低壓連續(xù)無功補償裝置應(yīng)用研究

宋　斌

(武漢鋼鐵建工集團有限責(zé)任公司　湖北　武漢：430080)

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低壓連續(xù)無功補償裝置應(yīng)用研究

宋斌

(武漢鋼鐵建工集團有限責(zé)任公司湖北武漢：430080)

摘要企業(yè)用電設(shè)備的不斷增加，大量無功負載給企業(yè)電壓產(chǎn)生了較大的影響，低功率因數(shù)問題較為突出，電能質(zhì)量不高，給企業(yè)造成了經(jīng)濟損失。而無功補償裝置在供電系統(tǒng)中的作用是提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，降低供電變壓器及輸送線路的損耗，提高供電效率，改善供電環(huán)境，因此如何合理的選擇補償裝置，減少線路損耗，提高電網(wǎng)質(zhì)量，對企業(yè)來說非常關(guān)鍵。本文設(shè)計了一套混合式連續(xù)的無功補償裝置，通過一個可調(diào)電壓源和電容器組串聯(lián)并入電網(wǎng)，另外兩組采用的固定電容器組直接投切的方式，實現(xiàn)在380V低壓電網(wǎng)上產(chǎn)生連續(xù)的無功。該無功補償裝置在實際中進行了應(yīng)用，功率因數(shù)達到0.95以上，現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)均滿足設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞無功補償；連續(xù)；可調(diào)電壓源

隨著企業(yè)用電設(shè)備地不斷增加，電網(wǎng)受非線性負荷的低功率因素問題越來越嚴重,嚴重影響了電能質(zhì)量,因此，無功補償裝置的應(yīng)用越來越受到用電企業(yè)的重視。我國目前提高功率因數(shù)的技術(shù)方案的主要形式仍普遍采用并聯(lián)投切電容器和晶閘管控制電抗器與固定電容(TCR+FC)的組合。但用投切電容的方式進行無功補償時，由于電容的投切是分級進行的，故產(chǎn)生的補償電流也是階躍的，常常不過補就欠補，無法使電網(wǎng)的無功功率得到恰當?shù)难a償。另外，其工作壽命短，響應(yīng)速度慢，且投切過程還產(chǎn)生沖擊電流和過電壓。因此，本文設(shè)計了一種既可連續(xù)補償無功又可抑制諧波的裝置,滿足電網(wǎng)連續(xù)無功補償要求。

1連續(xù)無功補償裝置的基本原理

本文提出一種可調(diào)的能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)無功補償?shù)姆椒?，如圖1所示，Uw為電網(wǎng)電壓，Uv可調(diào)電壓源的頻率和相位與電網(wǎng)電壓相同。把單一的固定電容器C與一可變電壓源Uv串聯(lián)后接入電網(wǎng)，通過改變電壓源的大小來連續(xù)補償電流的大小，實現(xiàn)無功補償?shù)男Ч?。當可調(diào)電壓源的電壓小于電網(wǎng)電壓時，系統(tǒng)向電網(wǎng)輸入感性無功，這一無功補償方案既可連續(xù)產(chǎn)生感性無功又可產(chǎn)生容性無功，且不產(chǎn)生電網(wǎng)的諧波[1]。

圖1　連續(xù)無功補償原理圖

2無功補償裝置的設(shè)計應(yīng)用

在某鐵廠Ⅱ段母線所需補償?shù)臒o功為180kvar左右，現(xiàn)用一可調(diào)電壓源串接一能產(chǎn)生60kvar的無功的電容并入電網(wǎng)，另外有兩路60kvar的電容投入，從而實現(xiàn)0-180kvar的連續(xù)可調(diào)的容性無功。根據(jù)本方案，最大無功將由n=3級實現(xiàn)，每級提供最大無功值為Q/n=180/3=60kvar，如果使第一級提供的無功為0-60kvar連續(xù)可調(diào)，而其他n-1=2級為固定值Q/n=60kvar，則通過第一級的連續(xù)調(diào)節(jié)以及對其它級的分級投切便可實現(xiàn)無功0-180kvar的連續(xù)調(diào)節(jié)。系統(tǒng)的原理圖如圖2所示，在三相電網(wǎng)中，180kvar的無功補償主要均分成三個電容器組，每組產(chǎn)生的無功為60kvar，其中兩組是通過接觸器、電抗器直接接入電網(wǎng)，而另一組主要是為了能夠產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)的無功，在此兩個電容器組是通過Δ的接法并聯(lián)三相電網(wǎng)的。

在整個裝置中，接觸器的作用是限流和控制每組電容器組的投切，實現(xiàn)開關(guān)的作用。電抗器的作用是限流。而可調(diào)的電容器組主要的部分是可調(diào)電壓源的設(shè)計，在可調(diào)電壓源部分，電容器采用的是Y形接法。通過圖2，我們將得到一個連續(xù)的電網(wǎng)無功補償裝置。從而實現(xiàn)用戶的要求。可調(diào)電壓源通過伺服電機的控制來實現(xiàn)電壓的可調(diào)，從而實現(xiàn)無功功率[2]。

圖2　無功補償裝置系統(tǒng)原理圖

2.1電容的投切技術(shù)

國內(nèi)電容器組的投切技術(shù)主要是投切開關(guān)或者采用交流接觸器、采用固態(tài)繼電器或者采用晶閘管。投切開關(guān)或者采用交流接觸器在開關(guān)閉合時會產(chǎn)生很大的沖擊電流，采用固態(tài)繼電器或者采用晶閘管投切在大功率場合，設(shè)備本身功耗大，發(fā)熱嚴重和價格昂貴。本系統(tǒng)采用一種專用電容切換的接觸器，該接觸器有二組接點，第一組限流，先閉合延時后在閉合第二組接點，如圖3所示，具有限流與本身功耗低的優(yōu)點，且價格適中。為防止可能出現(xiàn)的諧波電流放大現(xiàn)象，在主回路還增加了限流電抗器[3]。

圖3　三相電容器投切原理

2.2可調(diào)電壓源的系統(tǒng)構(gòu)成

可調(diào)電壓源以單向為例，電路如圖4所示：

圖4　可調(diào)電壓源電路

該電路是將電網(wǎng)電壓V0通過整流電路(D1、D2、D3、D4)將正弦波整流為正半軸半波信號，通過IGBT(Z1)的高速通斷來對該半波信號進行斬波，調(diào)節(jié)其電壓幅值的變化，來實現(xiàn)電壓的可調(diào)。將Z1的輸出信號經(jīng)過電感L1和電容器對信號進行濾波得到一個穩(wěn)定的波形，在通過IGBT(Z2、Z3)的通斷控制來將信號逆變?yōu)樗枰慕涣餍盘?。當電網(wǎng)的電壓在正半周時，信號經(jīng)過二極管D1、IGBT(Z1)、電感L1、IGBT(Z2)在經(jīng)過T1的3和2端最后流經(jīng)二極管D4流回電網(wǎng)，從而在輸出端4和6產(chǎn)生一個正半波；在電網(wǎng)電壓的負半周時，信號經(jīng)過二極管D2、IGBT(Z1)、電感L1、IGBT(Z3)在經(jīng)過T1的1和2端最后流經(jīng)二極管D3流回電網(wǎng)，從而在輸出端4和6產(chǎn)生一個負半周。最終，獲得了所需求的可調(diào)的交流電壓源電壓[4]。

2.3電容器組投切的控制器

控制器是以專用芯片為核心組成的連續(xù)無功功率補償智能化控制器，集成度高，抗干擾能力強，在硬件和軟件上對采樣信號進行抗干擾與濾波措施，運行穩(wěn)定可靠，補償完全，操作簡單。電容器的投切是通過控制接觸器的開與關(guān)來實現(xiàn)的，該控制器是采取自動和手動兩種控制方式。具體可以通過設(shè)定功率因數(shù)、投切時間、過壓門限來控制。

(1)功率因數(shù)門限

設(shè)定范圍為cosφ=0.80～0.99。該設(shè)定值為電容器組自動投切的主要依據(jù)。

(2)投切延時

設(shè)定范圍為d=5～99秒。在自動的方式，當測到無功功率超限，如果超限連續(xù)時間超過d秒，則自動選擇合適的電容器組投入或切出；如果在d秒內(nèi)恢復(fù)正常，則電容器組不投入或切出。當一電容器組切入或切出后，在延時時間內(nèi)，禁止新的電容器組的投入或切出，以免電網(wǎng)在短時間內(nèi)變動太大。

(3)過壓門限

設(shè)定范圍400-440V(對本系統(tǒng)電網(wǎng)線電壓為380V而言的)。當電網(wǎng)電壓超過設(shè)定門限時，控制器在60秒內(nèi)以適當延時依次自動切除全部電容器組；若電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常，則停止切除。

當功率因數(shù)低于0.8時，先將一組電容器組投入，一段延時時間，如能滿足功率因數(shù)要求，則停止投入第二組電容器，如不能滿足要求繼續(xù)投切第二組電容器，如功率因數(shù)還不能滿足要求，則通過調(diào)節(jié)可調(diào)電壓源來調(diào)節(jié)，直到功率因數(shù)達到需求值。如果因負載等影響，當電網(wǎng)過補時，則必須切出一組電容器，如果切出后還超過功率因數(shù)需求值，則在繼續(xù)切出下一組電容器。如此反復(fù)，根據(jù)負載功率因數(shù)的要求控制電容器組的投入和切出。

2.4元器件參數(shù)設(shè)計和選擇

2.4.1電容器的設(shè)計和選擇

C1、C2、C3是用來給電網(wǎng)提供無功的電容器。其中C1和C2采用的是Δ的接法，而C3用的是Y形接法。

電容的無功功率Q為：

(1)

(2)

所以由(1)和(2)可得：

(3)

2.4.1.1電容器C1和C2的計算

本文中在煉鐵廠中需要供給的是180kvar的無功，我們現(xiàn)將其分為三組電容器每組的電容器產(chǎn)生的無功為60kvar，所以每個電容器組根據(jù)(3)式計算得：

(4)

其中f=50Hz，π取3.14，由于電網(wǎng)的電壓為380V，所以電容器的耐壓值選400V，所以每組的電容器的容量為:

所以電容的容量選擇C1=C2=1194μF

電容支路電流為：

該電容的參數(shù)要求：

額定電壓為：400V

額定輸出為：20kvar

額定電流為：29A

總?cè)萘繛椋?194μF

頻率：50Hz

接線方式：Δ的接法

根據(jù)上述參數(shù)，電容所選的型號是：BSMJK0.4-60-3。

2.4.1.2電容器C3的計算

由于該電路是單相電壓，所以電容器的耐壓值為250V，額定輸出的無功為20kvar。所以電容器的容量為：

電流支路的電流為：

所以C2電容器的參數(shù)為：

額定電壓：250V

額定輸出：20kvar

額定電流：80A

總?cè)萘浚?020μF

頻率：50Hz

接線方式：單相

根據(jù)上述參數(shù)電容所選的型號是：BSMJ0.4-20-1。該裝置需要3個該型號的電容器。

2.4.2接觸器的參數(shù)選擇

圖2中，CJ1、CJ2、CJ3是用來控制電容器組投切的接觸器，這些接觸器的主要作用是：當電網(wǎng)需要增加容性無功時，接觸器開關(guān)接通使電容器發(fā)出無功，當電網(wǎng)的無功為容性時，也就是過補時，接觸器的開關(guān)斷開使電容器不工作。

接觸器的額定電壓為400V,f=50Hz,所以接觸器的選型為:CJ19C(16C)-63/3個。

2.4.3限流電抗器的參數(shù)選擇

L1、L2是電抗器它的主要作用是對該條支路進行限流。

額定電壓為:400V

頻率為:50Hz

額定電流為:40A

所以電抗器的選型為:XD1-15/2個。

3結(jié)論

本文主要介紹了一種低壓連續(xù)的無功補償裝置，通過參數(shù)計算和元器件選型，該無功補償裝置在實際應(yīng)用中獲得了良好的效果，主要有以下幾個方面效益：

(1)功率因數(shù)達0.95，符合國家電力對企業(yè)無功的要求；

(2)提高了電網(wǎng)的質(zhì)量；

(3)降低了線路損耗，節(jié)約了電能；

(4)保證了電網(wǎng)的穩(wěn)定性，提高了生產(chǎn)效率。

參考文獻

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[2]林渭勛.現(xiàn)代電力電子電路[M].杭州:浙江大學(xué)出版社，2002.

[3]孟櫻，張愛雪，孫四洲.基于DSP的新型無功連續(xù)補償和諧波抑制裝置[J].電氣開關(guān)，2010，(3)：24-26.

[4]徐德鴻，沈旭，楊成林.開關(guān)電源設(shè)計[M].北京:機械工業(yè)出版社，2004.

(責(zé)任編輯：李文英)

Application of Low-voltage Reactive Power Compensation Device

Song Bin

(Construction Group of WISCO, Wuhan 430080, Hubei)

Abstract:Along with the increasing number of electricity-consuming equipment, enterprises power voltage is facing great challenge. Enterprises suffer from loss caused by low voltage and poor power quality. Reactive power compensation device improves the power factor of the grid, cuts down loss in power supply transformer and power lines. It also improves power supply condition. The paper designs a low-cost yet highly practical continuous mixing reactive power compensation system which improves system power utility. The device contains a group of capacitor lined with an adjustable voltage source and two sets of capacitor groups. The system has been used in practice. When power factor is above 0.95, the collected data meet the design requirements.

Key words:reactive power compensation; continuous; variable voltage source

收稿日期：2016-05-20

作者簡介：宋斌(1982～)，男，碩士，電氣工程師.E-mail：1054984306@qq.com

中圖分類號：TM714.3

文獻標識碼：A

文章編號：1671-3524(2016)02-0005-04