宋　斌

(武漢鋼鐵建工集團(tuán)有限責(zé)任公司　湖北　武漢：430080)

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低壓連續(xù)無(wú)功補(bǔ)償裝置應(yīng)用研究

宋斌

(武漢鋼鐵建工集團(tuán)有限責(zé)任公司湖北武漢：430080)

摘要企業(yè)用電設(shè)備的不斷增加，大量無(wú)功負(fù)載給企業(yè)電壓產(chǎn)生了較大的影響，低功率因數(shù)問(wèn)題較為突出，電能質(zhì)量不高，給企業(yè)造成了經(jīng)濟(jì)損失。而無(wú)功補(bǔ)償裝置在供電系統(tǒng)中的作用是提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，降低供電變壓器及輸送線路的損耗，提高供電效率，改善供電環(huán)境，因此如何合理的選擇補(bǔ)償裝置，減少線路損耗，提高電網(wǎng)質(zhì)量，對(duì)企業(yè)來(lái)說(shuō)非常關(guān)鍵。本文設(shè)計(jì)了一套混合式連續(xù)的無(wú)功補(bǔ)償裝置，通過(guò)一個(gè)可調(diào)電壓源和電容器組串聯(lián)并入電網(wǎng)，另外兩組采用的固定電容器組直接投切的方式，實(shí)現(xiàn)在380V低壓電網(wǎng)上產(chǎn)生連續(xù)的無(wú)功。該無(wú)功補(bǔ)償裝置在實(shí)際中進(jìn)行了應(yīng)用，功率因數(shù)達(dá)到0.95以上，現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)均滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞無(wú)功補(bǔ)償；連續(xù)；可調(diào)電壓源

隨著企業(yè)用電設(shè)備地不斷增加，電網(wǎng)受非線性負(fù)荷的低功率因素問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重,嚴(yán)重影響了電能質(zhì)量,因此，無(wú)功補(bǔ)償裝置的應(yīng)用越來(lái)越受到用電企業(yè)的重視。我國(guó)目前提高功率因數(shù)的技術(shù)方案的主要形式仍普遍采用并聯(lián)投切電容器和晶閘管控制電抗器與固定電容(TCR+FC)的組合。但用投切電容的方式進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償時(shí)，由于電容的投切是分級(jí)進(jìn)行的，故產(chǎn)生的補(bǔ)償電流也是階躍的，常常不過(guò)補(bǔ)就欠補(bǔ)，無(wú)法使電網(wǎng)的無(wú)功功率得到恰當(dāng)?shù)难a(bǔ)償。另外，其工作壽命短，響應(yīng)速度慢，且投切過(guò)程還產(chǎn)生沖擊電流和過(guò)電壓。因此，本文設(shè)計(jì)了一種既可連續(xù)補(bǔ)償無(wú)功又可抑制諧波的裝置,滿足電網(wǎng)連續(xù)無(wú)功補(bǔ)償要求。

1連續(xù)無(wú)功補(bǔ)償裝置的基本原理

本文提出一種可調(diào)的能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆椒?，如圖1所示，Uw為電網(wǎng)電壓，Uv可調(diào)電壓源的頻率和相位與電網(wǎng)電壓相同。把單一的固定電容器C與一可變電壓源Uv串聯(lián)后接入電網(wǎng)，通過(guò)改變電壓源的大小來(lái)連續(xù)補(bǔ)償電流的大小，實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償?shù)男Ч?。?dāng)可調(diào)電壓源的電壓小于電網(wǎng)電壓時(shí)，系統(tǒng)向電網(wǎng)輸入感性無(wú)功，這一無(wú)功補(bǔ)償方案既可連續(xù)產(chǎn)生感性無(wú)功又可產(chǎn)生容性無(wú)功，且不產(chǎn)生電網(wǎng)的諧波[1]。

圖1　連續(xù)無(wú)功補(bǔ)償原理圖

2無(wú)功補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)用

在某鐵廠Ⅱ段母線所需補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功為180kvar左右，現(xiàn)用一可調(diào)電壓源串接一能產(chǎn)生60kvar的無(wú)功的電容并入電網(wǎng)，另外有兩路60kvar的電容投入，從而實(shí)現(xiàn)0-180kvar的連續(xù)可調(diào)的容性無(wú)功。根據(jù)本方案，最大無(wú)功將由n=3級(jí)實(shí)現(xiàn)，每級(jí)提供最大無(wú)功值為Q/n=180/3=60kvar，如果使第一級(jí)提供的無(wú)功為0-60kvar連續(xù)可調(diào)，而其他n-1=2級(jí)為固定值Q/n=60kvar，則通過(guò)第一級(jí)的連續(xù)調(diào)節(jié)以及對(duì)其它級(jí)的分級(jí)投切便可實(shí)現(xiàn)無(wú)功0-180kvar的連續(xù)調(diào)節(jié)。系統(tǒng)的原理圖如圖2所示，在三相電網(wǎng)中，180kvar的無(wú)功補(bǔ)償主要均分成三個(gè)電容器組，每組產(chǎn)生的無(wú)功為60kvar，其中兩組是通過(guò)接觸器、電抗器直接接入電網(wǎng)，而另一組主要是為了能夠產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)的無(wú)功，在此兩個(gè)電容器組是通過(guò)Δ的接法并聯(lián)三相電網(wǎng)的。

在整個(gè)裝置中，接觸器的作用是限流和控制每組電容器組的投切，實(shí)現(xiàn)開關(guān)的作用。電抗器的作用是限流。而可調(diào)的電容器組主要的部分是可調(diào)電壓源的設(shè)計(jì)，在可調(diào)電壓源部分，電容器采用的是Y形接法。通過(guò)圖2，我們將得到一個(gè)連續(xù)的電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償裝置。從而實(shí)現(xiàn)用戶的要求?？烧{(diào)電壓源通過(guò)伺服電機(jī)的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓的可調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率[2]。

圖2　無(wú)功補(bǔ)償裝置系統(tǒng)原理圖

2.1電容的投切技術(shù)

國(guó)內(nèi)電容器組的投切技術(shù)主要是投切開關(guān)或者采用交流接觸器、采用固態(tài)繼電器或者采用晶閘管。投切開關(guān)或者采用交流接觸器在開關(guān)閉合時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，采用固態(tài)繼電器或者采用晶閘管投切在大功率場(chǎng)合，設(shè)備本身功耗大，發(fā)熱嚴(yán)重和價(jià)格昂貴。本系統(tǒng)采用一種專用電容切換的接觸器，該接觸器有二組接點(diǎn)，第一組限流，先閉合延時(shí)后在閉合第二組接點(diǎn)，如圖3所示，具有限流與本身功耗低的優(yōu)點(diǎn)，且價(jià)格適中。為防止可能出現(xiàn)的諧波電流放大現(xiàn)象，在主回路還增加了限流電抗器[3]。

圖3　三相電容器投切原理

2.2可調(diào)電壓源的系統(tǒng)構(gòu)成

可調(diào)電壓源以單向?yàn)槔?，電路如圖4所示：

圖4　可調(diào)電壓源電路

該電路是將電網(wǎng)電壓V0通過(guò)整流電路(D1、D2、D3、D4)將正弦波整流為正半軸半波信號(hào)，通過(guò)IGBT(Z1)的高速通斷來(lái)對(duì)該半波信號(hào)進(jìn)行斬波，調(diào)節(jié)其電壓幅值的變化，來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓的可調(diào)。將Z1的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)電感L1和電容器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波得到一個(gè)穩(wěn)定的波形，在通過(guò)IGBT(Z2、Z3)的通斷控制來(lái)將信號(hào)逆變?yōu)樗枰慕涣餍盘?hào)。當(dāng)電網(wǎng)的電壓在正半周時(shí)，信號(hào)經(jīng)過(guò)二極管D1、IGBT(Z1)、電感L1、IGBT(Z2)在經(jīng)過(guò)T1的3和2端最后流經(jīng)二極管D4流回電網(wǎng)，從而在輸出端4和6產(chǎn)生一個(gè)正半波；在電網(wǎng)電壓的負(fù)半周時(shí)，信號(hào)經(jīng)過(guò)二極管D2、IGBT(Z1)、電感L1、IGBT(Z3)在經(jīng)過(guò)T1的1和2端最后流經(jīng)二極管D3流回電網(wǎng)，從而在輸出端4和6產(chǎn)生一個(gè)負(fù)半周。最終，獲得了所需求的可調(diào)的交流電壓源電壓[4]。

2.3電容器組投切的控制器

控制器是以專用芯片為核心組成的連續(xù)無(wú)功功率補(bǔ)償智能化控制器，集成度高，抗干擾能力強(qiáng)，在硬件和軟件上對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行抗干擾與濾波措施，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，補(bǔ)償完全，操作簡(jiǎn)單。電容器的投切是通過(guò)控制接觸器的開與關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該控制器是采取自動(dòng)和手動(dòng)兩種控制方式。具體可以通過(guò)設(shè)定功率因數(shù)、投切時(shí)間、過(guò)壓門限來(lái)控制。

(1)功率因數(shù)門限

設(shè)定范圍為cosφ=0.80～0.99。該設(shè)定值為電容器組自動(dòng)投切的主要依據(jù)。

(2)投切延時(shí)

設(shè)定范圍為d=5～99秒。在自動(dòng)的方式，當(dāng)測(cè)到無(wú)功功率超限，如果超限連續(xù)時(shí)間超過(guò)d秒，則自動(dòng)選擇合適的電容器組投入或切出；如果在d秒內(nèi)恢復(fù)正常，則電容器組不投入或切出。當(dāng)一電容器組切入或切出后，在延時(shí)時(shí)間內(nèi)，禁止新的電容器組的投入或切出，以免電網(wǎng)在短時(shí)間內(nèi)變動(dòng)太大。

(3)過(guò)壓門限

設(shè)定范圍400-440V(對(duì)本系統(tǒng)電網(wǎng)線電壓為380V而言的)。當(dāng)電網(wǎng)電壓超過(guò)設(shè)定門限時(shí)，控制器在60秒內(nèi)以適當(dāng)延時(shí)依次自動(dòng)切除全部電容器組；若電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常，則停止切除。

當(dāng)功率因數(shù)低于0.8時(shí)，先將一組電容器組投入，一段延時(shí)時(shí)間，如能滿足功率因數(shù)要求，則停止投入第二組電容器，如不能滿足要求繼續(xù)投切第二組電容器，如功率因數(shù)還不能滿足要求，則通過(guò)調(diào)節(jié)可調(diào)電壓源來(lái)調(diào)節(jié)，直到功率因數(shù)達(dá)到需求值。如果因負(fù)載等影響，當(dāng)電網(wǎng)過(guò)補(bǔ)時(shí)，則必須切出一組電容器，如果切出后還超過(guò)功率因數(shù)需求值，則在繼續(xù)切出下一組電容器。如此反復(fù)，根據(jù)負(fù)載功率因數(shù)的要求控制電容器組的投入和切出。

2.4元器件參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇

2.4.1電容器的設(shè)計(jì)和選擇

C1、C2、C3是用來(lái)給電網(wǎng)提供無(wú)功的電容器。其中C1和C2采用的是Δ的接法，而C3用的是Y形接法。

電容的無(wú)功功率Q為：

(1)

(2)

所以由(1)和(2)可得：

(3)

2.4.1.1電容器C1和C2的計(jì)算

本文中在煉鐵廠中需要供給的是180kvar的無(wú)功，我們現(xiàn)將其分為三組電容器每組的電容器產(chǎn)生的無(wú)功為60kvar，所以每個(gè)電容器組根據(jù)(3)式計(jì)算得：

(4)

其中f=50Hz，π取3.14，由于電網(wǎng)的電壓為380V，所以電容器的耐壓值選400V，所以每組的電容器的容量為:

所以電容的容量選擇C1=C2=1194μF

電容支路電流為：

該電容的參數(shù)要求：

額定電壓為：400V

額定輸出為：20kvar

額定電流為：29A

總?cè)萘繛椋?194μF

頻率：50Hz

接線方式：Δ的接法

根據(jù)上述參數(shù)，電容所選的型號(hào)是：BSMJK0.4-60-3。

2.4.1.2電容器C3的計(jì)算

由于該電路是單相電壓，所以電容器的耐壓值為250V，額定輸出的無(wú)功為20kvar。所以電容器的容量為：

電流支路的電流為：

所以C2電容器的參數(shù)為：

額定電壓：250V

額定輸出：20kvar

額定電流：80A

總?cè)萘浚?020μF

頻率：50Hz

接線方式：?jiǎn)蜗?/p>

根據(jù)上述參數(shù)電容所選的型號(hào)是：BSMJ0.4-20-1。該裝置需要3個(gè)該型號(hào)的電容器。

2.4.2接觸器的參數(shù)選擇

圖2中，CJ1、CJ2、CJ3是用來(lái)控制電容器組投切的接觸器，這些接觸器的主要作用是：當(dāng)電網(wǎng)需要增加容性無(wú)功時(shí)，接觸器開關(guān)接通使電容器發(fā)出無(wú)功，當(dāng)電網(wǎng)的無(wú)功為容性時(shí)，也就是過(guò)補(bǔ)時(shí)，接觸器的開關(guān)斷開使電容器不工作。

接觸器的額定電壓為400V,f=50Hz,所以接觸器的選型為:CJ19C(16C)-63/3個(gè)。

2.4.3限流電抗器的參數(shù)選擇

L1、L2是電抗器它的主要作用是對(duì)該條支路進(jìn)行限流。

額定電壓為:400V

頻率為:50Hz

額定電流為:40A

所以電抗器的選型為:XD1-15/2個(gè)。

3結(jié)論

本文主要介紹了一種低壓連續(xù)的無(wú)功補(bǔ)償裝置，通過(guò)參數(shù)計(jì)算和元器件選型，該無(wú)功補(bǔ)償裝置在實(shí)際應(yīng)用中獲得了良好的效果，主要有以下幾個(gè)方面效益：

(1)功率因數(shù)達(dá)0.95，符合國(guó)家電力對(duì)企業(yè)無(wú)功的要求；

(2)提高了電網(wǎng)的質(zhì)量；

(3)降低了線路損耗，節(jié)約了電能；

(4)保證了電網(wǎng)的穩(wěn)定性，提高了生產(chǎn)效率。

參考文獻(xiàn)

[1]王兆安，楊君，劉進(jìn)軍，等.諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[2]林渭勛.現(xiàn)代電力電子電路[M].杭州:浙江大學(xué)出版社，2002.

[3]孟櫻，張愛雪，孫四洲.基于DSP的新型無(wú)功連續(xù)補(bǔ)償和諧波抑制裝置[J].電氣開關(guān)，2010，(3)：24-26.

[4]徐德鴻，沈旭，楊成林.開關(guān)電源設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

(責(zé)任編輯：李文英)

Application of Low-voltage Reactive Power Compensation Device

Song Bin

(Construction Group of WISCO, Wuhan 430080, Hubei)

Abstract:Along with the increasing number of electricity-consuming equipment, enterprises power voltage is facing great challenge. Enterprises suffer from loss caused by low voltage and poor power quality. Reactive power compensation device improves the power factor of the grid, cuts down loss in power supply transformer and power lines. It also improves power supply condition. The paper designs a low-cost yet highly practical continuous mixing reactive power compensation system which improves system power utility. The device contains a group of capacitor lined with an adjustable voltage source and two sets of capacitor groups. The system has been used in practice. When power factor is above 0.95, the collected data meet the design requirements.

Key words:reactive power compensation; continuous; variable voltage source

收稿日期：2016-05-20

作者簡(jiǎn)介：宋斌(1982～)，男，碩士，電氣工程師.E-mail：1054984306@qq.com

中圖分類號(hào)：TM714.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-3524(2016)02-0005-04