TSC動態(tài)無功補償技術在工業(yè)企業(yè)的應用

閆家彬

（中車山東機車車輛有限公司，山東 濟南 250022）

0 引 言

近幾年，隨著工業(yè)企業(yè)中電力電子設備的應用，如整流逆變設備、電焊機設備、等離子切割設備、變頻器以及LED照明等，供電系統(tǒng)網(wǎng)絡環(huán)境比較以前發(fā)生了巨大變化，電網(wǎng)中的諧波成分大幅度增加，傳統(tǒng)無功補償設備的故障率明顯升高，經(jīng)常發(fā)生電容燒毀和爆炸事故，嚴重威脅企業(yè)的供電安全。使用動態(tài)無功補償技術代替過往的機械式觸點無功補償設備很有必要。

1 無功功率對企業(yè)用電的影響

1.1 無功功率的基本概念

供電系統(tǒng)中無功功率是指供用電設備用來建立和維持電場和磁場的電功率。它不是無用功，只是由于不對外做功，因此被稱之為無功。沒有無功功率，所有的交流設備都無法工作，所以說無功功率和有功功率一樣重要[1]。無功功率的產生主要來源于兩個方面，一是發(fā)電設備在發(fā)出有用功率的同時，通過調節(jié)勵磁電流會發(fā)出無功功率，二是通過電容器無功補償設備和同步調相機等向系統(tǒng)補償無功功率。

1.2 無功功率在企業(yè)用電中的作用

無功功率從電網(wǎng)側沿線路向用電設備輸送時將產生電壓損耗，輸送的功率越大，線路越長，電壓降越大，甚至會因電壓降太大而不能滿足用電設備的要求，因此無功功率不能長距離傳送[2]。當電網(wǎng)不能為用電企業(yè)提供足夠的無功功率時，用電企業(yè)必須加裝無功補償裝置進行補償，使系統(tǒng)具有充足的無功功率容量，確保用電設備的運行。

2 動態(tài)無功功率補償技術

2.1 無功功率補償方式及特點

無功補償裝置根據(jù)安裝位置的不同，分為集中無功補償和就地無功補償[3]。集中無功補償是補償設備安裝在變壓器低壓測的母線上，只能補償母線及以上電路，包括變壓器及其高壓配電線路，不能補償?shù)蛪汗╇娋€路。但因為投資較少，比較經(jīng)濟，在工業(yè)企業(yè)得到大量應用。就地無功補償將補償設備直接安裝在用電設備附近，直接補償所有設備供電線路，補償范圍最大，補償效果最好，但投資較大，設備利用率較低，只使用在一些重點設備上。

無功補償裝置根據(jù)接線方式的不同，分為串聯(lián)無功補償和并聯(lián)無功補償。串聯(lián)無功補償方式通常用在330 kV及以上的超高壓線路中無功電壓的補償，用來降低功率損耗，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。并聯(lián)無功補償方式電容器和低壓線路并聯(lián)，電容器為用電設備提供所需無功電流，從而減輕電力線路、變壓器以及發(fā)電機的負擔，在工業(yè)企業(yè)中得到了廣泛的應用。

工業(yè)企業(yè)無功補償設備的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下幾個發(fā)展階段，其各自特點如下。一是同步調相機補償，補償相應速度慢，耗能且噪音高，目前已經(jīng)淘汰。二是接觸器投切固定電容器，響應速度慢，連續(xù)可控能力差，維修成本高。三是動態(tài)晶閘管投切電容器，響應速度快（20 ms內），功率因數(shù)補償后能達到0.95以上，能夠避免諧波產生的諧振，降低網(wǎng)損，提高效能，目前得到廣泛應用。四是無功發(fā)生，因受技術局限性，目前還在發(fā)展完善階段[4]。

2.2 動態(tài)無功補償技術特點

動態(tài)無功補償能夠實時跟蹤系統(tǒng)無功功率，快速動態(tài)補償功率因數(shù)（20 ms響應）減少系統(tǒng)電壓波動，保持系統(tǒng)中的瞬時無功功率平衡。無功補償電容器投切開關采用雙向晶閘管投切，實現(xiàn)無觸點、無沖擊以及過零投切，提高了電容器的使用壽命。主回路電容器組采用三角形+接串聯(lián)電抗器接法，既能適合于三相對稱性負荷的實時功率因數(shù)補償，又能對三相不對稱負荷進行分相補償，同時最大限度地避免系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振。

在工業(yè)企業(yè)供電系統(tǒng)中，合理安裝和使用動態(tài)無功補償裝置可以有效提高電網(wǎng)質量，降低網(wǎng)損及諧波對系統(tǒng)的危害，提高功率因數(shù)，直接增加經(jīng)濟效益。

3 TSC動態(tài)無功補償裝置的設計

3.1 TSC動態(tài)無功補償裝置的工作原理

無功補償裝置由電壓、電流信號采樣單元、控制器單元、晶閘管投切觸發(fā)單元以及電力電容器4部分構成。電壓、電流信號采樣單元通過電壓變送器和電流變送器將負載側電壓、電流信號變換成標準信號輸入控制器，控制器通過模數(shù)轉換分析計算電量信息，算出系統(tǒng)所需無功功率并發(fā)出相應投切指令，投切指令控制晶閘管觸發(fā)，導通及關閉，相應電力電容器實現(xiàn)系統(tǒng)無功功率平衡。

3.2 主電路接線方式

三相動態(tài)無功補償裝置中，晶閘管投切電容器連接方式通常分為星形接法和三角形接法。

3.2.1 星形接法

3.2.2 三角形接法

圖1 主電路三角形接線圖

3.3 電容器無功容量的選擇

合理選擇無功補償裝置是提高補償效果的重要保證，選擇正確的電容器容量需要確定以下4個關鍵因素。

一是根據(jù)變壓器空輕載情況，選擇固定無功容量。變壓器在空載和輕載狀態(tài)下，可選擇變壓器容量3%的并聯(lián)電容器作為固定補償，安裝在變壓器低壓母線側，以補償變壓器的空輕載無功損耗。二是根據(jù)負載的變化情況，選擇合理補償梯度。根據(jù)用電負荷的大小、負荷變化幅度以及用電設備的功率因數(shù)，確定無功補償?shù)娜萘俊⒀a償路數(shù)及梯度電容的大小，盡量達到無級調節(jié)狀態(tài)。三是根據(jù)用電負荷情況，選擇合適的補償方式。由三相負荷平衡情況確定采用三相補償，單相補償，還是混合補償，以達到最佳補償配置。四是根據(jù)負載性質情況，確定是否加入諧波濾波電路。進行現(xiàn)場諧波測試，確定諧波分量，當諧波分量達到5%時，應采取與電抗器配套設計電容器，以防止在諧波成分較大時，發(fā)生補償裝置無法運行或電容器損毀的現(xiàn)象[6]。

3.4 電容器投切依據(jù)和信號檢測

TSC無功補償裝置通過檢測用電設備負荷側無功電流的幅值作為電容器投切的依據(jù)，基本原理如圖2所示[7]。

圖2 無功補償原理示意圖

設節(jié)點電壓、電流為：

則負載電流為：

式中，ip(t)和iq(t)分別為有功電流分量和無功電流分量。當t=2kπ時，有：

由以上推理可得，電壓信號正向過零時所測得負載電流值，即為負載無功電流的幅值IQM[8]。

根據(jù)以上原理，通過電壓、電流互感器變換的電壓信號u和電流信號i分別經(jīng)過各自低通濾波器（Low Pass Filter，LPF）濾波后，由過零脈沖發(fā)生電路產生的電壓正向過零脈沖信號作為采樣保持器的采樣開關信號，于是采樣保持器的輸出就是無功電流幅值IQM。無功電流幅值檢測原理如圖3所示。同時由圖2可知，il=ic+is，如果使iq=ic，即電容器的電流等于負載的無功電流分量，那么實現(xiàn)了負載的無功全補償。電容器電流為：

圖3 無功電流幅值檢測原理圖

由式（3）和式（4）可得無功電流分量為：

ΔC為全補償所需投切的電容量，若為負則應切除相應容量的電容器，反之則應投入相應容量的電容器[9]。

3.5 晶閘管零電壓投切

電容器無觸點投切開關由兩只正反向并聯(lián)的晶閘管構成（也可選擇雙向晶閘管），當兩只晶閘管中的T1為正向電壓時，門極發(fā)出觸發(fā)信號時T1導通，電容器正半波導通，當T2為正電壓時，門極發(fā)出觸發(fā)信號時T2導通，電容器負半波導通，當觸發(fā)脈沖停止時，晶閘管電流過零截止，電容從電網(wǎng)中切除。剛切除時電容器上的電壓（殘壓）為電網(wǎng)電壓幅值（可正可負），待電容器重新投用時，若晶閘管導通時的電網(wǎng)電壓和殘壓電壓差較大時，由于電容器電壓不能突變，從而會產生很大的合閘涌流，導致晶閘管擊穿或對電網(wǎng)造成高頻沖擊。為了使電容器在投入時不產生涌流，必須控制在晶閘管兩端電壓差為零時導通[10]。通過檢測晶閘管兩端的電壓差來確定晶閘管觸發(fā)時間，工作原理如圖4所示。

圖4 零電壓觸發(fā)原理框圖

3.6 TSC控制原理

動態(tài)無功補償控制器通過采集系統(tǒng)電壓、電流信號，計算出系統(tǒng)所需要的無功功率，輸出投切命令，發(fā)送至TSC過零電壓觸發(fā)板。過零電壓觸發(fā)板根據(jù)命令在晶閘管兩端電壓差為零時觸發(fā)晶閘管導通，晶閘管電流為零時切除晶閘管，以增減電容器投切數(shù)量。

圖5 TSC控制原理示意圖

3.7 TSC動態(tài)無功補償裝置保護措施

采用空氣開關對裝置進行短路、過流以及接地保護，采用快速熔斷器對晶閘管進行過流保護，壓敏電阻對其進行過壓保護，利用壓敏電阻進行過壓保護，利用快速熔斷器進行過流保護，阻容進行過壓保護。TSC動態(tài)無功補償裝置保護主要是短路保護和過壓保護，保護措施不規(guī)范或不完整將影響到無功補償裝置的安全運行[11]。

4 結 論

工業(yè)企業(yè)用電設備設施發(fā)展更新迭代越來越快，特別是電力電子技術在設備中的應用，使得對供電的安全性和無功補償能力要求越來越高。TSC動態(tài)無功補償技術采用晶閘管組成的無觸點開關對多級電容器組進行快速無過渡投切，克服了傳統(tǒng)無功功率補償采用機械式觸點開關造成的結點燒結的現(xiàn)象。動態(tài)響應速度快，節(jié)能效果明顯，功率因數(shù)提高顯著，對各種負荷均能起到良好的補償效果。目前，TSC無功補償技術還主要用于低壓供電系統(tǒng)，未來隨著半導體技術的發(fā)展，晶閘管在高電壓和大電流的應用將會在高壓電力系統(tǒng)無功補償中得到廣泛推廣