián)在同一電路中，使容性負(fù)荷和感性負(fù)荷相互轉(zhuǎn)化吸收、釋放電能，最終保持船舶電網(wǎng)功率因數(shù)的平穩(wěn)。最簡單的方式是功率因數(shù)測量法，即運(yùn)用接觸器—繼電器電路接通或斷開分組電容器補(bǔ)償裝置，這種裝置快速性不夠，不能滿足船舶高自動化性能的要求。目前常用的無功補(bǔ)償裝置包括同步調(diào)相器、靜止補(bǔ)償器、分組電容器等，其中靜止補(bǔ)償器由于性能優(yōu)異、補(bǔ)償反應(yīng)迅速，深得用戶青睞。

1 靜止無功補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)

靜止無功補(bǔ)償裝置實際上就是在直接并接電容器的基礎(chǔ)上衍生出來的，為限制無功功率，提高功率因數(shù)，最直觀的方法就是在電網(wǎng)中安裝并聯(lián)電力電容器，其結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠，在陸用或船舶電網(wǎng)中應(yīng)用較為廣泛。目前電容無功補(bǔ)償投切開關(guān)方式有普通接觸器、帶預(yù)投電阻的專用接觸器、可控硅和大功率固態(tài)繼電器4種形式。實際經(jīng)驗表明，繼電器與可控硅各有優(yōu)勢，能解決快速性的問題。靜止無功補(bǔ)償裝置是運(yùn)用DSP技術(shù)的靈敏性，通過繼電器與可控硅并聯(lián)連接的方式控制電容器的投切，裝置主電路如圖1所示，主要由磁保持繼電器KC、過零繼電器KW1～KW3、電力電容器CC及單片機(jī)控制單元等組成。靜止無功補(bǔ)償裝置根據(jù)單片機(jī)DSP采集信號得出功率因數(shù)和有功功率，來算出補(bǔ)償?shù)臒o功分量，并進(jìn)行分組逐級投切，完成有效、及時的無功補(bǔ)償。

圖1 靜止無功補(bǔ)償裝置組成原理圖

2 自動無功補(bǔ)償原理

由圖1可知，當(dāng)補(bǔ)償裝置得到單片機(jī)DSP的K1投合信號時，KW1～KW3固態(tài)繼電器進(jìn)行過零檢測，當(dāng)電路波形過零點時，輸出信號觸發(fā)可控硅導(dǎo)通，然后磁保持繼電器KC按邏輯控制閉合實現(xiàn)電容器的正確投合，完成投合后，電流通過磁保持繼電器KC觸點，實現(xiàn)零功耗；當(dāng)裝置沒有接收到投合信號時，斷開繼電器KC，然后停止發(fā)出脈沖，使KW1～KW3固態(tài)繼電器過零切除?？梢?，采用可控硅與磁保持繼電器并聯(lián)工作的方法，既能有效抑制涌流，使對電網(wǎng)和電容器的沖擊大幅減小，不產(chǎn)生諧波影響，又能有效延長電容器和開關(guān)的壽命。

3 船舶電網(wǎng)補(bǔ)償方式

船舶電網(wǎng)和陸地電網(wǎng)有諸多不同，實踐中，船舶電網(wǎng)無功補(bǔ)償方式有很多種，這里根據(jù)實際經(jīng)驗總結(jié)幾種比較典型的補(bǔ)償方式，即末端補(bǔ)償、集中補(bǔ)償和源端補(bǔ)償。

3.1 末端補(bǔ)償

末端補(bǔ)償方式就是在設(shè)備終端提供無功補(bǔ)償，有很多船舶設(shè)備，尤其是大容量、大負(fù)載設(shè)備，它們在負(fù)荷運(yùn)行和空載運(yùn)行時功率因數(shù)會有很大差別，也就是說無功輸出會隨著負(fù)荷變化而發(fā)生明顯變化。這樣，為能及時吸收無功功率，避免給電網(wǎng)或其他設(shè)備造成影響，可采用就地補(bǔ)償方式，即在這種大負(fù)載設(shè)備旁邊就地并聯(lián)無功補(bǔ)償裝置，及時吸收無功（圖2）。

圖2 末端補(bǔ)償法

3.2 集中補(bǔ)償

在船舶電網(wǎng)中，提供電源的發(fā)電機(jī)組比較多，在容量都比較小且電網(wǎng)中大負(fù)載很少的情況下，由于造成無功功率的終端無法判斷，所以將整個電網(wǎng)都視為無功生成所，此時可在主配電板的匯流排處并接相應(yīng)容量的無功補(bǔ)償裝置，以整體吸收無功，提高電網(wǎng)功率因數(shù)（圖3）。

3.3 源端補(bǔ)償

源端補(bǔ)償即在電網(wǎng)電源端發(fā)電機(jī)輸出端補(bǔ)償，此種方法針對的是發(fā)電機(jī)組臺數(shù)不多或發(fā)電機(jī)組額定容量差異較大的船舶電網(wǎng)，電網(wǎng)無功功率增大也會使發(fā)電機(jī)輸出的無功增大，在發(fā)電端吸收無功功率也能穩(wěn)定功率因數(shù)，提升電能質(zhì)量（圖4）。

圖3 集中補(bǔ)償法

圖4 源端補(bǔ)償法

4 發(fā)展趨勢

當(dāng)前，隨著船舶自動化技術(shù)及無人化機(jī)艙的不斷發(fā)展，船舶電力系統(tǒng)的無功補(bǔ)償技術(shù)也有了相應(yīng)發(fā)展。

（1）新型傳感檢測技術(shù)和集中信號處理技術(shù)的應(yīng)用，使得在電網(wǎng)電壓不均或畸變情況下，瞬時無功功率檢測方法能將基波正序瞬時無功電流和不對稱及高次諧波瞬時無功功率電流進(jìn)行準(zhǔn)確分離，并有選擇性地及時進(jìn)行功率補(bǔ)償。（2）隨著計算機(jī)控制技術(shù)的飛速發(fā)展，先進(jìn)的控制理論、控制方法和控制器件將在無功補(bǔ)償裝置中得到推廣應(yīng)用。（3）電力電子器件性能提高。電力電子器件的性能直接影響無功補(bǔ)償裝置效果，應(yīng)從材料、工藝、技術(shù)等方面入手提高電力電子器件性能，從而為無功補(bǔ)償技術(shù)帶來質(zhì)的飛躍。（4）船舶電網(wǎng)無功補(bǔ)償專門化技術(shù)應(yīng)用。由于船舶電力系統(tǒng)總體容量較小、負(fù)載類型較少，其無功主要靠發(fā)電設(shè)備自身進(jìn)行小幅度調(diào)整，而目前的補(bǔ)償設(shè)備一般為陸船通用，不能達(dá)到船舶預(yù)期效果，對于適應(yīng)船舶電力系統(tǒng)的專門化無功補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行研究勢在必行。

5 結(jié)語

隨著其他支撐技術(shù)的發(fā)展無功補(bǔ)償技術(shù)也會不斷發(fā)展，例如現(xiàn)代電力電子技術(shù)進(jìn)步會提高無功補(bǔ)償?shù)撵`敏度，計算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)發(fā)展會使得無功補(bǔ)償技術(shù)自動化程度、集成度更高，通信技術(shù)和先進(jìn)控制理論技術(shù)的不斷發(fā)展與不斷成熟將使現(xiàn)代船舶無功補(bǔ)償技術(shù)向智能化方向發(fā)展。

［1］李宏，董瑾.無功補(bǔ)償技術(shù)的研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（6）：175－178.

［2］許曉彥，石晴晴.電力推進(jìn)船舶電網(wǎng)提高電能質(zhì)量方法研究［J］.電氣技術(shù)，2010（8）：54－57.