自动无功补偿技术在船舶交流电网中的应用与实践

2015-08-28林明

机电信息 2015年33期

林明

（舟山三峰电气设备有限公司，浙江舟山316000）

0 引言

在船舶交流电力系统中，电网的大多数负载设备都是感性的，这些设备的运行会使功率因数变小，无功功率变大，从而增加电网的无功损耗，也会造成电网电压下降，导致船舶电网供电效率和质量明显下降。因此，船舶电力系统供电时应保证电网功率因数较大，比如在0.8以上。而在船舶实际负载工作的状态下，无功功率又是无法避免的，所以在电网中用无功补偿方式来提高电能质量十分有必要。

在感性负载中无功功率补偿原理即容性负载装置与感性功率负荷并联在同一电路中，使容性负荷和感性负荷相互转化吸收、释放电能，最终保持船舶电网功率因数的平稳。最简单的方式是功率因数测量法，即运用接触器—继电器电路接通或断开分组电容器补偿装置，这种装置快速性不够，不能满足船舶高自动化性能的要求。目前常用的无功补偿装置包括同步调相器、静止补偿器、分组电容器等，其中静止补偿器由于性能优异、补偿反应迅速，深得用户青睐。

1 静止无功补偿装置结构

静止无功补偿装置实际上就是在直接并接电容器的基础上衍生出来的，为限制无功功率，提高功率因数，最直观的方法就是在电网中安装并联电力电容器，其结构简单、性能可靠，在陆用或船舶电网中应用较为广泛。目前电容无功补偿投切开关方式有普通接触器、带预投电阻的专用接触器、可控硅和大功率固态继电器4种形式。实际经验表明，继电器与可控硅各有优势，能解决快速性的问题。静止无功补偿装置是运用DSP技术的灵敏性，通过继电器与可控硅并联连接的方式控制电容器的投切，装置主电路如图1所示，主要由磁保持继电器KC、过零继电器KW1～KW3、电力电容器CC及单片机控制单元等组成。静止无功补偿装置根据单片机DSP采集信号得出功率因数和有功功率，来算出补偿的无功分量，并进行分组逐级投切，完成有效、及时的无功补偿。

图1 静止无功补偿装置组成原理图

2 自动无功补偿原理

由图1可知，当补偿装置得到单片机DSP的K1投合信号时，KW1～KW3固态继电器进行过零检测，当电路波形过零点时，输出信号触发可控硅导通，然后磁保持继电器KC按逻辑控制闭合实现电容器的正确投合，完成投合后，电流通过磁保持继电器KC触点，实现零功耗；当装置没有接收到投合信号时，断开继电器KC，然后停止发出脉冲，使KW1～KW3固态继电器过零切除。可见，采用可控硅与磁保持继电器并联工作的方法，既能有效抑制涌流，使对电网和电容器的冲击大幅减小，不产生谐波影响，又能有效延长电容器和开关的寿命。

3 船舶电网补偿方式

船舶电网和陆地电网有诸多不同，实践中，船舶电网无功补偿方式有很多种，这里根据实际经验总结几种比较典型的补偿方式，即末端补偿、集中补偿和源端补偿。

3.1 末端补偿

末端补偿方式就是在设备终端提供无功补偿，有很多船舶设备，尤其是大容量、大负载设备，它们在负荷运行和空载运行时功率因数会有很大差别，也就是说无功输出会随着负荷变化而发生明显变化。这样，为能及时吸收无功功率，避免给电网或其他设备造成影响，可采用就地补偿方式，即在这种大负载设备旁边就地并联无功补偿装置，及时吸收无功（图2）。

图2 末端补偿法

3.2 集中补偿

在船舶电网中，提供电源的发电机组比较多，在容量都比较小且电网中大负载很少的情况下，由于造成无功功率的终端无法判断，所以将整个电网都视为无功生成所，此时可在主配电板的汇流排处并接相应容量的无功补偿装置，以整体吸收无功，提高电网功率因数（图3）。

3.3 源端补偿

源端补偿即在电网电源端发电机输出端补偿，此种方法针对的是发电机组台数不多或发电机组额定容量差异较大的船舶电网，电网无功功率增大也会使发电机输出的无功增大，在发电端吸收无功功率也能稳定功率因数，提升电能质量（图4）。

图3 集中补偿法

图4 源端补偿法

4 发展趋势

当前，随着船舶自动化技术及无人化机舱的不断发展，船舶电力系统的无功补偿技术也有了相应发展。

（1）新型传感检测技术和集中信号处理技术的应用，使得在电网电压不均或畸变情况下，瞬时无功功率检测方法能将基波正序瞬时无功电流和不对称及高次谐波瞬时无功功率电流进行准确分离，并有选择性地及时进行功率补偿。（2）随着计算机控制技术的飞速发展，先进的控制理论、控制方法和控制器件将在无功补偿装置中得到推广应用。（3）电力电子器件性能提高。电力电子器件的性能直接影响无功补偿装置效果，应从材料、工艺、技术等方面入手提高电力电子器件性能，从而为无功补偿技术带来质的飞跃。（4）船舶电网无功补偿专门化技术应用。由于船舶电力系统总体容量较小、负载类型较少，其无功主要靠发电设备自身进行小幅度调整，而目前的补偿设备一般为陆船通用，不能达到船舶预期效果，对于适应船舶电力系统的专门化无功补偿技术进行研究势在必行。