耙吸式挖泥船電網(wǎng)無功補(bǔ)償裝置控制研究*

楊二中 朱漢華 徐合力

(武漢理工大學(xué)能源與動力學(xué)院 武漢 430063)

0 引 言

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，當(dāng)同步發(fā)電機(jī)輸出滯后電流時(shí)，電樞磁勢除了一部分產(chǎn)生交軸電樞反應(yīng)外，還有一部分產(chǎn)生直軸去磁電樞反應(yīng)，這樣會造成發(fā)電機(jī)組輸出端電壓的下降，同時(shí)導(dǎo)致電網(wǎng)功率因數(shù)降低[1].文獻(xiàn)[2]指出其曾經(jīng)工作的一艘船舶因功率因數(shù)過低導(dǎo)致發(fā)電機(jī)過載造成全船失電的事故發(fā)生.在船舶實(shí)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)償方式來提高船舶電網(wǎng)功率因數(shù)十分有必要.

無功補(bǔ)償設(shè)備主要有TSC(晶閘管投切電容器)、TCR(晶閘管控制電抗器)、TSR(晶閘管投切電抗器)、SVG(靜止無功發(fā)生器)[3-4]，其中TSC只能補(bǔ)償容性無功，TCR和TSR只能補(bǔ)償感性無功,TSC和TSR是有級調(diào)節(jié)，TCR和SVG可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)，但是TCR工作過程中會產(chǎn)生大量諧波污染電網(wǎng).SVG可以補(bǔ)償容性無功和感性無功，并且可以連續(xù)調(diào)節(jié)，但SVG存在成本較高，控制系統(tǒng)比較復(fù)雜的，并且技術(shù)并未完全成熟[5].此外，文獻(xiàn)[6]提出將有限控制集模型預(yù)測控制應(yīng)用于混合有源電力濾波器用于動態(tài)無功補(bǔ)償.文獻(xiàn)[7]介紹了一種用于智能電網(wǎng)系統(tǒng)動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)木чl管控制LC補(bǔ)償器.但船舶電網(wǎng)作為孤立的電網(wǎng)系統(tǒng)，具有容量小，工況復(fù)雜多變等特點(diǎn).目前并沒有專門用于船舶電網(wǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)膶Ｓ迷O(shè)備.目前船舶所用無功補(bǔ)償設(shè)備多為陸船通用，不能達(dá)到船舶預(yù)期效果[8].

目前比較常用的混合無功補(bǔ)償裝置是TSC+TCR，但是TCR工作時(shí)會產(chǎn)生大量的諧波[9].本文采用TSC+TSR的混合無功補(bǔ)償裝置對散貨船電網(wǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償，以功率因數(shù)和無功功率值為控制目標(biāo)參數(shù).由于TSC和TSR工作過程中晶閘管只起到開關(guān)作用，所以該混合無功補(bǔ)償裝置工作過程中理論上是不產(chǎn)生諧波的.

1 船舶電網(wǎng)無功補(bǔ)償原理

三相電路瞬時(shí)無功功率理論突破了傳統(tǒng)的以平均值為基礎(chǔ)的功率定義，系統(tǒng)的定義了瞬時(shí)無功功率和瞬時(shí)有功功率量等瞬時(shí)功率量[10].傳統(tǒng)理論中的有功功率、無功功率都是在瞬時(shí)值和平均值的基礎(chǔ)上定義的，它們只適用于電壓、電流均為正弦波時(shí)的情況.而瞬時(shí)無功功率理論中的概念都是在瞬時(shí)值的基礎(chǔ)上定義的，它不僅適用于正弦波，也適用于非正弦波和任何過渡過程的情況.正是基于三相瞬時(shí)無功功率理論，我們得以將無功功率作為無功補(bǔ)償時(shí)的一個(gè)控制目標(biāo)參數(shù).

1.1 TSC工作原理

TSC(晶閘管投切電容器)的基本工作原理見圖1.圖1a)為TSC的單相電路，其由兩個(gè)反向并聯(lián)的晶閘管和一個(gè)電容器串聯(lián)，兩個(gè)反向并聯(lián)的晶閘管控制電容器的通斷，而串聯(lián)的小電網(wǎng)只是用來抑制電容器投入電網(wǎng)時(shí)可能造成的沖擊電流的，多數(shù)情況，這個(gè)電感往往不畫出來.在工程實(shí)際中常采用一組由兩個(gè)反向并聯(lián)的晶閘管的電容器來對電網(wǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償，見圖1b).其根據(jù)電網(wǎng)無功負(fù)荷的大小投入適當(dāng)組別的電容器組，從而可以對電網(wǎng)進(jìn)行較為精確的無功功率補(bǔ)償.當(dāng)TSC用于三相電路時(shí)，可以采用三角形連接，也可以采用星形連接，但每一相都連接成圖1b)的那樣分組投切.圖1c)為不同電容器組的伏安特性曲線，根據(jù)投入的電容器組不同，TSC的伏安特性曲線可以分別是A，B，C.TSC只能對電網(wǎng)補(bǔ)償容性無功.

圖1 TSC的基本工作原理

1.2 TSR的工作原理

TSR(晶閘管投切電抗器)的工作原理與TSC的工作原理相類似.晶閘管在其投切過程中同樣只起到開關(guān)的作用，所以不會像TCR工作過程中產(chǎn)生較多的諧波，從而對電網(wǎng)造成污染.一般情況下將晶閘管串聯(lián)在兩個(gè)電抗器之間，可以有效地減小沖擊電流對晶閘管的破壞，單相的TSR見圖2a).三相的TSR可以連接成星形或三角形.TSR的伏安特性曲線見圖2b)，其伏安特性曲線位于U-I坐標(biāo)系的第一象限，根據(jù)投切電抗器組數(shù)不同其伏安特性特性曲線見圖中的A，B，C.TSR只能對電網(wǎng)補(bǔ)償感性無功.

圖2 TSR的基本工作原理

2 TSC+TSR的控制策略

2.1 TSC+TSR的綜合控制

本文采用TSC+TSR對耙吸式挖泥船電網(wǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償，以功率因數(shù)和無功功率為控制目標(biāo)參數(shù)，根據(jù)電網(wǎng)功率因數(shù)和無功功率值采用雙閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)對散貨船電網(wǎng)無功功率的動態(tài)補(bǔ)償，見圖3，具體的控制細(xì)節(jié)如下：

1) TSC+TCR的投切判斷設(shè)置兩種判據(jù)，一是船舶電網(wǎng)的功率因數(shù)小于等于0.98；二是當(dāng)無功補(bǔ)償裝置正常運(yùn)行時(shí)，同時(shí)滿足船舶電網(wǎng)的剩余無功功率為容性無功和TSR補(bǔ)償?shù)母行詿o功大于500 kvar兩個(gè)條件.當(dāng)船舶電網(wǎng)運(yùn)行于這兩種狀態(tài)的任意一種狀態(tài)時(shí)TSC裝置便會重新進(jìn)行投切判斷.

2) 電網(wǎng)總無功功率分為兩部分，第一部分是電容器組補(bǔ)償容性無功的實(shí)際值的絕對值(1路信號)，第二部分是電網(wǎng)剩余無功功率(2路信號，感性無功功率為正值，容性無功功率為負(fù)值)，此外還有TSC投切控制器根據(jù)投入運(yùn)行電容器組而輸出的容性無功理論補(bǔ)償值的絕對值(3路信號).當(dāng)進(jìn)行電容器組投切時(shí)將1路信號與2路信號的總和通入TSC投切控制器進(jìn)行電容器組的投切.當(dāng)投入電容器組使電網(wǎng)功率因數(shù)大于0.98并且穩(wěn)定保持0.2 s時(shí)，1路信號與2路信號切斷，3路信號通入TSC投切控制器，實(shí)現(xiàn)對電容器組的投切閉鎖，使用3路信號對TSC進(jìn)行投切閉鎖能夠避免因電壓波動而造成電容器組的實(shí)際補(bǔ)償值越限而造成TSC投切閉鎖失敗.

3) 當(dāng)TSC進(jìn)行投切動作時(shí)，TSR處于斷網(wǎng)狀態(tài)，這樣可以避免其投入電抗器后對電容器組的投切造成干擾.當(dāng)TSC進(jìn)行投切閉鎖并經(jīng)過2.5 s延時(shí)后，TSR并入電網(wǎng)并根據(jù)電網(wǎng)中剩余無功功率(2路信號)進(jìn)行投切動作.當(dāng)電網(wǎng)剩余無功功率為感性無功時(shí)，TSR不投入電抗器組.當(dāng)電網(wǎng)剩余無功功率為容性無功時(shí)，TSR根據(jù)容性無功功率值進(jìn)行電抗器組的投入以抵消電網(wǎng)多余的無功功率，使耙吸式挖泥船電網(wǎng)呈弱感性狀態(tài)運(yùn)行.

圖3 TSC與TSR投切控制流程圖

2.2 TSC的投切控制

2.2.1電容器的參數(shù)選擇與分組

耙吸式挖泥船電網(wǎng)中的負(fù)載大多為三相對稱負(fù)載，因此電容器組的連接方式可選擇為三角形連接，為避免電容器組并網(wǎng)時(shí)產(chǎn)生大的沖擊電流，需要與電容器串聯(lián)一個(gè)小電感，電容器組三角形連接時(shí)每相電容器的計(jì)算公式為

Qc=3U(U/(1/ωC)-ωL)×10-3

(1)

整理得到：

(2)

式中：ω=2πf，為角頻率；L為每相電容器串聯(lián)電感值，H；U為線電壓，kV；Qc為電容器組的補(bǔ)償容量，kvar；C為每相所需電容值，F(xiàn).

本文所選研究對象耙吸式挖泥船發(fā)電機(jī)組容量與主要負(fù)載參數(shù)見表1.

表1 耙吸式挖泥船發(fā)電機(jī)組容量與主要負(fù)載參數(shù)

本文選取八組三角形連接的電容器組，每組補(bǔ)償容量分別為200,400,600,800,1 000,1 000,2 000,2 000 kvar，編號分別為1～8，額定電壓為6.6 kV，補(bǔ)償容量為200～8 000 kvar，可以將一個(gè)12 000 kVA的船舶電站滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)功率因數(shù)從0.75提高到0.98.電容器組分組情況見表2.

注：無功功率用區(qū)間表示時(shí)感性無功-正值；容性無功-負(fù)值.

2.2.2電容器組投切震蕩檢測

考慮到電容器組在電網(wǎng)總無功功率的臨界值處可能會出現(xiàn)投震蕩，文中提出了對電網(wǎng)總無功功率進(jìn)行臨界值判斷的方法.設(shè)置的臨界檢測區(qū)間見表3.

為避免投切電容器時(shí)產(chǎn)生投切震蕩，投切震蕩檢測模塊首先對電網(wǎng)總無功功率是否能夠穩(wěn)定的落入表3所示區(qū)間內(nèi)，當(dāng)檢測到電網(wǎng)總無功功率能夠穩(wěn)定落入到表3的某一區(qū)間內(nèi)0.2 s時(shí)，將電網(wǎng)總無功功率減去100 kvar后送入到TSC投切判斷模塊，這樣就可以保證電網(wǎng)總無功功率落入到臨界區(qū)間左側(cè)的無功功率投切區(qū)間，從而避免了產(chǎn)生投切震蕩和容性無功的大量過補(bǔ)償.如果電網(wǎng)中總感性無功功率不能穩(wěn)定的落入上表中的區(qū)間內(nèi)，TSC投切控制模塊將按照原數(shù)值進(jìn)行電容器組的投切.

表3 電容器組投切震蕩檢測區(qū)間

2.3 TSR的投切控制

2.3.1電抗器的參數(shù)選擇與分組

TSR中電抗器的連接方式同樣選擇三角形接法，本文選取了三組三角形接法的電抗器組，每組補(bǔ)償容量分別為100，200，300 kvar，額定電壓為6.6 kV，編號分別為1，2，3，補(bǔ)償感性無功容量范圍為100～600 kvar.每相電抗器的電感值計(jì)算為

(3)

式中：ω=2πf，為角頻率；L為每相所需電感值，H；U為線電壓，kV；QL為電抗器組的補(bǔ)償容量，var.

電抗器組的分組情況見表4.

表4 容性無功功率分組及投入對應(yīng)電抗器補(bǔ)償容量 kvar

2.3.2電抗器組投切震蕩檢測

考慮到當(dāng)電網(wǎng)過補(bǔ)償容性無功處于電抗器投切分組的臨界值處可能會出現(xiàn)投震蕩，同樣也需要對電網(wǎng)過補(bǔ)償容性無功功率進(jìn)行臨界值判斷.設(shè)置的臨界檢測區(qū)間見表5.

表5 電抗器組投切震蕩檢測區(qū)間

電抗器投切時(shí)的震蕩檢測與電容器組投切時(shí)的震蕩檢測相類似，投切震蕩檢測模塊首先判斷電網(wǎng)過補(bǔ)償容性無功功率是否能夠穩(wěn)定的落入上表所示區(qū)間內(nèi)，當(dāng)檢測到電網(wǎng)容性無功功率值能夠穩(wěn)定落入到表5的某一區(qū)間內(nèi)0.2 s時(shí)，將電網(wǎng)總無功功率加上50 kvar后送入到TSR投切判斷模塊，這樣就可以保證電網(wǎng)總無功功率落入到臨界區(qū)間右側(cè)的無功功率投切區(qū)間，從而可以有效避免產(chǎn)生投切震蕩和感性無功的欠補(bǔ)償.如果電網(wǎng)中過補(bǔ)償?shù)娜菪詿o功功率不能穩(wěn)定的落入上表中的區(qū)間內(nèi)，TSR投切控制模塊將按照原數(shù)值進(jìn)行電抗器組的投切.

3 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

本文以Simulink平臺搭建了仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚11-12]，仿真模型見圖4.

仿真實(shí)驗(yàn)選擇耙吸式挖泥船的排泥工況進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn).排泥工況由艙內(nèi)泥泵和高壓沖水泵協(xié)同工作.假定穩(wěn)定工況下兩臺高壓沖水泵的有功功率和無功功率分別為1 000 kW和750 kvar，分別在0.8和1.4 s投入運(yùn)行，穩(wěn)定工況下兩臺艙內(nèi)泥泵的有功功率和無功功率分別為4 000 kW和2 800 kvar，分別在2.0和2.6 s投入運(yùn)行.隨后在8 s時(shí)切除一個(gè)艙內(nèi)泥泵負(fù)載，進(jìn)行負(fù)載突減仿真實(shí)驗(yàn).最后在13，13.5和14 s分別投入有功由圖5～7可知：

圖4 耙吸式挖泥船電網(wǎng)無功補(bǔ)償仿真模型

功率和無功功率分別為50 kW，45 kvar、80 kW，75 kvar與60 kW，55 kvar的常規(guī)動力負(fù)載.仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析見圖5～7.

圖5 挖泥船電網(wǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償功率因數(shù)的變化情況

圖6 挖泥船電網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)償后電網(wǎng)無功功率的變化

圖7 TSC與TSR共同運(yùn)行時(shí)b相電流總諧波畸變率

1) 耙吸式挖泥船電網(wǎng)未進(jìn)行無功補(bǔ)償前，在進(jìn)行負(fù)載突變實(shí)驗(yàn)時(shí)電網(wǎng)功率因數(shù)在0.8左右，進(jìn)行無功補(bǔ)償后電網(wǎng)的功率因數(shù)提高到了0.98以上，功率因數(shù)得到了大幅度的提高.

2) 耙吸式挖泥船電網(wǎng)在兩個(gè)高壓沖水泵負(fù)載與兩個(gè)艙內(nèi)泥泵負(fù)載投入運(yùn)行并趨于穩(wěn)定后，在5.35 s時(shí)TSR(晶閘管投切電抗器)并入電網(wǎng)運(yùn)行，抵消掉過補(bǔ)償?shù)娜菪詿o功，電網(wǎng)功率因數(shù)依然保持在0.98以上.

3) 當(dāng)TSC與TSR共同運(yùn)行時(shí)，在7.7 s選擇了10個(gè)周期的電流波形并進(jìn)行了諧波分析，a，b，c三相電流總諧波畸變率分別為0.19%、0.37%、0.37%，其中b相電流總諧波畸變率見圖7，這表明TSC與TSR共同運(yùn)行時(shí)基本上不產(chǎn)生諧波.

4) 在8 s時(shí)切除掉一個(gè)艙內(nèi)泥泵負(fù)載，可以看到TSC重新進(jìn)行了投切動作使電網(wǎng)的功率因數(shù)很快再次補(bǔ)償?shù)?.98以上，電網(wǎng)趨于穩(wěn)定剩余無功功率為感性無功功率，所以TSR并未進(jìn)行投切動作.隨后在13，13.5和14 s加入常規(guī)動力負(fù)載時(shí)，因功率因數(shù)為低于0.98，TSC仍處于投切閉鎖狀態(tài).

4 結(jié) 論

1) 以耙吸式挖泥船電網(wǎng)功率因數(shù)和無功功率兩個(gè)目標(biāo)參數(shù)相結(jié)合來進(jìn)行電容器組和電抗器組的投切，能夠快速準(zhǔn)確的將電網(wǎng)的功率因數(shù)提高到0.98以上.

2) TSC+TSR混合無功補(bǔ)償裝置能夠很好的解決耙吸式挖泥船電網(wǎng)容性無功過補(bǔ)償?shù)膯栴}，使電網(wǎng)呈弱感性運(yùn)行，同時(shí)該混合無功補(bǔ)償裝置在運(yùn)行過程中基本不產(chǎn)生諧波對電網(wǎng)造成污染.

3) 當(dāng)耙吸式挖泥船電網(wǎng)處于中度或重度負(fù)荷時(shí)，由于較小的無功功率變化對功率因數(shù)的影響較小，TSC能夠穩(wěn)定的運(yùn)行而不進(jìn)行頻繁的投切動作，可以有效的提高晶閘管的使用壽命.