自動無功補償技術在船舶交流電網中的應用與實踐

林 明

（舟山三峰電氣設備有限公司，浙江 舟山316000）

0 引言

在船舶交流電力系統中，電網的大多數負載設備都是感性的，這些設備的運行會使功率因數變小，無功功率變大，從而增加電網的無功損耗，也會造成電網電壓下降，導致船舶電網供電效率和質量明顯下降。因此，船舶電力系統供電時應保證電網功率因數較大，比如在0.8以上。而在船舶實際負載工作的狀態下，無功功率又是無法避免的，所以在電網中用無功補償方式來提高電能質量十分有必要。

在感性負載中無功功率補償原理即容性負載裝置與感性功率負荷并聯在同一電路中，使容性負荷和感性負荷相互轉化吸收、釋放電能，最終保持船舶電網功率因數的平穩。最簡單的方式是功率因數測量法，即運用接觸器—繼電器電路接通或斷開分組電容器補償裝置，這種裝置快速性不夠，不能滿足船舶高自動化性能的要求。目前常用的無功補償裝置包括同步調相器、靜止補償器、分組電容器等，其中靜止補償器由于性能優異、補償反應迅速，深得用戶青睞。

1 靜止無功補償裝置結構

靜止無功補償裝置實際上就是在直接并接電容器的基礎上衍生出來的，為限制無功功率，提高功率因數，最直觀的方法就是在電網中安裝并聯電力電容器，其結構簡單、性能可靠，在陸用或船舶電網中應用較為廣泛。目前電容無功補償投切開關方式有普通接觸器、帶預投電阻的專用接觸器、可控硅和大功率固態繼電器4種形式。實際經驗表明，繼電器與可控硅各有優勢，能解決快速性的問題。靜止無功補償裝置是運用DSP技術的靈敏性，通過繼電器與可控硅并聯連接的方式控制電容器的投切，裝置主電路如圖1所示，主要由磁保持繼電器KC、過零繼電器KW1～KW3、電力電容器CC及單片機控制單元等組成。靜止無功補償裝置根據單片機DSP采集信號得出功率因數和有功功率，來算出補償的無功分量，并進行分組逐級投切，完成有效、及時的無功補償。

圖1 靜止無功補償裝置組成原理圖

2 自動無功補償原理

由圖1可知，當補償裝置得到單片機DSP的K1投合信號時，KW1～KW3固態繼電器進行過零檢測，當電路波形過零點時，輸出信號觸發可控硅導通，然后磁保持繼電器KC按邏輯控制閉合實現電容器的正確投合，完成投合后，電流通過磁保持繼電器KC觸點，實現零功耗；當裝置沒有接收到投合信號時，斷開繼電器KC，然后停止發出脈沖，使KW1～KW3固態繼電器過零切除。可見，采用可控硅與磁保持繼電器并聯工作的方法，既能有效抑制涌流，使對電網和電容器的沖擊大幅減小，不產生諧波影響，又能有效延長電容器和開關的壽命。

3 船舶電網補償方式

船舶電網和陸地電網有諸多不同，實踐中，船舶電網無功補償方式有很多種，這里根據實際經驗總結幾種比較典型的補償方式，即末端補償、集中補償和源端補償。

3.1 末端補償

末端補償方式就是在設備終端提供無功補償，有很多船舶設備，尤其是大容量、大負載設備，它們在負荷運行和空載運行時功率因數會有很大差別，也就是說無功輸出會隨著負荷變化而發生明顯變化。這樣，為能及時吸收無功功率，避免給電網或其他設備造成影響，可采用就地補償方式，即在這種大負載設備旁邊就地并聯無功補償裝置，及時吸收無功（圖2）。

圖2 末端補償法

3.2 集中補償

在船舶電網中，提供電源的發電機組比較多，在容量都比較小且電網中大負載很少的情況下，由于造成無功功率的終端無法判斷，所以將整個電網都視為無功生成所，此時可在主配電板的匯流排處并接相應容量的無功補償裝置，以整體吸收無功，提高電網功率因數（圖3）。

3.3 源端補償

源端補償即在電網電源端發電機輸出端補償，此種方法針對的是發電機組臺數不多或發電機組額定容量差異較大的船舶電網，電網無功功率增大也會使發電機輸出的無功增大，在發電端吸收無功功率也能穩定功率因數，提升電能質量（圖4）。

圖3 集中補償法

圖4 源端補償法

4 發展趨勢

當前，隨著船舶自動化技術及無人化機艙的不斷發展，船舶電力系統的無功補償技術也有了相應發展。

（1）新型傳感檢測技術和集中信號處理技術的應用，使得在電網電壓不均或畸變情況下，瞬時無功功率檢測方法能將基波正序瞬時無功電流和不對稱及高次諧波瞬時無功功率電流進行準確分離，并有選擇性地及時進行功率補償。（2）隨著計算機控制技術的飛速發展，先進的控制理論、控制方法和控制器件將在無功補償裝置中得到推廣應用。（3）電力電子器件性能提高。電力電子器件的性能直接影響無功補償裝置效果，應從材料、工藝、技術等方面入手提高電力電子器件性能，從而為無功補償技術帶來質的飛躍。（4）船舶電網無功補償專門化技術應用。由于船舶電力系統總體容量較小、負載類型較少，其無功主要靠發電設備自身進行小幅度調整，而目前的補償設備一般為陸船通用，不能達到船舶預期效果，對于適應船舶電力系統的專門化無功補償技術進行研究勢在必行。

5 結語

隨著其他支撐技術的發展無功補償技術也會不斷發展，例如現代電力電子技術進步會提高無功補償的靈敏度，計算機技術和微電子技術發展會使得無功補償技術自動化程度、集成度更高，通信技術和先進控制理論技術的不斷發展與不斷成熟將使現代船舶無功補償技術向智能化方向發展。

［1］李宏，董瑾.無功補償技術的研究［J］.現代電子技術，2011，34（6）：175－178.

［2］許曉彥，石晴晴.電力推進船舶電網提高電能質量方法研究［J］.電氣技術，2010（8）：54－57.