模块化低压智能无功补偿装置的开发与应用

刘 悦

（山东省冶金科学研究院，山东 济南250014）

1 前言

当前供配电网结构日趋复杂，感性负荷不断增加，电网对无功功率的需求也大幅度提高，造成局部电网无功功率严重不足，电压水平普遍较低，电能损耗严重。智能电网的兴起与发展，亟需进行大量的无功补偿以解决过补偿、补偿不足或不补偿等情况，同时需实现对三相不平衡或冲击性电网进行实时跟踪测算和投切。为有效降低输变电线路和变压器因输送无功功率造成的电能损耗，实现节能降损，保证电网电压运行平稳，提高供电的安全性、可靠性和经济性，模块化低压动态无功补偿装置的研发和应用受到各行业和领域的广泛关注。

2 模块化低压智能无功补偿装置

2.1 新装置构架

本模块化低压智能无功补偿装置的新型结构包括隔离开关熔断单元，三相补偿单元，单相补偿单元，智能控制灵敏单元和避雷单元，其中智能控制灵敏单元可统筹各单元间的同步协调工作，实时跟踪系统负荷运行工况变化，准确捕捉概率事件，灵敏响应功率波动，智能选择投切单元比例，及时跟进平滑微调。

该新型结构较现有无功补偿模块，其投切比例更为精确，投切实用频率更为协调，投切响应速度更迅速，通道设计散热更合理，单元组合构架灵活多样、更易更换、安装和检修，场所实用性更强。具体结构描述：三相补偿单元采用三相熔断器式隔离开关、三相无触点开关（由晶闸管并联组成）、三相电抗器、三相补偿电容器等元件组成，其中三相熔断器式隔离开关起隔离和短路保护的作用。单相补偿单元由单相熔断器式隔离开关、单相无触点开关、单相电抗器和单相补偿电容器等元件组成。无触点开关用以接收控制器输出信号，实现导通和关断。电抗器通过选择合适的电抗率，起到抑制谐波和涌流的作用。电容器用以补偿系统所需的无功功率。智能功率控制单元采样三相电源中的电流信号电压信号，实时跟踪运算，确定电容器的投切数量和投切顺序，捕捉系统瞬间过压和长时过压事件，通过预设过压保护门限值，按组切除或一次性切除所有已投入的电容，用以保护电容器。

2.2 系统工作原理

智能功率控制单元采集电网侧三相电压与三相电流信号，经过A/D转换后，送入CPU。CPU在一个工作周期内等间隔采集N个瞬间电压、电流数据后，依据瞬时无功功率理论和FFT，计算出电网电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、谐波等参数，以当前测得的无功功率的大小作为电力电容器投切的主要判据，兼以电压、谐波含量作为电力电容器投切的辅助判据；以电网每相所缺无功容量来确定该相投入的电容数量，经控制器输出端输出12 V直流信号，驱动相应的无触点开关导通。当出现过压、欠压或谐波超限值等情况时，无触点开关关断，电容器切除，停止运行。具体工作流程见图1。

图1 模块化低压智能无功补偿装置工作流程

根据电网所需补偿的无功功率的容量是连续变化的这一特点，传统采用固定容量循环投切的方式，使无功功率补偿容量通常是有限的几种等级，特别是在负荷较小时，容易产生投切震荡，这样既降低了电容器组及其相应投切开关的使用寿命，也无法达到相应的补偿效果。因此，引入比例投切（即采用电容器容量按比例搭配）的模式对于满足电网对无功功率时刻变化的需求愈发重要。

采用比例投切，使每个补偿模块间的补偿容量都有严格的比例关系，这种关系叫编码，有多种编码可供选择，最常用的编码投切关系有以下几种：

根据比例关系，当第1只补偿模块容量确定后，其余的补偿模块的容量即可确定，用户只需通过预置无功功率控制器参数，确定第1只补偿模块的容量和所采用的编码方式即可。

3 装置的实际应用

3.1 穿水冷却变压器系统用电存在的问题

济钢一小型轧钢厂穿水冷却变压器系统由1台1 600 kVA变压器专线供电，低压侧负载主要由收集区负荷和配电室内负荷组成。收集区负荷包括2台75 kW液压站，6台22 kW打包机，2台15 kW循环泵，1台55 kW液压成型机以及2台37 kW电机和10台11 kW电机；配电室内负荷包括1台220 kW冲渣泵，1#～4#160 kW供水泵，2台132 kW上塔泵，1个280 kW漩流池。

通过测试分析数据发现，该系统低压侧电压波形和电流波形有较严重的非正弦失真，存在多次特征谐波，以奇次谐波和高次谐波的占有率为主，其中，5、7、11、13、23、25、35、37、38、42、47、49次谐波电流含有率较高。谐波含量较高是由于系统中有变频存在，变频作为非线性负荷，在运行时产生大量谐波注入系统。多次特征谐波的高含有率引起电气设备（电机、变压器和电容器等）附加损耗和发热：使变压器温度升高、效率降低、绝缘加速老化、缩短使用寿命、甚至损坏，谐波电流使电动机增加铜损、谐波电压使其增加铁损，谐波的功率造成机械效率减小，功率因数下降，有效转矩减小。分析数据还发现，该系统功率因数较低，时段平均值为0.69，与国家标准及国家电网山东省省调要求相差较远，低于功率因数调整电费办法规定的平均功率因数值，导致较为严重的工业耗能（主要电气参数见图2～3）。因此，需要一种能够实时捕捉谐波源动向和敏感负荷波动的装置，以显著提升功率因数、有效滤除谐波、实现动态节能降耗。

图2 功率因数

图3 电压谐波含量

3.2 解决措施及应用效果

针对上述案例存在的用电问题，冶金研究院量身定制出在变压器低压侧加装100 A有源电力滤波装置及400 kvar模块化低压智能无功补偿装置的综合治理方案。

通过项目实施和现场维稳，系统50次以内各种特征谐波含有率显著降低，谐波电流总畸变率降低到2%，系统平均功率因数提升到0.95以上，明显提高了系统的供配电可靠性，改善了电源电压，消除了系统谐波对通信系统影响的隐患，有效减免了电气设备、元器件损毁的高额维修购置费用以及各项人工费用，每年节约的电费开支为32.31万元。

4 结语

模块化低压智能无功补偿装置已获得国家实用新型专利，在钢铁冶炼等行业的逐步应用中，有效提高了系统的功率因数，降低了高额电费开支，取得了明显的经济效益，显示了其清洁能源、节能降耗等立竿见影的功效，为未来智能电网的深层构建和各种新能源并网提供了绿色环境保证，尤其对产能过剩行业的持续发展提供了技术改造支持和降本支撑。