—— 以江蘇某陶瓷生產(chǎn)企業(yè)配電房改造為例

安科瑞電氣股份有限公司 黃琴 2023.10.30

摘 要：低壓配電系統(tǒng)的無功補償是電能質(zhì)量治理的重要環(huán)節(jié)。在傳統(tǒng)無功補償中，響應(yīng)速度較慢，補償電流呈階梯式，存在過補或欠補的現(xiàn)象，有時未必能到達(dá)理想的效果。為了解決這一問題，人們提出了一種無功補償綜合控制方法，通過采集電力系統(tǒng)中的電壓、電流及功率，實時協(xié)調(diào)控制LC（電容電抗）和SVG（靜止無功發(fā)生器）模塊進(jìn)行混合補償，又稱智慧型動態(tài)無功補償，可以實現(xiàn)補償電流的連續(xù)輸出。將此方案應(yīng)用于工程實際中，結(jié)果表明該方案可以有效地改善供電質(zhì)量、提高系統(tǒng)功率因數(shù)。

關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量；無功補償綜合控制；LC；靜止無功發(fā)生器；智慧型動態(tài)無功補償

0 引言

隨著現(xiàn)代社會經(jīng)濟(jì)和文化的不斷發(fā)展，陶瓷生產(chǎn)行業(yè)的整體用電量激增，但同時也帶來了一系列的電能質(zhì)量問題，陶瓷生產(chǎn)企業(yè)的主要負(fù)荷有滾壓成型機、球磨機等，例如球磨機采用變頻驅(qū)動。由于原材料體積不規(guī)則，球磨機運行沖擊電流較大，同時產(chǎn)生3、5、7次等諧波，導(dǎo)致傳統(tǒng)無功補償響應(yīng)跟不上、電容器損壞較多、功率因數(shù)較低，影響了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定，

1 無功補償概述

在交流電力系統(tǒng)中，絕大多數(shù)負(fù)載都是感性負(fù)載，如變壓器、電動機、壓縮機、空調(diào)等，其等效電路可看作電阻R和電感L的串聯(lián)電路，如下圖4所示。

圖4-供電系統(tǒng)等效電路 圖5-功率因數(shù)得到提高

由圖5的相量圖可知，沒有投入電容C時，電壓U和電流I的相位角為φ1，投入電容C后，電壓U和電流I的相位角為φ2，電壓電流的相位角減小了，則系統(tǒng)的功率因數(shù)得到了提升。當(dāng)容性負(fù)荷釋放能量時，感性負(fù)荷吸收能量；而感性負(fù)荷釋放能量時，容性負(fù)荷吸收能量，能量在兩種負(fù)荷之間交換，如圖6所示。這樣，感性負(fù)荷所吸收的無功功率可從容性負(fù)荷輸出的無功功率中得到補償，不僅可以提高功率因數(shù)和系統(tǒng)電壓，還能有效地減少系統(tǒng)電能損耗。

圖6-容性負(fù)荷和感性負(fù)荷的能量交換

從無功相位角度進(jìn)行分析，純阻性負(fù)載的電壓和電流同相位，感性負(fù)載的電壓超前電流，容性負(fù)載的電壓滯后電流，如圖7所示。

圖7-無功的相位分析

2 無功補償?shù)男问?/span>

2.1 LC無功補償

LC無功補償屬于傳統(tǒng)的電容補償，工作時并聯(lián)在電力系統(tǒng)中，根據(jù)電網(wǎng)中負(fù)載功率因數(shù)的變化，控制電力電容器投切進(jìn)行無功補償。其原理為：通過CT采集電壓、電流信號，再由控制器計算出投切方案，控制投切開關(guān)（復(fù)合開關(guān)、晶閘管開關(guān)等）對各組電力電容器進(jìn)行投切。如圖8所示。

圖8-LC無功補償?shù)墓ぷ髟?/span>

2.2 SVG無功補償

SVG屬于有源型無功補償設(shè)備，它將三相橋式電路通過電抗器并聯(lián)到電網(wǎng)，根據(jù)系統(tǒng)的無功功率，通過IGBT功率變換器輸出滿足要求的容性或感性基波電流，從而實現(xiàn)動態(tài)無功補償，不會出現(xiàn)過補或欠補現(xiàn)象，且補償平滑，不會產(chǎn)生對負(fù)載和電網(wǎng)的涌流沖擊。其原理如圖9所示。

圖9-SVG無功補償?shù)墓ぷ髟?/span>

2.3 智慧型動態(tài)無功補償

LC補償在負(fù)荷變化較快或存在沖擊負(fù)荷的場合無法做到快速響應(yīng)，易出現(xiàn)過補或欠補，其次LC補償裝置中的并聯(lián)電容器對諧波電流具有放大作用，容易引起系統(tǒng)諧振，但在成本上較為經(jīng)濟(jì)。SVG可對感性和容性無功進(jìn)行連續(xù)快速補償，避免過補和欠補的發(fā)生，且不會與系統(tǒng)或負(fù)載設(shè)備產(chǎn)生諧振，適用于負(fù)載快速變化的場合，但其成本也相對較高。

鑒于上述兩種補償方式的優(yōu)缺點，人們通過研究設(shè)計出來一種用于無功補償?shù)男滦碗娏﹄娮友b置——智慧型動態(tài)無功補償裝置。它采用了一種無功補償綜合控制方法，加入控制器來控制SVG模塊和LC模塊投切，用SVG模塊的快速響應(yīng)、準(zhǔn)確補償?shù)奶匦詠韽浹aLC模塊響應(yīng)速度慢、分級補償?shù)娜秉c，相對于全SVG補償又降低了成本。其補償原理如圖10所示，檢測補償對象的電壓和電流，經(jīng)指令電流運算電路計算得出補償電流的指令信號，該信號經(jīng)補償電流發(fā)生電路放大，得出補償電流，然后通過控制器控制SVG模塊先行投入補償，隨后投入LC模塊，調(diào)節(jié)SVG模塊輸出電流以滿足無功需求，使功率因數(shù)達(dá)到設(shè)定值。

圖10-智慧型動態(tài)無功補償?shù)墓ぷ髟?/span>

LC補償（電容補償）和LC+SVG補償（智慧型無功補償）的補償曲線對比如圖11、圖12所示。

圖11-電容補償 圖12-智慧型無功補償

3 智慧型無功補償?shù)墓I(yè)應(yīng)用案例

江蘇某陶瓷生產(chǎn)企業(yè)的主要負(fù)荷為球磨機，在運行時的電流沖擊很大，現(xiàn)場諧波以3、5、7次為主，影響了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定，導(dǎo)致補償電容器損壞較多、系統(tǒng)功率因數(shù)較低。現(xiàn)場配電房的變壓器容量為1600kVA，原電容柜裝機容量300kvar。智慧型無功補償方案應(yīng)用前后的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)如圖14、圖15所示。

圖14-智慧型無功補償應(yīng)用前的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)

圖15-智慧型無功補償應(yīng)用后的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)

根據(jù)現(xiàn)場工況，我們采用安科瑞LC+SVG綜合控制的智慧型無功補償方案，由前期測量數(shù)據(jù)估算所需整柜容量為500kvar（兩臺250kvar，主輔柜），另外考慮現(xiàn)場諧波以3、5、7次為主，LC電容補償采用電抗率14%的電抗器與補償電容進(jìn)行串聯(lián)匹配，更能有效的抑制諧波和保護(hù)電容器。通過控制器協(xié)調(diào)ANSVG-S-G 100kvar模塊與電容器同時進(jìn)行無功輸出，對比治理前后的數(shù)據(jù)，功率因數(shù)由0.87提升到0.98，因為SVG在無功補償?shù)耐瑫r也能治理部分諧波，所以B相的電流畸變率由原來的23.28%降低到9.06%，達(dá)到了明顯的治理效果。表1為單臺裝機容量250kvar智慧型動態(tài)無功補償裝置主要設(shè)備元件的配置方案。

表1-單臺250kvar智慧型動態(tài)無功補償裝置主要設(shè)備元件配置方案

4 結(jié)束語

本文對安科瑞智慧型動態(tài)無功補償方案進(jìn)行了簡述，該方案融合了LC補償和SVG補償?shù)膬?yōu)勢，實時協(xié)調(diào)控制電容器和SVG補償模塊進(jìn)行混合無功補償，確保了無功補償?shù)目焖傩?、連續(xù)性和準(zhǔn)確性，同時方案成本也能被大多數(shù)企業(yè)所接受。通過工程實際案例的應(yīng)用，對比方案前后的治理效果，提高了系統(tǒng)功率因數(shù)，同時也治理了諧波，改善了企業(yè)的用電環(huán)境，降低了企業(yè)電能質(zhì)量治理投入的大成本，有利于企業(yè)的經(jīng)營和生產(chǎn)，為企業(yè)創(chuàng)造了價值。

參考文獻(xiàn)

[1] GB 50227—2017 并聯(lián)電容器裝置設(shè)計規(guī)范

[2] GB／T 15576-2020 低壓成套無功功率補償裝置

[3] DL／T 1216-2019 低壓靜止無功發(fā)生裝置技術(shù)規(guī)范

[4] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊2022.05版

[5] 王兆安.諧波抑制和無功補償.機械工業(yè)出版社

[6] 黃春光.一種低壓配電系統(tǒng)無功補償綜合控制方法.電氣技術(shù)-第7期