含變頻器供配電系統(tǒng)的無功補償研究

殷玥

（榮信匯科電氣技術(shù)有限責任公司 遼寧沈陽 114051）

引言

電力系統(tǒng)中，通過多種功能補償設(shè)備的組合與輔助，形成完整的功能系統(tǒng)。異步電動機作為重要的控制點，其負載水平甚至達到了整體系統(tǒng)的60%以上，而電動機的負載條件又占整體負載條件消耗能源的78%。由此可見，保證異步電動機的穩(wěn)定性條件，在實際生產(chǎn)中，起到十分重要的作用。在設(shè)備設(shè)計中，設(shè)計者通常會將并聯(lián)電容作為無功補償調(diào)整的方法，以滿足使用中的系統(tǒng)管理需求，但在實際效果上并未達到應(yīng)有的期望條件。對此，必須以變頻器的功率因數(shù)為切入點展開討論。

1 變頻器設(shè)備功率因數(shù)

當前技術(shù)條件下，實際生產(chǎn)中的電動機設(shè)備，大都是采用感性負載的方式完成技術(shù)處理，因此在功率因數(shù)中，都可以基本劃定在0.8的閾值參數(shù)左右。然而，當電動機設(shè)備在經(jīng)過變頻器的調(diào)節(jié)處理后，會在電動機與供電系統(tǒng)電源之間形成調(diào)速控制系統(tǒng)[1]。然而在常規(guī)變頻器的交流——直流——交流變化系統(tǒng)中，又會形成阻隔電動機與供電系統(tǒng)的直流回路，并直接切斷了整個系統(tǒng)中功率因數(shù)關(guān)系，當變頻器的輸入側(cè)發(fā)生作用，就會直接的影響到供電系統(tǒng)的功率因數(shù)。

1.1 功率因數(shù)的基本概念

用電設(shè)備的功率因數(shù)條件（λ），可通過設(shè)備的平均功率條件與視在功率這兩個參數(shù)條件完成計算，即公式λ=P/S。其中，P作為平均的功率條件，其單位為kW，是對用電設(shè)備工作中，所消耗功率條件的總結(jié)；S表示視在功率，單位為kVA，是電源端的電壓與電流的乘積數(shù)據(jù)。

如果在計算結(jié)果中，平均功率P小于是在功率S，說明電源端相設(shè)備提供電流的過程中，存在無功電流進行能量交換[2]。如果用電設(shè)備所消耗的功率條件相等，無功電流會與總輸入點流量呈現(xiàn)出正比例關(guān)系，在增加電流的同時，產(chǎn)生更多的無功電流，并對用電設(shè)備造成更為嚴重的影響，使其耗損率明顯增加。

在電網(wǎng)系統(tǒng)中，所使用的電負荷條件大多為阻感性的，在正弦交流的RL電路中，將來自電源的電流條件分解為具體的有功電流、無功電流這兩個部分。有功電流通常會與電壓條件處于相同的相位，而無功電流會滯后于電壓，使兩者之間產(chǎn)生的90°差值。平均功率可以在電壓與有功電流的數(shù)據(jù)參數(shù)中完成計算，并通過公式：P=U1A=UIcosψ=Scosψ表示出來。公式中，U代表了電壓的有效值參數(shù)，單位為V；I作為電源電流的表示數(shù)值，其單位為A；IA代表有功電流，單位為A。計算參數(shù)上，cosψ可以直接的反映出視在功率中有功功率條件所占的比例份額，直接反映出理想?yún)?shù)條件下，正弦波值電源電壓與電流中同頻率相位角的關(guān)系，參數(shù)的變化使其表現(xiàn)出不同的狀況條件。另外，在實際的電源電流中，還需重視諧波成分的組成內(nèi)容，并在功率因數(shù)的計算中，通過基礎(chǔ)公式λ=P/S表示出來。

1.2 測波電平中的變頻器輸入功率因數(shù)

如圖1所示的系統(tǒng)圖中可以觀察到，變頻器在輸入側(cè)的設(shè)計內(nèi)容，是通過三相整流橋的構(gòu)造，完成實用功能的構(gòu)建。當電源線的瞬時電壓條件，大于濾波容器兩端直流電壓時，變頻器系統(tǒng)中的整流橋才會產(chǎn)生充電電流的條件，使充電的電流相位，保持在電源電壓的振幅參數(shù)附近，從而形成了間斷性的沖擊波條件，組成變頻器的輸入側(cè)電流[3]。

這一系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，帶有十分豐富的諧波形式。當變頻器輸入端的電流有效值條件與基波、各諧波電流方均根相等時，可以通過公式Is=√表示。其中公式中的Is代表著輸入端的電流有效值，I1作為基礎(chǔ)的電流基波分量，單位為A，而I5與I7分別代表了電流在第五次與第七次的諧波分量值。

進行變頻器數(shù)據(jù)分析的過程中發(fā)現(xiàn)，電流基波分量基本與電壓屬于相同相位條件，并保證功率瞬時數(shù)值控制在正值范圍內(nèi)。在這一條件的引導(dǎo)下，變頻器的平均功率條件可以用電壓與基波電流有效值之間的乘積結(jié)果表示，用公式表示為P1=UsIs1。公式中，Us代表了電源線路中的電壓有效數(shù)值，Is1表示基波電流的有效值，P1則是基波電流的平均功率條件[4]。由此可知，諧波功率中，瞬時的閾值條件可以通過諧波電流與電壓條件的瞬時閾值的乘積，完成計算。在同一個周期條件內(nèi)，這種平均的功率條件的數(shù)值等于零，所有諧波電流的平均功率中，其數(shù)值參數(shù)都是零。由此，可以做出判斷，這種電流條件，屬于典型的無功電流。

圖1 變頻器系統(tǒng)簡圖

2 帶有變頻器的供配電系統(tǒng)無功補償

2.1 基本技術(shù)原理

在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，生產(chǎn)活動中所使用的無功補償裝置，大多采用機械式的開關(guān)投切電容器，帶有變頻器的無功補償供配電系統(tǒng)中，將自動化的無功補償裝置、可控硅投切電容器以及帶有電抗技術(shù)的無功補償裝置進行整合，通過IGBT技術(shù)，組成逆變器系統(tǒng)，形成有源的補償，并構(gòu)成完整的濾波裝置。

國家的相關(guān)行業(yè)管理規(guī)定中，《國家電網(wǎng)公司電力系統(tǒng)電壓質(zhì)量和無功電力管理規(guī)定》明確的說明了裝置的應(yīng)用條件。當電負荷參數(shù)大于100kVA（kW）時，使用者必須配置相應(yīng)的無功補償裝置，通過對并聯(lián)方式的合理選擇，完成電容器的補償操作。在設(shè)備使用過程中，如果不對用電設(shè)備的變頻器所產(chǎn)生的電磁濾波無功功率條件進行理性分析，直接采用增加電容器容量的方式進行補償，不僅無法達到應(yīng)用的控制效果，反而會在用電設(shè)備使用的過程中，造成更為嚴重的諧振損壞條件，防止設(shè)備的使用壽命縮短，或?qū)ιa(chǎn)的合理性造成影響。因此，只有通過對高次諧波電流條件的削減，才能達到無功補償?shù)男Ч?，完成設(shè)備使用優(yōu)化處理。

2.2 執(zhí)行案例分析

某工程項目中，鍋爐房預(yù)備對熱水爐設(shè)備進行擴建升級，使其運行參數(shù)達到46MW，并保證用電的負荷條件全部為低壓負荷。設(shè)備安裝容量條件為546.1kW，計算后的有功功率為437kW。在設(shè)備的分部管理中包含了引風機315kW、鼓風機90kW、爐排機7.5kW，且所有分部設(shè)備都采用變頻控制系統(tǒng)。在變頻器的功率因數(shù)計算中，這一系統(tǒng)可以在經(jīng)由改善后，形成0.9參數(shù)條件。

針對此項工程進行調(diào)整控制的過程中，使用低壓集中式的補償方法，進行無功補償管理，在0.4kV的配電段母線上設(shè)置針對無功功率的自動補償裝置，并在分布計算中，完成濾波器的諧波電流補償條件計算，得到數(shù)值330kW；而在其它系統(tǒng)的計算中，可直接采用電容器的無功功率補償計算方法完成，產(chǎn)生的計算結(jié)果為107kW。進行系統(tǒng)應(yīng)用核算的過程中，可將諧波電流的補償計算用公式IH=Ii×THDi表示，其中IH作為計算求取的諧波電流含量，Ii是經(jīng)過計算后得出的基波電流，在此次案例中其數(shù)值參數(shù)為501A，而THDi是系統(tǒng)的電流總諧波畸變率。通常在三相變頻的系統(tǒng)中，THDi的閾值會在30～40%之間，在本次項目中執(zhí)行參數(shù)控制在25%。經(jīng)過計算，IH的具體值為125A，在查詢配搭UN設(shè)計手冊后，可將公共接入點的諧波流量控制在88A，然后補償諧波電流確定為37A，在與基本功率因數(shù)的帶入計算中，確定無功補償功率條件為45kVar，以此完成該項目的優(yōu)化處理。

3 總結(jié)

交流電網(wǎng)系統(tǒng)中，變頻器設(shè)備的應(yīng)用空間逐漸擴大，并在市場空間與技術(shù)內(nèi)容上都展現(xiàn)出了較強的適用性條件。對非線性電氣設(shè)備進行大量的使用投入，如果不對諧波危害條件進行相應(yīng)的控制與管理，勢必會在使用中造成明顯的負面影響。因此，必須對無功率補償技術(shù)進行升級，通過對供配電系統(tǒng)中變頻器的調(diào)整，使其可以更好的展現(xiàn)出技術(shù)優(yōu)勢，為提高使用價值創(chuàng)造基礎(chǔ)性條件。