模塊化低壓智能無(wú)功補(bǔ)償裝置的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

劉 悅

（山東省冶金科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南250014）

1 前言

當(dāng)前供配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，感性負(fù)荷不斷增加，電網(wǎng)對(duì)無(wú)功功率的需求也大幅度提高，造成局部電網(wǎng)無(wú)功功率嚴(yán)重不足，電壓水平普遍較低，電能損耗嚴(yán)重。智能電網(wǎng)的興起與發(fā)展，亟需進(jìn)行大量的無(wú)功補(bǔ)償以解決過(guò)補(bǔ)償、補(bǔ)償不足或不補(bǔ)償?shù)惹闆r，同時(shí)需實(shí)現(xiàn)對(duì)三相不平衡或沖擊性電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)算和投切。為有效降低輸變電線路和變壓器因輸送無(wú)功功率造成的電能損耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降損，保證電網(wǎng)電壓運(yùn)行平穩(wěn)，提高供電的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性，模塊化低壓動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的研發(fā)和應(yīng)用受到各行業(yè)和領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。

2 模塊化低壓智能無(wú)功補(bǔ)償裝置

2.1 新裝置構(gòu)架

本模塊化低壓智能無(wú)功補(bǔ)償裝置的新型結(jié)構(gòu)包括隔離開(kāi)關(guān)熔斷單元，三相補(bǔ)償單元，單相補(bǔ)償單元，智能控制靈敏單元和避雷單元，其中智能控制靈敏單元可統(tǒng)籌各單元間的同步協(xié)調(diào)工作，實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)負(fù)荷運(yùn)行工況變化，準(zhǔn)確捕捉概率事件，靈敏響應(yīng)功率波動(dòng)，智能選擇投切單元比例，及時(shí)跟進(jìn)平滑微調(diào)。

該新型結(jié)構(gòu)較現(xiàn)有無(wú)功補(bǔ)償模塊，其投切比例更為精確，投切實(shí)用頻率更為協(xié)調(diào)，投切響應(yīng)速度更迅速，通道設(shè)計(jì)散熱更合理，單元組合構(gòu)架靈活多樣、更易更換、安裝和檢修，場(chǎng)所實(shí)用性更強(qiáng)。具體結(jié)構(gòu)描述：三相補(bǔ)償單元采用三相熔斷器式隔離開(kāi)關(guān)、三相無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)（由晶閘管并聯(lián)組成）、三相電抗器、三相補(bǔ)償電容器等元件組成，其中三相熔斷器式隔離開(kāi)關(guān)起隔離和短路保護(hù)的作用。單相補(bǔ)償單元由單相熔斷器式隔離開(kāi)關(guān)、單相無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)、單相電抗器和單相補(bǔ)償電容器等元件組成。無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)用以接收控制器輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通和關(guān)斷。電抗器通過(guò)選擇合適的電抗率，起到抑制諧波和涌流的作用。電容器用以補(bǔ)償系統(tǒng)所需的無(wú)功功率。智能功率控制單元采樣三相電源中的電流信號(hào)電壓信號(hào)，實(shí)時(shí)跟蹤運(yùn)算，確定電容器的投切數(shù)量和投切順序，捕捉系統(tǒng)瞬間過(guò)壓和長(zhǎng)時(shí)過(guò)壓事件，通過(guò)預(yù)設(shè)過(guò)壓保護(hù)門(mén)限值，按組切除或一次性切除所有已投入的電容，用以保護(hù)電容器。

2.2 系統(tǒng)工作原理

智能功率控制單元采集電網(wǎng)側(cè)三相電壓與三相電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后，送入CPU。CPU在一個(gè)工作周期內(nèi)等間隔采集N個(gè)瞬間電壓、電流數(shù)據(jù)后，依據(jù)瞬時(shí)無(wú)功功率理論和FFT，計(jì)算出電網(wǎng)電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)、諧波等參數(shù)，以當(dāng)前測(cè)得的無(wú)功功率的大小作為電力電容器投切的主要判據(jù)，兼以電壓、諧波含量作為電力電容器投切的輔助判據(jù)；以電網(wǎng)每相所缺無(wú)功容量來(lái)確定該相投入的電容數(shù)量，經(jīng)控制器輸出端輸出12 V直流信號(hào)，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通。當(dāng)出現(xiàn)過(guò)壓、欠壓或諧波超限值等情況時(shí)，無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)關(guān)斷，電容器切除，停止運(yùn)行。具體工作流程見(jiàn)圖1。

圖1 模塊化低壓智能無(wú)功補(bǔ)償裝置工作流程

根據(jù)電網(wǎng)所需補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率的容量是連續(xù)變化的這一特點(diǎn)，傳統(tǒng)采用固定容量循環(huán)投切的方式，使無(wú)功功率補(bǔ)償容量通常是有限的幾種等級(jí)，特別是在負(fù)荷較小時(shí)，容易產(chǎn)生投切震蕩，這樣既降低了電容器組及其相應(yīng)投切開(kāi)關(guān)的使用壽命，也無(wú)法達(dá)到相應(yīng)的補(bǔ)償效果。因此，引入比例投切（即采用電容器容量按比例搭配）的模式對(duì)于滿(mǎn)足電網(wǎng)對(duì)無(wú)功功率時(shí)刻變化的需求愈發(fā)重要。

采用比例投切，使每個(gè)補(bǔ)償模塊間的補(bǔ)償容量都有嚴(yán)格的比例關(guān)系，這種關(guān)系叫編碼，有多種編碼可供選擇，最常用的編碼投切關(guān)系有以下幾種：

根據(jù)比例關(guān)系，當(dāng)?shù)?只補(bǔ)償模塊容量確定后，其余的補(bǔ)償模塊的容量即可確定，用戶(hù)只需通過(guò)預(yù)置無(wú)功功率控制器參數(shù)，確定第1只補(bǔ)償模塊的容量和所采用的編碼方式即可。

3 裝置的實(shí)際應(yīng)用

3.1 穿水冷卻變壓器系統(tǒng)用電存在的問(wèn)題

濟(jì)鋼一小型軋鋼廠穿水冷卻變壓器系統(tǒng)由1臺(tái)1 600 kVA變壓器專(zhuān)線供電，低壓側(cè)負(fù)載主要由收集區(qū)負(fù)荷和配電室內(nèi)負(fù)荷組成。收集區(qū)負(fù)荷包括2臺(tái)75 kW液壓站，6臺(tái)22 kW打包機(jī)，2臺(tái)15 kW循環(huán)泵，1臺(tái)55 kW液壓成型機(jī)以及2臺(tái)37 kW電機(jī)和10臺(tái)11 kW電機(jī)；配電室內(nèi)負(fù)荷包括1臺(tái)220 kW沖渣泵，1#～4#160 kW供水泵，2臺(tái)132 kW上塔泵，1個(gè)280 kW漩流池。

通過(guò)測(cè)試分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)低壓側(cè)電壓波形和電流波形有較嚴(yán)重的非正弦失真，存在多次特征諧波，以奇次諧波和高次諧波的占有率為主，其中，5、7、11、13、23、25、35、37、38、42、47、49次諧波電流含有率較高。諧波含量較高是由于系統(tǒng)中有變頻存在，變頻作為非線性負(fù)荷，在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生大量諧波注入系統(tǒng)。多次特征諧波的高含有率引起電氣設(shè)備（電機(jī)、變壓器和電容器等）附加損耗和發(fā)熱：使變壓器溫度升高、效率降低、絕緣加速老化、縮短使用壽命、甚至損壞，諧波電流使電動(dòng)機(jī)增加銅損、諧波電壓使其增加鐵損，諧波的功率造成機(jī)械效率減小，功率因數(shù)下降，有效轉(zhuǎn)矩減小。分析數(shù)據(jù)還發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)功率因數(shù)較低，時(shí)段平均值為0.69，與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及國(guó)家電網(wǎng)山東省省調(diào)要求相差較遠(yuǎn)，低于功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)辦法規(guī)定的平均功率因數(shù)值，導(dǎo)致較為嚴(yán)重的工業(yè)耗能（主要電氣參數(shù)見(jiàn)圖2～3）。因此，需要一種能夠?qū)崟r(shí)捕捉諧波源動(dòng)向和敏感負(fù)荷波動(dòng)的裝置，以顯著提升功率因數(shù)、有效濾除諧波、實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)節(jié)能降耗。

圖2 功率因數(shù)

圖3 電壓諧波含量

3.2 解決措施及應(yīng)用效果

針對(duì)上述案例存在的用電問(wèn)題，冶金研究院量身定制出在變壓器低壓側(cè)加裝100 A有源電力濾波裝置及400 kvar模塊化低壓智能無(wú)功補(bǔ)償裝置的綜合治理方案。

通過(guò)項(xiàng)目實(shí)施和現(xiàn)場(chǎng)維穩(wěn)，系統(tǒng)50次以?xún)?nèi)各種特征諧波含有率顯著降低，諧波電流總畸變率降低到2%，系統(tǒng)平均功率因數(shù)提升到0.95以上，明顯提高了系統(tǒng)的供配電可靠性，改善了電源電壓，消除了系統(tǒng)諧波對(duì)通信系統(tǒng)影響的隱患，有效減免了電氣設(shè)備、元器件損毀的高額維修購(gòu)置費(fèi)用以及各項(xiàng)人工費(fèi)用，每年節(jié)約的電費(fèi)開(kāi)支為32.31萬(wàn)元。

4 結(jié)語(yǔ)

模塊化低壓智能無(wú)功補(bǔ)償裝置已獲得國(guó)家實(shí)用新型專(zhuān)利，在鋼鐵冶煉等行業(yè)的逐步應(yīng)用中，有效提高了系統(tǒng)的功率因數(shù)，降低了高額電費(fèi)開(kāi)支，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益，顯示了其清潔能源、節(jié)能降耗等立竿見(jiàn)影的功效，為未來(lái)智能電網(wǎng)的深層構(gòu)建和各種新能源并網(wǎng)提供了綠色環(huán)境保證，尤其對(duì)產(chǎn)能過(guò)剩行業(yè)的持續(xù)發(fā)展提供了技術(shù)改造支持和降本支撐。