基于無功補償裝置關鍵試驗的檢測裝置研究*

信 天,周 媛,張 超,劉 通,田列遠

(山東省產品質量檢驗研究院，山東 濟南 250102)

0 引 言

隨著低壓用電設備等無功負荷的廣泛使用，電網中產生了大量無功功率，嚴重影響了電能質量，也會對發(fā)電、供配電造成不良影響；自動化水平的提高也對電能質量提出越來越高的要求。無功補償是改善電能質量和降損節(jié)能的關鍵技術[1-4]。GB/T 15576-2008適用于額定交流電壓不超過1 000 V(或1 140 V)，頻率不超過1 000 Hz的低壓成套無功功率補償裝置[5]。

本文將結合日常型式試驗檢測經驗和國內外研究現狀[6-16]，提出一種基于無功補償裝置關鍵試驗的檢測裝置。

1 實驗及結果分析

由一個或多個低壓開關設備、低壓電容器和與之相關的控制、測量、調節(jié)等設備構成電氣和機械的連接，用結構部件完整地組裝在一起，就是一套低壓成套無功功率補償裝置。將其安裝在電網中，可以對電網進行無功補償，改善電能質量，降低電能損耗。

1.1 動態(tài)響應時間檢測試驗

按照投切電容器的類型，無功補償裝置分為3類：機電開關、半導體電子開關、復合開關。對于采用半導體電子開關或復合開關投切的裝置，其動態(tài)響應時間應不大于1 s。

試驗方法：給裝置施加額定電壓，在主電路中投入大于設定值的感性負荷，檢測感性負荷電壓的變化，并記錄該時刻為T1，檢測電容器投入的電流變化，并記錄補償電容器輸出電流發(fā)生變化的時刻T2，T2-T1即為裝置的動態(tài)響應時間T。試驗做3次，取最長時間T值。

試驗設備：計算機數據采集系統、茹科夫斯基大電流測試系統和200 kA通斷試驗控制記錄監(jiān)視系統。

動態(tài)響應試驗現場照片如圖1所示。

圖1 動態(tài)響應試驗現場照片

動態(tài)響應波形圖如圖2所示。

圖2 動態(tài)響應波形圖

由圖2可知，裝置的動態(tài)響應時間即為電壓發(fā)生變化與電流發(fā)生變化的時間差。

1.2 抑制諧波或濾波功能驗證

按照有無抑制諧波或濾波功能，無功補償裝置又可劃分為3類：無抑制諧波或濾波功能、有抑制諧波功能、有濾波功能。對于有抑制諧波功能的裝置，應根據裝置提供的抑制諧波技術參數，通以適量諧波以驗證裝置的抑制諧波單元通電工作正常，裝置投入后裝置的諧波電流含量不應增加；有濾波功能的裝置，應根據裝置提供的濾波技術參數，通以適量諧波以驗證裝置的濾波單元通電工作正常，裝置投入后裝置的電流諧波含量至少應減少到投入前裝置的電流諧波含量的50%。

試驗方法及要求：根據標準GB/T 14549-1993附錄D的規(guī)定，記錄抑制諧波或濾波功能單元投入運行之前及抑制諧波或濾波功能單元投入運行之后的諧波電壓值或/和諧波電流值。

其公用電網諧波電壓限值和諧波電流允許值分別如表(1～4)所示。

表1 公用電網諧波電壓(相電壓)限值

表2 諧波電流允許值(2～9次諧波)

表3 諧波電流允許值(10～17次諧波)

表4 諧波電流允許值(18～25次諧波)

無功補償裝置抑制諧波或濾波的原理是被動無源濾波，等效電路為無源濾波構成的阻抗與電網阻抗并聯進行諧波的分流，因此諧波注入量、各次諧波占比、電網阻抗等對其諧波抑制能力及效率具有明顯的影響。

檢測裝置的電路原理圖如圖3所示。

圖3 檢測裝置的電路原理圖

一個帶濾波功能的無功補償裝置：In=475 A,Icw=30 kA，Ue=690 V,Ui=800 V，916 kvar,三相補償，50 Hz，IP40,戶內型，控制投切電容器為半導體電子開關，有濾波功能。其功能驗證試驗方法為：閉合斷路器S1和S2，使諧波發(fā)生裝置正常待機。根據帶濾波功能的試驗樣品的參數，設置諧波發(fā)生裝置輸出容量和各次諧波電流值的占比，啟動諧波發(fā)生裝置使之輸出預期的諧波電流值，待諧波電流穩(wěn)定后用功率分析儀采集此時主回路的電流和電壓值。閉合斷路器S3，使帶濾波功能的試驗樣品正常待機。根據已投入的諧波電流值大小，投入相應容量的電容值，待電流穩(wěn)定后，再次采集主回路的電流和電壓值。

試驗設備：計算機數據采集系統、茹科夫斯基大電流測試系統、200 kA通斷試驗控制記錄監(jiān)視系統、功率分析儀和諧波電源發(fā)生裝置。

功能驗證試驗現場照片如圖4所示。

圖4 功能驗證試驗現場照片

試驗數據如圖5所示。

諧波電流值投入裝置前投入裝置后基波電流/A電流總諧波畸變率/(%)總諧波電流/AI1I2I396.5394.8997.8290.1991.6988.6187.0687.0086.68總諧波電流/A諧波裝置投入后總諧波電流比投入前減少百分比/(%)I1I2I330.4030.6132.5665.0864.8262.43諧波電壓值電壓總諧波畸變率(%)電壓總諧波畸變率/(%)U1U2U3U1U2U32.512.362.301.231.201.10功率因數測定//試驗電壓/VU1U2U3U1U2U3398.34398.47398.43397.98397.92398.07

從圖5中可以看出：裝置投入后電流諧波含量比投入前減小了50%以上，滿足濾波功能。

1.3 結果分析

隨著快速沖擊性負荷設備的大量應用，3C型式試驗中幾十毫秒動態(tài)響應時間的檢測成為一種所需。另外無功補償型式試驗時還需要做諧波抑制或濾波效果的測試，其會受到電源側背景電壓諧波及源阻抗的影響。

實際檢測中采用電網電源供電，存在如下問題：切換感性無功負載時會帶來暫態(tài)，影響動態(tài)無功補償的響應時間；由于采用實際的有功負載，損耗大；多是固定負載產生的諧波，諧波次數不可選擇；實際的負載需要人工切換，間隔的切換時間不可控；負載大小調節(jié)精度受限，不能隨意調節(jié)；電子負載產生有功電流時需要加入回饋裝置，會改變電網的等效阻抗，影響效果測試；試驗系統因補償裝置的性能差異會有剩余的諧波電流或無功電流流入電網，導致電源側功率因數低；普通電子負載不能產生型式試驗所需的連續(xù)多次的階躍無功。

以上問題導致檢測過程中會出現以下情況：存在一定的背景電壓諧波，該諧波由于有源阻抗的變化會影響無功補償的諧波抑制或濾波效果測試；當電網電壓變化或三相不平衡時會引起無功補償需求量的變化，影響其動態(tài)響應時間測試；當無功補償裝置所需的電源電壓與其不一致時，需要重新搭建系統進行試驗；當無功補償裝置所需的電源頻率與其不一致時，無法直接進行試驗。

2 綜合檢測裝置

2.1 技術方案

為克服上述不足，本文提供一種用于無功補償裝置動態(tài)響應和諧波抑制的檢測裝置及方法，具體檢測裝置的電路原理圖如圖6所示。

圖6 檢測裝置的電路原理圖QF1-輸入斷路器；KM_R1-輸入緩沖裝置；M1-四象限整流單元；M2-正弦電壓逆變單元；M3-負載電流發(fā)生單元；M4-儲能單元；L1-可調電抗；L2-輸入電抗器；L3-第1輸出電抗器；L4-第2輸出電抗器；IGBT-半導體電子開關；C1-電容；C2-電容；C3-濾波電容；QF2-輸出斷路器；CT1-第1電流互感器；CT2-第2電流互感器；CT3-第3電流互感器；CT4-第4電流互感器

技術方案為：電網電壓經輸入斷路器后串聯接入輸入緩沖裝置，輸入緩沖裝置的輸出端與四象限整流單元交流側輸入端連接，且兩者連接電路上設置有第4電流互感器；四象限整流單元、正弦電壓逆變單元、負載電流發(fā)生單元的直流母線各自并聯在一起后接至儲能單元的兩端；正弦電壓逆變單元的輸出端串聯可調電抗后分別與負載電流發(fā)生單元的輸出端及輸出斷路器的輸入端相連；可調電抗與輸出斷路器的輸入端之間的電路上串聯有第1電流互感器和第3電流互感器，負載電流發(fā)生單元的輸出端連接有第2電流互感器，第2電流互感器連接于第1電流互感器和第3電流互感器中間；輸出斷路器的輸出端與被測無功補償裝置的主回路相連；儲能單元的電容中點與電網的中性點相接；各單元的動作執(zhí)行由相應的控制器控制。

2.2 控制方法

控制方法步驟如下：

(1)檢測裝置上電時輸入緩沖裝置中的電阻先接入，上電完成后，主控制器控制輸入緩沖裝置中的接觸器吸合；

(2)主控制器把人機界面獲得的信息通過通信下達給各分控制器；

(3)主控制器接收到啟動命令后，先下發(fā)指令控制四象限整流控制器工作，四象限整流控制器根據試驗的電壓等級把直流母線電壓控制到所需的大小并實時校正網側功率因數，然后主控制器再下發(fā)指令控制正弦電壓逆變控制器啟動逆變，正弦電壓逆變控制器會按主控制器事先通信下發(fā)的目標電壓、頻率加以控制逆變器的輸出，主控制器判斷逆變輸出正常后，接著下發(fā)指令控制負載電流發(fā)生控制器啟動逆變，負載電流發(fā)生控制器就會控制產生主控制器事先通信下發(fā)的階躍無功、有功或設定的諧波電流；

(4)主控制器接收到停止命令后，先下發(fā)指令控制負載電流發(fā)生控制器停止逆變，然后再下發(fā)指令控制正弦電壓逆變控制器停止逆變，接著控制四象限整流控制器停止工作。

2.3 效果分析

該檢測裝置效果如下：

(1)產生的無功、諧波、有功等負載電流可采用數字逆變的方式，通過編程實現，可產生所需的階躍負載和諧波次數，輸出大小可以任意調節(jié)；

(2)采用能量回饋技術，產生有功電流負載時基本不消耗能量；

(3)不需要額外加入回饋逆變裝置，可減少損耗；

(4)回饋時不改變被側設備連接處的等效源阻抗，不影響無功補償的諧波抑制效果測試；

(5)電源輸入端采用四象限整流器，能進行功率因數的校正，提高了測試平臺的源測功率因數；

(6)測試電源來源于正弦輸出的電壓型逆變電源，電壓諧波小，能解決原供電電網背景電壓諧波對無功補償諧波抑制效果測試的影響；

(7)測試電源來源于正弦輸出的電壓型逆變電源，不會因源阻抗的不確定性影響無功補償的諧波抑制效果測試；

(8)測試電源來源于正弦輸出的電壓型逆變電源，輸出端電壓恒定、三相平衡，不會影響無功補償的動態(tài)響應時間測試；

(9)測試電源來源于正弦輸出的電壓型逆變電源，逆變器的直流側及交流側都可以調節(jié)，當無功補償裝置所需的電源頻率與電網不一致時，改變逆變電源頻率設置后仍可進行試驗。

3 結束語

基于動態(tài)響應時間的檢測和抑制諧波或濾波功能的驗證這兩個關鍵試驗，本文提出了一種基于無功補償裝置關鍵試驗的檢測裝置。該裝置能夠實現負載電流的發(fā)生，具有電壓穩(wěn)定、諧波小、電壓及頻率可靈活調節(jié)的優(yōu)點。

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