安科瑞智慧型動態無功補償的工業應用

—— 以江蘇某陶瓷生產企業配電房改造為例

安科瑞電氣股份有限公司   王蘭

摘 要：低壓配電系統的無功補償是電能質量治理的重要環節。在傳統無功補償中，響應速度較慢，補償電流呈階梯式，存在過補或欠補的現象，有時未必能到達理想的效果。為了解決這一問題，人們提出了一種無功補償綜合控制方法，通過采集電力系統中的電壓、電流及功率，實時協調控制LC（電容電抗）和SVG（靜止無功發生器）模塊進行混合補償，又稱智慧型動態無功補償，可以實現補償電流的連續輸出。將此方案應用于工程實際中，結果表明該方案可以有效地改善供電質量、提高系統功率因數。

關鍵詞：電能質量；無功補償綜合控制；LC；靜止無功發生器；智慧型動態無功補償

0 引言

隨著現代社會經濟和文化的不斷發展，陶瓷生產行業的整體用電量激增，但同時也帶來了一系列的電能質量問題，陶瓷生產企業的主要負荷有滾壓成型機、球磨機等，例如球磨機采用變頻驅動。由于原材料體積不規則，球磨機運行沖擊電流較大，同時產生3、5、7次等諧波，導致傳統無功補償響應跟不上、電容器損壞較多、功率因數較低，影響了電力系統的穩定，

1 無功補償概述

在交流電力系統中，絕大多數負載都是感性負載，如變壓器、電動機、壓縮機、空調等，其等效電路可看作電阻R和電感L的串聯電路，如下圖4所示。

圖4-供電系統等效電路 圖5-功率因數得到提高

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，則系統的功率因數得到了提升。當容性負荷釋放能量時，感性負荷吸收能量；而感性負荷釋放能量時，容性負荷吸收能量，能量在兩種負荷之間交換，如圖6所示。這樣，感性負荷所吸收的無功功率可從容性負荷輸出的無功功率中得到補償，不僅可以提高功率因數和系統電壓，還能有效地減少系統電能損耗。

圖6-容性負荷和感性負荷的能量交換

從無功相位角度進行分析，純阻性負載的電壓和電流同相位，感性負載的電壓超前電流，容性負載的電壓滯后電流，如圖7所示。

圖7-無功的相位分析

2 無功補償的形式

2.1 LC無功補償

LC無功補償屬于傳統的電容補償，工作時并聯在電力系統中，根據電網中負載功率因數的變化，控制電力電容器投切進行無功補償。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（復合開關、晶閘管開關等）對各組電力電容器進行投切。如圖8所示。

圖8-LC無功補償的工作原理

2.2 SVG無功補償

SVG屬于有源型無功補償設備，它將三相橋式電路通過電抗器并聯到電網，根據系統的無功功率，通過IGBT功率變換器輸出滿足要求的容性或感性基波電流，從而實現動態無功補償，不會出現過補或欠補現象，且補償平滑，不會產生對負載和電網的涌流沖擊。其原理如圖9所示。

圖9-SVG無功補償的工作原理

2.3 智慧型動態無功補償

LC補償在負荷變化較快或存在沖擊負荷的場合無法做到快速響應，易出現過補或欠補，其次LC補償裝置中的并聯電容器對諧波電流具有放大作用，容易引起系統諧振，但在成本上較為經濟。SVG可對感性和容性無功進行連續快速補償，避免過補和欠補的發生，且不會與系統或負載設備產生諧振，適用于負載快速變化的場合，但其成本也相對較高。

鑒于上述兩種補償方式的優缺點，人們通過研究設計出來一種用于無功補償的新型電力電子裝置——智慧型動態無功補償裝置。它采用了一種無功補償綜合控制方法，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、準確補償的特性來彌補LC模塊響應速度慢、分級補償的缺點，相對于全SVG補償又降低了成本。其補償原理如圖10所示，檢測補償對象的電壓和電流，經指令電流運算電路計算得出補償電流的指令信號，該信號經補償電流發生電路放大，得出補償電流，然后通過控制器控制SVG模塊先行投入補償，隨后投入LC模塊，調節SVG模塊輸出電流以滿足無功需求，使功率因數達到設定值。

圖10-智慧型動態無功補償的工作原理

LC補償（電容補償）和LC+SVG補償（智慧型無功補償）的補償曲線對比如圖11、圖12所示。

圖11-電容補償 圖12-智慧型無功補償

3 智慧型無功補償的工業應用案例

江蘇某陶瓷生產企業的主要負荷為球磨機，在運行時的電流沖擊很大，現場諧波以3、5、7次為主，影響了電力系統的穩定，導致補償電容器損壞較多、系統功率因數較低。現場配電房的變壓器容量為1600kVA，原電容柜裝機容量300kvar。智慧型無功補償方案應用前后的電能質量數據如圖14、圖15所示。

圖14-智慧型無功補償應用前的電能質量數據

圖15-智慧型無功補償應用后的電能質量數據

根據現場工況，我們采用安科瑞LC+SVG綜合控制的智慧型無功補償方案，由前期測量數據估算所需整柜容量為500kvar（兩臺250kvar，主輔柜），另外考慮現場諧波以3、5、7次為主，LC電容補償采用電抗率14%的電抗器與補償電容進行串聯匹配，更能有效的抑制諧波和保護電容器。通過控制器協調ANSVG-S-G 100kvar模塊與電容器同時進行無功輸出，對比治理前后的數據，功率因數由0.87提升到0.98，因為SVG在無功補償的同時也能治理部分諧波，所以B相的電流畸變率由原來的23.28%降低到9.06%，達到了明顯的治理效果。表1為單臺裝機容量250kvar智慧型動態無功補償裝置主要設備元件的配置方案。

表1-單臺250kvar智慧型動態無功補償裝置主要設備元件配置方案

4 結束語

本文對安科瑞智慧型動態無功補償方案進行了簡述，該方案融合了LC補償和SVG補償的優勢，實時協調控制電容器和SVG補償模塊進行混合無功補償，確保了無功補償的快速性、連續性和準確性，同時方案成本也能被大多數企業所接受。通過工程實際案例的應用，對比方案前后的治理效果，提高了系統功率因數，同時也治理了諧波，改善了企業的用電環境，降低了企業電能質量治理投入的大成本，有利于企業的經營和生產，為企業創造了價值。

參考文獻

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[4] 安科瑞企業微電網設計與應用手冊2022.05版

[5] 王兆安.諧波抑制和無功補償.機械工業出版社

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