无功补偿装置在工厂供电系统中的应用

李欢

【摘 要】随着由电力电子器件组成的电气自动化控制系统的广泛应用和容量的不断增加，给供电网络和其他用电设备带来的电网污染和公害也日益显著。因此，在设计或构成一个大型的电气自动化控制系统时，必须考虑谐波治理、功率因数及无功功率补偿的问题。该文以TCR型SVC装置为例系统介绍了SVC的工作原理及其在煤矿供电系统中的选型设计方法，以供同行探讨。

【关键词】无功补偿；滤波装置；供电系统

0.前言

由于电力电子器件的非线性和波形非正弦的特点，由电力电子器件组成的电气自动化控制系统的电源侧电流不仅含有基波，还包含丰富的谐波，电控系统在整个运行期间功率因数偏低（一般在0.2～0.8之间），同时由于起动时无功冲击大，电网电压波动较大，电压波动问题更加突出。这些都会给电网的安全经济运行带来不利影响，同时也会对接入该供电网络中的其他用电设备带来一些不利影响甚至危害，下面就此问题笔者结合自身经验进行探讨。

1.目前国内无功补偿装置的应用情况

对于供电系统的无功补偿，传统上只用滤波装置实现。但对于负荷变化较频繁，尤其是煤矿供电系统，若仅装设谐波滤波装置，由于其无功补偿是恒定的，因此就造成了在母线负荷重的时候，无功功率的补偿不足，而在负荷轻的时候，无功又倒送回电网。使母线电压升高。我国目前对无功的考核采用“反转正计”的方法，即吸收无功和反送无功均累计无功电度，造成功率因数更低。

针对目前电力负荷特点，国内外对动态无功补偿技术都进行了研究，主要类型分为如下几种：

（1）静止型动态无功补偿装置（SVC）。该装置为晶闸管控制电抗器+滤波装置（TCR+FC）方式。其功能具有平滑调节无功补偿容量、系统响应速度快，并能综合治理谐波，普遍应用在煤矿系统、冶金行业、电力系统和电气化铁路等。

（2）分组投切电容器方式。真空接触器（或断路器）投切方式，投切时开关触头间会产生电弧，因电容回路的通断过程中会产生较高的操作过电压和冲击电流。触头间易产生电弧重燃，对开关及电容器安全运行产生较大的影响。

（3）磁阀式补偿方式。装置由补偿电容器和并联可调电抗器组成，通过高阻抗电抗器磁通的调节，使其与并联电容器中多余的容性无功容量平衡。这是自饱和电抗器补偿方式的一种变型产品，因其损耗大，运行成本高，调节速度慢，补偿范围有一定的限制，属于淘汰技术。

2.无功冲击对电网安全经济运行的影响

（1）使供电系统母线电压产生波动，降低了机电设备的运行效率。

（2）大量无功使系统功率因数较低，浪费大量电能。变流设备自然功率因数较低，一般只有0.7左右，造成供配电系统的电能损耗增加，发配电设备的利用率下降，企业的电费支出增加，影响企业经济效益。

（3）谐波电流对电气设备的危害。

变流设备产生的大量谐波电流和无功冲击会对用户本身及电网用电设备造成较严重的电压波动和谐波污染。这不仅带来运行隐患，威胁电网的安全稳定运行，还会给其他电气设备的运行带来不利影响。

3.煤矿用SVC装置的原理与应用

3.1可调相控电抗器（TCR）产生连续变化感性无功的基本原理

u为交流电压，Th1、Th2为2个反并联晶闸管，控制这两个晶闸管在一定范围内导通，则可控制电抗器流过的电流i和u的基本波形，故

a为Th1和Th2的触发角，则有

i的基波有效值为：

式中

V——相电压有效值；

ωL——电抗器的基波电抗。

因此，可以通过控制电抗器上串联的两只反并联晶闸管的触发角来控制电抗器吸收的无功功率的值。

3.2 SVC系统的组成及控制原理

TCR型SVC系统的基本组成如图1：

（1）恒无功控制，保证功率因数及抑制电压波动。SVC连接到系统中，电容器提供固定的容性无功功率QC，通过相控电抗器的电流决定了从相控电抗器输出的感性无功值QTCR，感性无功与容性无功相抵消，只要QN（系统）=QV（负载）-QC+QTCR=恒定值（或0），功率因数就能保持恒定，电压几乎不波动。最重要的是精确控制晶闸管触发，获得所需的电抗器电流。采集的进线电流及母线电压经运算后得出要补偿的无功功率，计算机发出触发脉冲，光纤传输至脉冲放大单元，经放大后触发晶闸管，得到所补偿的无功功率。

（2）采用STEINMETZ理论进行分相调节，抑制负序电流。不平衡有功可通过在其它两相的无功元件来产生平衡电流。当不平衡负荷中每相间负荷既有有功Pab、Pbc、Pca，又有无功Qab、Qbc、Qca时，相间无功可用角接补偿电纳来补偿，不平衡有功可以用另外两个相间电纳来平衡。

4.结语

经过各类方案的综合比选，适合工厂供电系统的无功补偿方案可选择技术先进的静止型动态无功补偿装置（SVC），即晶闸管控制电抗器（TCR+FC）方案。近年来，随着国内需求的高涨，在国家的大力支持下，国内TCR型动补已逐步实现了国产化，极大地降低了TCR型动补的生产成本；同时，热管自冷技术已经成功地应用于大功率晶闸管的散热中，实现了动补的免维护运行，提高了系统可靠性。

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