電流源型變頻器無功補償問題的分析與對策

吳海龍

（上海城投原水有限公司，上海 200125）

1 泵站簡介

陳行車間第二輸水泵站是上海城投原水有限公司長江原水廠下屬的一座大型原水輸水泵站，共配備了七臺（21#-27#）混流式輸水主泵，負責向泰和水廠、吳淞水廠、閘北水廠和凌橋水廠輸送原水，日供原水能力達166萬立方米。

2 機泵變頻改造工程概況

2.1 泵站改造簡介

為了適應城市的快速發(fā)展和原水集約化供水的要求，解決季節(jié)性和日夜供水量變化大問題，2008年，對原來三臺液阻調(diào)速機泵進行了變頻改造和計算機（DCS）在線操控的技術(shù)改造，改造后，泵站主機泵配置和主要技術(shù)參數(shù)如下。

（1）21#、27#機泵，電機轉(zhuǎn)子串液阻起動，串級調(diào)速機泵。

混流泵型號：1050VYNM；額定流量：9180m3/h；額定揚程：52m；額定軸功率：1526kW；額定轉(zhuǎn)速：740r/min；日本EBARA泵廠。

電動機型號：AML560L8AVAB；額定功率：1600kW；額定電壓：6000V；額定轉(zhuǎn)速：743r/min；瑞士ABB公司。

液阻控制裝置型號：（非標定制）；額定電壓：2000V；額定電流：800A；上海先導電子機械技術(shù)公司。

串級調(diào)速裝置型號：KJF04-800/1000-12AB；額定功率：1000kW；額定電壓：2000V；額定電流：800A；西安藍靈電氣有限責任公司。

（2）22#、26#機泵，軟啟動全速機泵。

混流泵型號：66LKXA-48G；額定流量：14400m3/h；額定揚程：32.5m；額定軸功率：1716kW；額定轉(zhuǎn)速：495r/min；長沙水泵廠。

電動機型號：YL1000-12；額定功率：1800kW；額定轉(zhuǎn)速：495r/min；額定電壓：6000V；上海電機廠。

軟啟動柜型號：MVRSM18-6.3；額定功率：1800kW；額定電壓：6000V；美國BENSHAW公司。

（3）23#、24#、25#機 泵，變頻調(diào)速機泵。

混流泵型號參數(shù)同22#、26#。機泵。

電動機型號參數(shù)同22#、26#機泵。

變頻調(diào)速裝置型號：powerflex7000； 額 定 功 率：1800kW；額定電壓：6000V；羅克韋爾（AB）自動化有限公司。

圖1

2.2 實施改造后的效果

實施機泵的變頻改造后，有效地降低了配水單耗，取得了明顯的節(jié)能降耗效果，提升了企業(yè)的經(jīng)濟效益。提升了機泵和管網(wǎng)運行的安全性和可靠性，擴大了供水調(diào)節(jié)范圍和調(diào)節(jié)精度，適應了不同工況下的穩(wěn)定、高效運行，實現(xiàn)了計算機（DCS）的在線實時操控。

2.3 運行中存在的問題

在實際運行中，我們發(fā)現(xiàn)變頻調(diào)速機泵在中低速區(qū)運行時會發(fā)生無功過補的現(xiàn)象，造成功率因數(shù)超前，這可能會引起對電網(wǎng)的擾動，同時，電業(yè)部門也會對功率因數(shù)不達標的企業(yè)進行相應的電費處罰。

3 電流源型變頻器無功補償問題分析

3.1 電流源型變頻器簡介

Power Flex 7000高壓變頻器，是由羅克韋爾（AB）自動化有限公司設(shè)計制造的一款電流源型變頻器（CSI：Current Source Inverter），它采用SGCT功率器件串聯(lián)的技術(shù)，在輸入側(cè)采用SGCT進行整流，中間用大電感進行平波和儲能，逆變側(cè)采用SGCT作為開關(guān)元件，為傳統(tǒng)的兩電平結(jié)構(gòu)。

其特點為：工作穩(wěn)定，能將負載慣性能量回饋電網(wǎng)，能實現(xiàn)四象限運行，省去了輸入側(cè)的整流變壓器，節(jié)省了空間。但其電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)較低、諧波較大，需裝接電容和電抗進行無功補償和濾波，且對負載轉(zhuǎn)速變化大的場合較難進行穩(wěn)定的補償。

3.2 無功功率過補償原因分析

23#、24#、25#電流源型變頻調(diào)速機泵的一次接線圖，如圖1所示。

（1）變頻器和電動機主要參數(shù)

變頻調(diào)技術(shù)參數(shù)：額定功率：1800kW；額定電壓：6000V。

進線側(cè)補償電容器共4臺1300kVar（3×300kVar+400kVar），電抗器一臺，L1=4.37mH。

電機側(cè)補償電容器共2臺800kVar（2×400Kvar），電抗器一臺L2=34.9mH。

電動機的參數(shù)：額定功率：1800kW；額定電壓：6000V；額定電流：116.7A；額定轉(zhuǎn)速：495r/min；功率因數(shù)cosφ=0.841；效率η=0.95。

（2）機泵運行中實測計算和分析

在電網(wǎng)電壓6.3kV，調(diào)速頻率50Hz，電機轉(zhuǎn)速495r/min的工況條件下，測得以下數(shù)據(jù)：

變頻器輸入電壓Vi=6295V，變頻器輸入電流Ii=158A，變頻器輸入有功功率Pi=1670kW。

變頻器輸出電壓Vo=5690V，變頻器輸出電流Io=196A，變頻器輸出有功功率Po=1630kW。

通過計算分析：

變頻器輸入的有功功率為：1670kW，變頻器內(nèi)部消耗有功功率為：43kW，變頻器輸出有功功率為：1627kW，變頻器輸入的感性無功功率為：950.8kVar，變頻器內(nèi)部消耗的無功功率為：495.9kVar，變頻器輸出的感性無功功率為：454.9kVar。

當變頻器輸入側(cè)提供的容性補償無功功率為：1300kVar時(1300KVar是電壓為6kV時的容量)，變頻器輸入側(cè)的功率因數(shù)為：cosφ=0.971(滯后)。

按照這樣的感性負荷條件，只要在變頻器輸入側(cè)補償715kVar(6000V)的容性無功，變頻器輸入側(cè)的功率因數(shù)就能達到cosφ=0.950(滯后)的要求。

按照以上同樣的方法可以測量計算出，在電網(wǎng)電壓6.3kv，調(diào)速頻率40Hz，電機轉(zhuǎn)速395r/min的工況下，當變頻器輸入側(cè)提供的容性補償無功功率為1300kVar時(1300KVar是電壓為6kV時的容量)，變頻器輸入側(cè)的功率因數(shù)為：cosφ=0.986(滯后)。

按照這樣的感性負荷條件，只要在變頻器輸入側(cè)補償620kVar(6300V)的容性無功，變頻器輸入側(cè)的功率因數(shù)就能達到cosφ=0.950 (滯后)的要求。

同理，在電網(wǎng)電壓6.3kv，調(diào)速頻率35Hz，電機轉(zhuǎn)速345r/min的工況下，當變頻器輸入側(cè)提供的容性補償無功功率為1300KVar時(1300KVar是電壓為6kV時的容量)，變頻器輸入側(cè)的功率因數(shù)為：cosφ=0.745(超前)，變頻器向電網(wǎng)反送了容性無功：426kVar。

按照這樣的感性負荷條件，只要在變頻器輸入側(cè)補償400kVar(6300V)的容性無功，變頻器輸入側(cè)的功率因數(shù)就能達到cosφ=0.950(滯后)的要求。

通過以上的計算和分析，在變頻器輸入側(cè)提供的容性補償無功功率為1300kVar的情況下，當機泵運行在高速區(qū)（495、395r/min）的情況下，變頻器輸入側(cè)的功率因數(shù)能保持在cosφ=0.970(滯后)以上的數(shù)值。但當機泵運行在中速區(qū)（375r/min）的情況下，變頻器輸入側(cè)的功率因數(shù)只能在cosφ=0.7438(超前)以下的數(shù)值并出現(xiàn)無功過補償現(xiàn)象。

同時，當機泵運行在（375～495r/min）調(diào)速區(qū)時，只要在變頻器輸入側(cè)補償700kVar的容性無功，變頻器輸入側(cè)的功率因數(shù)就能達到cosφ=0.95(滯后)以上的要求。

4 保證無功補償合理達標的手段與對策

（1）根據(jù)水量的實際需求，合理地搭配機泵的運行，優(yōu)先啟用功率因數(shù)指標高、效率高的變頻調(diào)速機泵。在供水量大時，用全速機泵搭配變頻調(diào)速機泵，在供水量小時，啟用變頻調(diào)速機泵供水。

（2）通過廠內(nèi)6kV無功集中補償裝置自動進行無功補償調(diào)節(jié)，并加強功率因數(shù)的實時監(jiān)控，防止向電網(wǎng)倒送無功。

（3）聯(lián)系設(shè)備生產(chǎn)商，根據(jù)實際的生產(chǎn)運行和設(shè)備負載情況，合理地調(diào)整變頻器輸入側(cè)電容器和電抗器的參數(shù)配置。