含變頻器供配電系統的無功補償研究

殷玥

（榮信匯科電氣技術有限責任公司 遼寧沈陽 114051）

引言

電力系統中，通過多種功能補償設備的組合與輔助，形成完整的功能系統。異步電動機作為重要的控制點，其負載水平甚至達到了整體系統的60%以上，而電動機的負載條件又占整體負載條件消耗能源的78%。由此可見，保證異步電動機的穩定性條件，在實際生產中，起到十分重要的作用。在設備設計中，設計者通常會將并聯電容作為無功補償調整的方法，以滿足使用中的系統管理需求，但在實際效果上并未達到應有的期望條件。對此，必須以變頻器的功率因數為切入點展開討論。

1 變頻器設備功率因數

當前技術條件下，實際生產中的電動機設備，大都是采用感性負載的方式完成技術處理，因此在功率因數中，都可以基本劃定在0.8的閾值參數左右。然而，當電動機設備在經過變頻器的調節處理后，會在電動機與供電系統電源之間形成調速控制系統[1]。然而在常規變頻器的交流——直流——交流變化系統中，又會形成阻隔電動機與供電系統的直流回路，并直接切斷了整個系統中功率因數關系，當變頻器的輸入側發生作用，就會直接的影響到供電系統的功率因數。

1.1 功率因數的基本概念

用電設備的功率因數條件（λ），可通過設備的平均功率條件與視在功率這兩個參數條件完成計算，即公式λ=P/S。其中，P作為平均的功率條件，其單位為kW，是對用電設備工作中，所消耗功率條件的總結；S表示視在功率，單位為kVA，是電源端的電壓與電流的乘積數據。

如果在計算結果中，平均功率P小于是在功率S，說明電源端相設備提供電流的過程中，存在無功電流進行能量交換[2]。如果用電設備所消耗的功率條件相等，無功電流會與總輸入點流量呈現出正比例關系，在增加電流的同時，產生更多的無功電流，并對用電設備造成更為嚴重的影響，使其耗損率明顯增加。

在電網系統中，所使用的電負荷條件大多為阻感性的，在正弦交流的RL電路中，將來自電源的電流條件分解為具體的有功電流、無功電流這兩個部分。有功電流通常會與電壓條件處于相同的相位，而無功電流會滯后于電壓，使兩者之間產生的90°差值。平均功率可以在電壓與有功電流的數據參數中完成計算，并通過公式：P=U1A=UIcosψ=Scosψ表示出來。公式中，U代表了電壓的有效值參數，單位為V；I作為電源電流的表示數值，其單位為A；IA代表有功電流，單位為A。計算參數上，cosψ可以直接的反映出視在功率中有功功率條件所占的比例份額，直接反映出理想參數條件下，正弦波值電源電壓與電流中同頻率相位角的關系，參數的變化使其表現出不同的狀況條件。另外，在實際的電源電流中，還需重視諧波成分的組成內容，并在功率因數的計算中，通過基礎公式λ=P/S表示出來。

1.2 測波電平中的變頻器輸入功率因數

如圖1所示的系統圖中可以觀察到，變頻器在輸入側的設計內容，是通過三相整流橋的構造，完成實用功能的構建。當電源線的瞬時電壓條件，大于濾波容器兩端直流電壓時，變頻器系統中的整流橋才會產生充電電流的條件，使充電的電流相位，保持在電源電壓的振幅參數附近，從而形成了間斷性的沖擊波條件，組成變頻器的輸入側電流[3]。

這一系統結構中，帶有十分豐富的諧波形式。當變頻器輸入端的電流有效值條件與基波、各諧波電流方均根相等時，可以通過公式Is=√表示。其中公式中的Is代表著輸入端的電流有效值，I1作為基礎的電流基波分量，單位為A，而I5與I7分別代表了電流在第五次與第七次的諧波分量值。

進行變頻器數據分析的過程中發現，電流基波分量基本與電壓屬于相同相位條件，并保證功率瞬時數值控制在正值范圍內。在這一條件的引導下，變頻器的平均功率條件可以用電壓與基波電流有效值之間的乘積結果表示，用公式表示為P1=UsIs1。公式中，Us代表了電源線路中的電壓有效數值，Is1表示基波電流的有效值，P1則是基波電流的平均功率條件[4]。由此可知，諧波功率中，瞬時的閾值條件可以通過諧波電流與電壓條件的瞬時閾值的乘積，完成計算。在同一個周期條件內，這種平均的功率條件的數值等于零，所有諧波電流的平均功率中，其數值參數都是零。由此，可以做出判斷，這種電流條件，屬于典型的無功電流。

圖1 變頻器系統簡圖

2 帶有變頻器的供配電系統無功補償

2.1 基本技術原理

在現有的技術條件下，生產活動中所使用的無功補償裝置，大多采用機械式的開關投切電容器，帶有變頻器的無功補償供配電系統中，將自動化的無功補償裝置、可控硅投切電容器以及帶有電抗技術的無功補償裝置進行整合，通過IGBT技術，組成逆變器系統，形成有源的補償，并構成完整的濾波裝置。

國家的相關行業管理規定中，《國家電網公司電力系統電壓質量和無功電力管理規定》明確的說明了裝置的應用條件。當電負荷參數大于100kVA（kW）時，使用者必須配置相應的無功補償裝置，通過對并聯方式的合理選擇，完成電容器的補償操作。在設備使用過程中，如果不對用電設備的變頻器所產生的電磁濾波無功功率條件進行理性分析，直接采用增加電容器容量的方式進行補償，不僅無法達到應用的控制效果，反而會在用電設備使用的過程中，造成更為嚴重的諧振損壞條件，防止設備的使用壽命縮短，或對生產的合理性造成影響。因此，只有通過對高次諧波電流條件的削減，才能達到無功補償的效果，完成設備使用優化處理。

2.2 執行案例分析

某工程項目中，鍋爐房預備對熱水爐設備進行擴建升級，使其運行參數達到46MW，并保證用電的負荷條件全部為低壓負荷。設備安裝容量條件為546.1kW，計算后的有功功率為437kW。在設備的分部管理中包含了引風機315kW、鼓風機90kW、爐排機7.5kW，且所有分部設備都采用變頻控制系統。在變頻器的功率因數計算中，這一系統可以在經由改善后，形成0.9參數條件。

針對此項工程進行調整控制的過程中，使用低壓集中式的補償方法，進行無功補償管理，在0.4kV的配電段母線上設置針對無功功率的自動補償裝置，并在分布計算中，完成濾波器的諧波電流補償條件計算，得到數值330kW；而在其它系統的計算中，可直接采用電容器的無功功率補償計算方法完成，產生的計算結果為107kW。進行系統應用核算的過程中，可將諧波電流的補償計算用公式IH=Ii×THDi表示，其中IH作為計算求取的諧波電流含量，Ii是經過計算后得出的基波電流，在此次案例中其數值參數為501A，而THDi是系統的電流總諧波畸變率。通常在三相變頻的系統中，THDi的閾值會在30～40%之間，在本次項目中執行參數控制在25%。經過計算，IH的具體值為125A，在查詢配搭UN設計手冊后，可將公共接入點的諧波流量控制在88A，然后補償諧波電流確定為37A，在與基本功率因數的帶入計算中，確定無功補償功率條件為45kVar，以此完成該項目的優化處理。

3 總結

交流電網系統中，變頻器設備的應用空間逐漸擴大，并在市場空間與技術內容上都展現出了較強的適用性條件。對非線性電氣設備進行大量的使用投入，如果不對諧波危害條件進行相應的控制與管理，勢必會在使用中造成明顯的負面影響。因此，必須對無功率補償技術進行升級，通過對供配電系統中變頻器的調整，使其可以更好的展現出技術優勢，為提高使用價值創造基礎性條件。