安科瑞智慧型動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)墓I(yè)應(yīng)用
—— 以江蘇某陶瓷生產(chǎn)企業(yè)配電房改造為例
安科瑞電氣股份有限公司 袁亮亮，黃春光 2023.10.30
摘 要：低壓配電系統(tǒng)的無功補(bǔ)償是電能質(zhì)量治理的重要環(huán)節(jié)。在傳統(tǒng)無功補(bǔ)償中，響
應(yīng)速度較慢，補(bǔ)償電流呈階梯式，存在過補(bǔ)或欠補(bǔ)的現(xiàn)象，有時未必能到達(dá)理
想的效果。為了解決這一問題，人們提出了一種無功補(bǔ)償綜合控制方法，通過
采集電力系統(tǒng)中的電壓、電流及功率，實時協(xié)調(diào)控制LC（電容電抗）和SVG（靜
止無功發(fā)生器）模塊進(jìn)行混合補(bǔ)償，又稱智慧型動態(tài)無功補(bǔ)償，可以實現(xiàn)補(bǔ)償
電流的連續(xù)輸出。將此方案應(yīng)用于工程實際中，結(jié)果表明該方案可以有效地改
善供電質(zhì)量、提高系統(tǒng)功率因數(shù)。
關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量；無功補(bǔ)償綜合控制；LC；靜止無功發(fā)生器；智慧型動態(tài)無功補(bǔ)償
隨著現(xiàn)代社會經(jīng)濟(jì)和文化的不斷發(fā)展，陶瓷生產(chǎn)行業(yè)的整體用電量激增，但同時也帶來了一系列的電能質(zhì)量問題，陶瓷生產(chǎn)企業(yè)的主要負(fù)荷有滾壓成型機(jī)、球磨機(jī)等，例如球磨機(jī)采用變頻驅(qū)動。由于原材料體積不規(guī)則，球磨機(jī)運行沖擊電流較大，同時產(chǎn)生3、5、7次等諧波，導(dǎo)致傳統(tǒng)無功補(bǔ)償響應(yīng)跟不上、電容器損壞較多、功率因數(shù)較低，影響了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定，
在交流電力系統(tǒng)中，絕大多數(shù)負(fù)載都是感性負(fù)載，如變壓器、電動機(jī)、壓縮機(jī)、空調(diào)等，其等效電路可看作電阻R和電感L的串聯(lián)電路，如下圖4所示。
圖4-供電系統(tǒng)等效電路 圖5-功率因數(shù)得到提高
由圖5的相量圖可知，沒有投入電容C時，電壓U和電流I的相位角為φ1，投入電容C后，電壓U和電流I的相位角為φ2，電壓電流的相位角減小了，則系統(tǒng)的功率因數(shù)得到了提升。當(dāng)容性負(fù)荷釋放能量時，感性負(fù)荷吸收能量；而感性負(fù)荷釋放能量時，容性負(fù)荷吸收能量，能量在兩種負(fù)荷之間交換，如圖6所示。這樣，感性負(fù)荷所吸收的無功功率可從容性負(fù)荷輸出的無功功率中得到補(bǔ)償，不僅可以提高功率因數(shù)和系統(tǒng)電壓，還能有效地減少系統(tǒng)電能損耗。
圖6-容性負(fù)荷和感性負(fù)荷的能量交換
從無功相位角度進(jìn)行分析，純阻性負(fù)載的電壓和電流同相位，感性負(fù)載的電壓超前電流，容性負(fù)載的電壓滯后電流，如圖7所示。
圖7-無功的相位分析
LC無功補(bǔ)償屬于傳統(tǒng)的電容補(bǔ)償，工作時并聯(lián)在電力系統(tǒng)中，根據(jù)電網(wǎng)中負(fù)載功率因數(shù)的變化，控制電力電容器投切進(jìn)行無功補(bǔ)償。其原理為：通過CT采集電壓、電流信號，再由控制器計算出投切方案，控制投切開關(guān)（復(fù)合開關(guān)、晶閘管開關(guān)等）對各組電力電容器進(jìn)行投切。如圖8所示。
圖8-LC無功補(bǔ)償?shù)墓ぷ髟?/strong>
SVG屬于有源型無功補(bǔ)償設(shè)備，它將三相橋式電路通過電抗器并聯(lián)到電網(wǎng)，根據(jù)系統(tǒng)的無功功率，通過IGBT功率變換器輸出滿足要求的容性或感性基波電流，從而實現(xiàn)動態(tài)無功補(bǔ)償，不會出現(xiàn)過補(bǔ)或欠補(bǔ)現(xiàn)象，且補(bǔ)償平滑，不會產(chǎn)生對負(fù)載和電網(wǎng)的涌流沖擊。其原理如圖9所示。
圖9-SVG無功補(bǔ)償?shù)墓ぷ髟?/strong>
LC補(bǔ)償在負(fù)荷變化較快或存在沖擊負(fù)荷的場合無法做到快速響應(yīng)，易出現(xiàn)過補(bǔ)或欠補(bǔ)，其次LC補(bǔ)償裝置中的并聯(lián)電容器對諧波電流具有放大作用，容易引起系統(tǒng)諧振，但在成本上較為經(jīng)濟(jì)。SVG可對感性和容性無功進(jìn)行連續(xù)快速補(bǔ)償，避免過補(bǔ)和欠補(bǔ)的發(fā)生，且不會與系統(tǒng)或負(fù)載設(shè)備產(chǎn)生諧振，適用于負(fù)載快速變化的場合，但其成本也相對較高。
鑒于上述兩種補(bǔ)償方式的優(yōu)缺點，人們通過研究設(shè)計出來一種用于無功補(bǔ)償?shù)男滦碗娏﹄娮友b置——智慧型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置。它采用了一種無功補(bǔ)償綜合控制方法，加入控制器來控制SVG模塊和LC模塊投切，用SVG模塊的快速響應(yīng)、準(zhǔn)確補(bǔ)償?shù)奶匦詠韽浹a(bǔ)LC模塊響應(yīng)速度慢、分級補(bǔ)償?shù)娜秉c，相對于全SVG補(bǔ)償又降低了成本。其補(bǔ)償原理如圖10所示，檢測補(bǔ)償對象的電壓和電流，經(jīng)指令電流運算電路計算得出補(bǔ)償電流的指令信號，該信號經(jīng)補(bǔ)償電流發(fā)生電路放大，得出補(bǔ)償電流，然后通過控制器控制SVG模塊先行投入補(bǔ)償，隨后投入LC模塊，調(diào)節(jié)SVG模塊輸出電流以滿足無功需求，使功率因數(shù)達(dá)到設(shè)定值。
圖10-智慧型動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)墓ぷ髟?/strong>
LC補(bǔ)償（電容補(bǔ)償）和LC+SVG補(bǔ)償（智慧型無功補(bǔ)償）的補(bǔ)償曲線對比如圖11、圖12所示。
圖11-電容補(bǔ)償 圖12-智慧型無功補(bǔ)償
江蘇某陶瓷生產(chǎn)企業(yè)的主要負(fù)荷為球磨機(jī)，在運行時的電流沖擊很大，現(xiàn)場諧波以3、5、7次為主，影響了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定，導(dǎo)致補(bǔ)償電容器損壞較多、系統(tǒng)功率因數(shù)較低。現(xiàn)場配電房的變壓器容量為1600kVA，原電容柜裝機(jī)容量300kvar。智慧型無功補(bǔ)償方案應(yīng)用前后的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)如圖14、圖15所示。
圖14-智慧型無功補(bǔ)償應(yīng)用前的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)
圖15-智慧型無功補(bǔ)償應(yīng)用后的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)
根據(jù)現(xiàn)場工況，我們采用安科瑞LC+SVG綜合控制的智慧型無功補(bǔ)償方案，由前期測量數(shù)據(jù)估算所需整柜容量為500kvar（兩臺250kvar，主輔柜），另外考慮現(xiàn)場諧波以3、5、7次為主，LC電容補(bǔ)償采用電抗率14%的電抗器與補(bǔ)償電容進(jìn)行串聯(lián)匹配，更能有效的抑制諧波和保護(hù)電容器。通過控制器協(xié)調(diào)ANSVG-S-G 100kvar模塊與電容器同時進(jìn)行無功輸出，對比治理前后的數(shù)據(jù)，功率因數(shù)由0.87提升到0.98，因為SVG在無功補(bǔ)償?shù)耐瑫r也能治理部分諧波，所以B相的電流畸變率由原來的23.28%降低到9.06%，達(dá)到了明顯的治理效果。表1為單臺裝機(jī)容量250kvar智慧型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置主要設(shè)備元件的配置方案。
表1-單臺250kvar智慧型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置主要設(shè)備元件配置方案
|
序號 |
設(shè)備元件名稱 |
規(guī)格型號 |
數(shù)量 |
單位 |
|
1 |
綜合補(bǔ)償控制器（含觸摸屏） |
SVGC-CON-T |
1 |
套 |
|
2 |
SVG |
ANSVG-S-G 100kvar |
1 |
臺 |
|
3 |
電容器 |
ANBSMJ-0.525-30-3 |
5 |
臺 |
|
4 |
電抗器 |
ANCKSG-0.525-4.2-14 |
5 |
臺 |
|
5 |
晶閘管開關(guān) |
AFK-TSC-3D/30-2 |
5 |
個 |
|
注：此表為主柜主要設(shè)備元件，主、輔柜共用一個綜合補(bǔ)償控制器，輔柜其它元件同主柜。 |
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本文對安科瑞智慧型動態(tài)無功補(bǔ)償方案進(jìn)行了簡述，該方案融合了LC補(bǔ)償和SVG補(bǔ)償?shù)膬?yōu)勢，實時協(xié)調(diào)控制電容器和SVG補(bǔ)償模塊進(jìn)行混合無功補(bǔ)償，確保了無功補(bǔ)償?shù)目焖傩浴⑦B續(xù)性和準(zhǔn)確性，同時方案成本也能被大多數(shù)企業(yè)所接受。通過工程實際案例的應(yīng)用，對比方案前后的治理效果，提高了系統(tǒng)功率因數(shù)，同時也治理了諧波，改善了企業(yè)的用電環(huán)境，降低了企業(yè)電能質(zhì)量治理投入的大成本，有利于企業(yè)的經(jīng)營和生產(chǎn)，為企業(yè)創(chuàng)造了價值。
[1] GB 50227—2017 并聯(lián)電容器裝置設(shè)計規(guī)范
[2] GB／T 15576-2020 低壓成套無功功率補(bǔ)償裝置
[3] DL／T 1216-2019 低壓靜止無功發(fā)生裝置技術(shù)規(guī)范
[4] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊2022.05版
[5] 王兆安.諧波抑制和無功補(bǔ)償.機(jī)械工業(yè)出版社
[6] 黃春光.一種低壓配電系統(tǒng)無功補(bǔ)償綜合控制方法.電氣技術(shù)-第7期
