低压连续无功补偿装置应用研究

宋　斌

(武汉钢铁建工集团有限责任公司　湖北　武汉：430080)



低压连续无功补偿装置应用研究

宋斌

(武汉钢铁建工集团有限责任公司湖北武汉：430080)

摘要企业用电设备的不断增加，大量无功负载给企业电压产生了较大的影响，低功率因数问题较为突出，电能质量不高，给企业造成了经济损失。而无功补偿装置在供电系统中的作用是提高电网的功率因数，降低供电变压器及输送线路的损耗，提高供电效率，改善供电环境，因此如何合理的选择补偿装置，减少线路损耗，提高电网质量，对企业来说非常关键。本文设计了一套混合式连续的无功补偿装置，通过一个可调电压源和电容器组串联并入电网，另外两组采用的固定电容器组直接投切的方式，实现在380V低压电网上产生连续的无功。该无功补偿装置在实际中进行了应用，功率因数达到0.95以上，现场采集的数据均满足设计要求。

关键词无功补偿；连续；可调电压源

随着企业用电设备地不断增加，电网受非线性负荷的低功率因素问题越来越严重,严重影响了电能质量,因此，无功补偿装置的应用越来越受到用电企业的重视。我国目前提高功率因数的技术方案的主要形式仍普遍采用并联投切电容器和晶闸管控制电抗器与固定电容(TCR+FC)的组合。但用投切电容的方式进行无功补偿时，由于电容的投切是分级进行的，故产生的补偿电流也是阶跃的，常常不过补就欠补，无法使电网的无功功率得到恰当的补偿。另外，其工作寿命短，响应速度慢，且投切过程还产生冲击电流和过电压。因此，本文设计了一种既可连续补偿无功又可抑制谐波的装置,满足电网连续无功补偿要求。

1连续无功补偿装置的基本原理

本文提出一种可调的能够实现连续无功补偿的方法，如图1所示，Uw为电网电压，Uv可调电压源的频率和相位与电网电压相同。把单一的固定电容器C与一可变电压源Uv串联后接入电网，通过改变电压源的大小来连续补偿电流的大小，实现无功补偿的效果。当可调电压源的电压小于电网电压时，系统向电网输入感性无功，这一无功补偿方案既可连续产生感性无功又可产生容性无功，且不产生电网的谐波[1]。

图1　连续无功补偿原理图

2无功补偿装置的设计应用

在某铁厂Ⅱ段母线所需补偿的无功为180kvar左右，现用一可调电压源串接一能产生60kvar的无功的电容并入电网，另外有两路60kvar的电容投入，从而实现0-180kvar的连续可调的容性无功。根据本方案，最大无功将由n=3级实现，每级提供最大无功值为Q/n=180/3=60kvar，如果使第一级提供的无功为0-60kvar连续可调，而其他n-1=2级为固定值Q/n=60kvar，则通过第一级的连续调节以及对其它级的分级投切便可实现无功0-180kvar的连续调节。系统的原理图如图2所示，在三相电网中，180kvar的无功补偿主要均分成三个电容器组，每组产生的无功为60kvar，其中两组是通过接触器、电抗器直接接入电网，而另一组主要是为了能够产生连续可调的无功，在此两个电容器组是通过Δ的接法并联三相电网的。

在整个装置中，接触器的作用是限流和控制每组电容器组的投切，实现开关的作用。电抗器的作用是限流。而可调的电容器组主要的部分是可调电压源的设计，在可调电压源部分，电容器采用的是Y形接法。通过图2，我们将得到一个连续的电网无功补偿装置。从而实现用户的要求。可调电压源通过伺服电机的控制来实现电压的可调，从而实现无功功率[2]。

图2　无功补偿装置系统原理图

2.1电容的投切技术

国内电容器组的投切技术主要是投切开关或者采用交流接触器、采用固态继电器或者采用晶闸管。投切开关或者采用交流接触器在开关闭合时会产生很大的冲击电流，采用固态继电器或者采用晶闸管投切在大功率场合，设备本身功耗大，发热严重和价格昂贵。本系统采用一种专用电容切换的接触器，该接触器有二组接点，第一组限流，先闭合延时后在闭合第二组接点，如图3所示，具有限流与本身功耗低的优点，且价格适中。为防止可能出现的谐波电流放大现象，在主回路还增加了限流电抗器[3]。

图3　三相电容器投切原理

2.2可调电压源的系统构成

可调电压源以单向为例，电路如图4所示：

图4　可调电压源电路

该电路是将电网电压V0通过整流电路(D1、D2、D3、D4)将正弦波整流为正半轴半波信号，通过IGBT(Z1)的高速通断来对该半波信号进行斩波，调节其电压幅值的变化，来实现电压的可调。将Z1的输出信号经过电感L1和电容器对信号进行滤波得到一个稳定的波形，在通过IGBT(Z2、Z3)的通断控制来将信号逆变为所需要的交流信号。当电网的电压在正半周时，信号经过二极管D1、IGBT(Z1)、电感L1、IGBT(Z2)在经过T1的3和2端最后流经二极管D4流回电网，从而在输出端4和6产生一个正半波；在电网电压的负半周时，信号经过二极管D2、IGBT(Z1)、电感L1、IGBT(Z3)在经过T1的1和2端最后流经二极管D3流回电网，从而在输出端4和6产生一个负半周。最终，获得了所需求的可调的交流电压源电压[4]。

2.3电容器组投切的控制器

控制器是以专用芯片为核心组成的连续无功功率补偿智能化控制器，集成度高，抗干扰能力强，在硬件和软件上对采样信号进行抗干扰与滤波措施，运行稳定可靠，补偿完全，操作简单。电容器的投切是通过控制接触器的开与关来实现的，该控制器是采取自动和手动两种控制方式。具体可以通过设定功率因数、投切时间、过压门限来控制。

(1)功率因数门限

设定范围为cosφ=0.80～0.99。该设定值为电容器组自动投切的主要依据。

(2)投切延时

设定范围为d=5～99秒。在自动的方式，当测到无功功率超限，如果超限连续时间超过d秒，则自动选择合适的电容器组投入或切出；如果在d秒内恢复正常，则电容器组不投入或切出。当一电容器组切入或切出后，在延时时间内，禁止新的电容器组的投入或切出，以免电网在短时间内变动太大。

(3)过压门限

设定范围400-440V(对本系统电网线电压为380V而言的)。当电网电压超过设定门限时，控制器在60秒内以适当延时依次自动切除全部电容器组；若电网电压恢复正常，则停止切除。

当功率因数低于0.8时，先将一组电容器组投入，一段延时时间，如能满足功率因数要求，则停止投入第二组电容器，如不能满足要求继续投切第二组电容器，如功率因数还不能满足要求，则通过调节可调电压源来调节，直到功率因数达到需求值。如果因负载等影响，当电网过补时，则必须切出一组电容器，如果切出后还超过功率因数需求值，则在继续切出下一组电容器。如此反复，根据负载功率因数的要求控制电容器组的投入和切出。

2.4元器件参数设计和选择

2.4.1电容器的设计和选择

C1、C2、C3是用来给电网提供无功的电容器。其中C1和C2采用的是Δ的接法，而C3用的是Y形接法。

电容的无功功率Q为：

(1)

(2)

所以由(1)和(2)可得：

(3)

2.4.1.1电容器C1和C2的计算

本文中在炼铁厂中需要供给的是180kvar的无功，我们现将其分为三组电容器每组的电容器产生的无功为60kvar，所以每个电容器组根据(3)式计算得：

(4)

其中f=50Hz，π取3.14，由于电网的电压为380V，所以电容器的耐压值选400V，所以每组的电容器的容量为:

所以电容的容量选择C1=C2=1194μF

电容支路电流为：

该电容的参数要求：

额定电压为：400V

额定输出为：20kvar

额定电流为：29A

总容量为：1194μF

频率：50Hz

接线方式：Δ的接法

根据上述参数，电容所选的型号是：BSMJK0.4-60-3。

2.4.1.2电容器C3的计算

由于该电路是单相电压，所以电容器的耐压值为250V，额定输出的无功为20kvar。所以电容器的容量为：

电流支路的电流为：

所以C2电容器的参数为：

额定电压：250V

额定输出：20kvar

额定电流：80A

总容量：1020μF

频率：50Hz

接线方式：单相

根据上述参数电容所选的型号是：BSMJ0.4-20-1。该装置需要3个该型号的电容器。

2.4.2接触器的参数选择

图2中，CJ1、CJ2、CJ3是用来控制电容器组投切的接触器，这些接触器的主要作用是：当电网需要增加容性无功时，接触器开关接通使电容器发出无功，当电网的无功为容性时，也就是过补时，接触器的开关断开使电容器不工作。

接触器的额定电压为400V,f=50Hz,所以接触器的选型为:CJ19C(16C)-63/3个。

2.4.3限流电抗器的参数选择

L1、L2是电抗器它的主要作用是对该条支路进行限流。

额定电压为:400V

频率为:50Hz

额定电流为:40A

所以电抗器的选型为:XD1-15/2个。

3结论

本文主要介绍了一种低压连续的无功补偿装置，通过参数计算和元器件选型，该无功补偿装置在实际应用中获得了良好的效果，主要有以下几个方面效益：

(1)功率因数达0.95，符合国家电力对企业无功的要求；

(2)提高了电网的质量；

(3)降低了线路损耗，节约了电能；

(4)保证了电网的稳定性，提高了生产效率。

参考文献

[1]王兆安，杨君，刘进军，等.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京：机械工业出版社，2006.

[2]林渭勋.现代电力电子电路[M].杭州:浙江大学出版社，2002.

[3]孟樱，张爱雪，孙四洲.基于DSP的新型无功连续补偿和谐波抑制装置[J].电气开关，2010，(3)：24-26.

[4]徐德鸿，沈旭，杨成林.开关电源设计[M].北京:机械工业出版社，2004.

(责任编辑：李文英)

Application of Low-voltage Reactive Power Compensation Device

Song Bin

(Construction Group of WISCO, Wuhan 430080, Hubei)

Abstract:Along with the increasing number of electricity-consuming equipment, enterprises power voltage is facing great challenge. Enterprises suffer from loss caused by low voltage and poor power quality. Reactive power compensation device improves the power factor of the grid, cuts down loss in power supply transformer and power lines. It also improves power supply condition. The paper designs a low-cost yet highly practical continuous mixing reactive power compensation system which improves system power utility. The device contains a group of capacitor lined with an adjustable voltage source and two sets of capacitor groups. The system has been used in practice. When power factor is above 0.95, the collected data meet the design requirements.

Key words:reactive power compensation; continuous; variable voltage source

收稿日期：2016-05-20

作者简介：宋斌(1982～)，男，硕士，电气工程师.E-mail：1054984306@qq.com

中图分类号：TM714.3

文献标识码：A

文章编号：1671-3524(2016)02-0005-04