無功功率補償在岸邊集裝箱起重機上的應用

曹逸榮 劉乾梟 劉 彬

1上海交通職業技術學院 上海 200314 2南通特爾浦檢測服務有限公司 南通 226001 3上海振華重工集團有限公司 上海 200125

0 引言

岸邊集裝箱起重機（以下簡稱岸橋）通常包含主驅動回路及輔助回路。主驅動回路包括整流、逆變、變頻等環節用于驅動主驅動電動機。輔助回路包括控制回路、輔助電動機、投光燈、步道燈等設備，用以控制主驅動回路及相關輔助設備，可見岸橋的感性負載占比較高，使得大量的電能作用于感性負載產生無功功率，導致整機運行的功率因數較低。較低的功率因數使得線路中的電壓存在壓降、供電質量降低、違背節能減排的問題。另一方面，部分岸橋標準規格書內明確注明其設備的功率因數應大于0.9或0.95，有必要采用無功功率補償技術提高岸邊集裝箱起重機的功率因數。

目前，針對岸橋的工況有2種用以提高起重機功率因數的無功功率補償方案。

1）利用驅動回路中的IGBT動態的調節感性負載，提高功率因數。文獻[1]闡述了基于TMGE系統的動態無功功率補償技術方案，利用高壓側電源檢視表(PQM)檢測無功電流，并以模擬量的形式傳輸至IGBT整流器。IGBT調節無功電流，實現感性負載與容性負載的相互抵消，達到降低無功功率的目的，使得系統功率因數提高。需要注意的是，該方案中的IGBT較為特殊，其特點在于：無論IGBT是否處于工作狀態，都能自動調節無功電流，達到無功功率的調節。這種動態無功功率補償效果較好，但對驅動系統的硬件配置有一定要求，成本上不可控。同時，有一定的技術壁壘存在，無法大范圍的推廣使用。

2）在輔助回路中并聯電容，實現功率因數的提高。采用該方案的主要原因在于，主驅動回路僅可實現岸橋工作時的整機系統的功率因數提高。當起重機處于待機狀態時，主驅動無法實現無功功率補償，但是輔助回路仍舊存在大量感性負載，產生無功功率，導致整機的功率因數較低。為解決上述功率因數較低的問題，通常較為普遍的技術方案為：在輔助回路處并聯電容，解決設備待機時功率因數較低的問題。

2 功率因數補償柜的相關參數匹配

2.1 補償電容計算的理論基礎

圖1為基于岸橋系統架構所搭設的最簡電路模型。在該模型中U為輔助變壓器二次側輸出，R2與L2分別為變壓器二次側輸出側的阻抗與感抗。當模型回路中未并入電容之前，輸入電流與負載電流RL相等。RL與電源U之間的相位差為φ1。并入電容C2后，負載電流IRL減少的同時C增加，RL和C之間的和為輸入電流，輸入電流I與電源之間的相位差為φ。

圖1 基于岸橋系統架構所搭設的最簡電路模型

由圖2可知，φ＜φ1，則有 cosφ＞cosφ1，故并聯電路后有功功率由P1提高至P。

圖2 相位差圖解

由圖1可知，當并聯電容后，RL的有功分量與輸入電流的有功分量相等，可得

RL的無功分量減去C的無功分量等于的無功分量，可得

整理得

聯立式（1）與式（3）可得式（4）

又因電容電流電壓之間的關系為

聯立式（4）、式（5）可得補償電容容量

式中：φ1為初始情況下的相位差，φ為并聯電容后的相位差，ω為頻率，P為功率，U為電壓。

又因電容的計算公式為

聯立式（6）、式（7）可得無功功率補償為

2.2 補償電容容量及補償無功功率計算

由于補償電容的作用是補償輔助變壓器二次側的感性負載的無功功率，應先計算岸邊集裝箱起重機輔變二次側滿載情況下的有功功率。按照目前的工況，依據表1可得輔變二次側最大有功功率為224 kW。

表1 設備功率參數

負載端自然功率因數cosφ1=0.75，補償后的功率因數為 0.9＜cosφ＜0.95。

當 cosφ1=0.75 時

當 cosφ=0.9 時

當 cosφ=0.95 時

當輔助變壓器二次側電壓U為AC380V時，工頻為50 Hz的條件下，角頻率為

ω= 2πf= 2×50π

為確保功率因素提升至0.9，則補償電容容量為

為確保功率因素提升至0.95，則補償電容容量為

通過上述計算及推導可得，為確保功率因數從0.75提升至最少0.9，功率補償設備的補償電容的容量的理論值區間范圍為0.196 F＜C＜0.273 F。

通常為更快的幫助設計人員確定無功功率補償設備的型號，則需要確定需補償無功功率這一重要參數。該參數可通過以下過程完成計算：

當功率因數提升至0.9時，需補償的無功功率為

當功率因數提升至0.95時，需補償的無功功率為

通過上述計算及推導可得，為確保功率因數從0.75提升至最少0.9，功率補償設備無功功率補償容量的理論值區間范圍是為 89.12 kVAR ＜Qc ＜123.9 kVAR。

基于取大不取小的原則，岸橋輔助變壓器二次側輸出端添加的無功功率補償設備的補償電容容量應當大于0.273 F，無功功率補償容量應當大于123.9 kVAR，即可滿足設計要求。通常無功功率補償容量選取150 kVAR。

2.3 功率補償設備的分段設計工況

前文所述中輔助變壓器二次側最大有功功率為224 kW，但當設備實際進行抓箱作業時，不同工況的情況下，其有功功率是不同的。例如當集裝箱起重機在日間作業時，所有的投光燈步道燈都需要關閉，而晚間所有的燈具又需要亮起。再如后大梁掛艙液壓缸、高速制動器等設備是間歇性工作，故整機有功功率一直處于動態變化。無功功率補償柜的無功功率補償也必須動態地隨著設備的工況進行變動，避免電容的過補償導致元器件燒毀等問題。動態的無功功率補償又分為線性動態補償和非線性的動態補償兩種。針對岸橋的工況可采用非線性的動態補償即可。將無功功率補償分為幾個區間，當設備在不同的有功功率情況下，動態的調整無功功率補償。

表2為基于上文中的計算和推導設定，結合圖3岸橋常見的功率因數補償柜方案所作的對應表。表中無功功率補償依照無功功率補償的最大值150 kVAR均分了6個區域，隨著無功功率補償值的變化設定有功功率的閾值。例如，當整機有功功率小于46 kW時，無功功率僅需要補償25 kVAR，而當整機有功率大于45.18 kW但小于90 kW時，無功功率補償需切換至50 kVAR。后續依次類推。

表2 有功功率和無功功率補償對應表

圖3 岸橋常見的功率因數補償柜方案

為使得無功功率補償按照表3的區域劃分實現動態補償，還必須在岸橋輔變二次側增加電流取樣點，該取樣點的作用是將所檢測到的電流反饋至無功功率補償系統中的控制器。控制器接收到電流采樣信號后，基于算法輸出信號控制接觸器的開閉，進而控制了投切電容容量的目的。當然，也可以將電流采樣信號反饋至PLC，由PLC控制電容的投入量。具體方式按項目工況實施。

3 結語

綜上所述，無功功率補償的電容容量補償及無功功率補償容量都可通過相關公式計算獲得。計算過程及所獲得的數值可供相關設計工程師參考。但就無功功率補償的產品本身而言，其技術難點在于信號調理、數據采集、對數據進行處理等環節，最終實現高精度的動態補償。