TSC動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)在工業(yè)企業(yè)的應(yīng)用

閆家彬

（中車(chē)山東機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司，山東 濟(jì)南 250022）

0 引 言

近幾年，隨著工業(yè)企業(yè)中電力電子設(shè)備的應(yīng)用，如整流逆變?cè)O(shè)備、電焊機(jī)設(shè)備、等離子切割設(shè)備、變頻器以及LED照明等，供電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境比較以前發(fā)生了巨大變化，電網(wǎng)中的諧波成分大幅度增加，傳統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的故障率明顯升高，經(jīng)常發(fā)生電容燒毀和爆炸事故，嚴(yán)重威脅企業(yè)的供電安全。使用動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)代替過(guò)往的機(jī)械式觸點(diǎn)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備很有必要。

1 無(wú)功功率對(duì)企業(yè)用電的影響

1.1 無(wú)功功率的基本概念

供電系統(tǒng)中無(wú)功功率是指供用電設(shè)備用來(lái)建立和維持電場(chǎng)和磁場(chǎng)的電功率。它不是無(wú)用功，只是由于不對(duì)外做功，因此被稱(chēng)之為無(wú)功。沒(méi)有無(wú)功功率，所有的交流設(shè)備都無(wú)法工作，所以說(shuō)無(wú)功功率和有功功率一樣重要[1]。無(wú)功功率的產(chǎn)生主要來(lái)源于兩個(gè)方面，一是發(fā)電設(shè)備在發(fā)出有用功率的同時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流會(huì)發(fā)出無(wú)功功率，二是通過(guò)電容器無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備和同步調(diào)相機(jī)等向系統(tǒng)補(bǔ)償無(wú)功功率。

1.2 無(wú)功功率在企業(yè)用電中的作用

無(wú)功功率從電網(wǎng)側(cè)沿線路向用電設(shè)備輸送時(shí)將產(chǎn)生電壓損耗，輸送的功率越大，線路越長(zhǎng)，電壓降越大，甚至?xí)螂妷航堤蠖荒軡M足用電設(shè)備的要求，因此無(wú)功功率不能長(zhǎng)距離傳送[2]。當(dāng)電網(wǎng)不能為用電企業(yè)提供足夠的無(wú)功功率時(shí)，用電企業(yè)必須加裝無(wú)功補(bǔ)償裝置進(jìn)行補(bǔ)償，使系統(tǒng)具有充足的無(wú)功功率容量，確保用電設(shè)備的運(yùn)行。

2 動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償技術(shù)

2.1 無(wú)功功率補(bǔ)償方式及特點(diǎn)

無(wú)功補(bǔ)償裝置根據(jù)安裝位置的不同，分為集中無(wú)功補(bǔ)償和就地?zé)o功補(bǔ)償[3]。集中無(wú)功補(bǔ)償是補(bǔ)償設(shè)備安裝在變壓器低壓測(cè)的母線上，只能補(bǔ)償母線及以上電路，包括變壓器及其高壓配電線路，不能補(bǔ)償?shù)蛪汗╇娋€路。但因?yàn)橥顿Y較少，比較經(jīng)濟(jì)，在工業(yè)企業(yè)得到大量應(yīng)用。就地?zé)o功補(bǔ)償將補(bǔ)償設(shè)備直接安裝在用電設(shè)備附近，直接補(bǔ)償所有設(shè)備供電線路，補(bǔ)償范圍最大，補(bǔ)償效果最好，但投資較大，設(shè)備利用率較低，只使用在一些重點(diǎn)設(shè)備上。

無(wú)功補(bǔ)償裝置根據(jù)接線方式的不同，分為串聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償和并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償。串聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償方式通常用在330 kV及以上的超高壓線路中無(wú)功電壓的補(bǔ)償，用來(lái)降低功率損耗，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償方式電容器和低壓線路并聯(lián)，電容器為用電設(shè)備提供所需無(wú)功電流，從而減輕電力線路、變壓器以及發(fā)電機(jī)的負(fù)擔(dān)，在工業(yè)企業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。

工業(yè)企業(yè)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下幾個(gè)發(fā)展階段，其各自特點(diǎn)如下。一是同步調(diào)相機(jī)補(bǔ)償，補(bǔ)償相應(yīng)速度慢，耗能且噪音高，目前已經(jīng)淘汰。二是接觸器投切固定電容器，響應(yīng)速度慢，連續(xù)可控能力差，維修成本高。三是動(dòng)態(tài)晶閘管投切電容器，響應(yīng)速度快（20 ms內(nèi)），功率因數(shù)補(bǔ)償后能達(dá)到0.95以上，能夠避免諧波產(chǎn)生的諧振，降低網(wǎng)損，提高效能，目前得到廣泛應(yīng)用。四是無(wú)功發(fā)生，因受技術(shù)局限性，目前還在發(fā)展完善階段[4]。

2.2 動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)特點(diǎn)

動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償能夠?qū)崟r(shí)跟蹤系統(tǒng)無(wú)功功率，快速動(dòng)態(tài)補(bǔ)償功率因數(shù)（20 ms響應(yīng)）減少系統(tǒng)電壓波動(dòng)，保持系統(tǒng)中的瞬時(shí)無(wú)功功率平衡。無(wú)功補(bǔ)償電容器投切開(kāi)關(guān)采用雙向晶閘管投切，實(shí)現(xiàn)無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)沖擊以及過(guò)零投切，提高了電容器的使用壽命。主回路電容器組采用三角形+接串聯(lián)電抗器接法，既能適合于三相對(duì)稱(chēng)性負(fù)荷的實(shí)時(shí)功率因數(shù)補(bǔ)償，又能對(duì)三相不對(duì)稱(chēng)負(fù)荷進(jìn)行分相補(bǔ)償，同時(shí)最大限度地避免系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振。

在工業(yè)企業(yè)供電系統(tǒng)中，合理安裝和使用動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置可以有效提高電網(wǎng)質(zhì)量，降低網(wǎng)損及諧波對(duì)系統(tǒng)的危害，提高功率因數(shù)，直接增加經(jīng)濟(jì)效益。

3 TSC動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)

3.1 TSC動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的工作原理

無(wú)功補(bǔ)償裝置由電壓、電流信號(hào)采樣單元、控制器單元、晶閘管投切觸發(fā)單元以及電力電容器4部分構(gòu)成。電壓、電流信號(hào)采樣單元通過(guò)電壓變送器和電流變送器將負(fù)載側(cè)電壓、電流信號(hào)變換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸入控制器，控制器通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換分析計(jì)算電量信息，算出系統(tǒng)所需無(wú)功功率并發(fā)出相應(yīng)投切指令，投切指令控制晶閘管觸發(fā)，導(dǎo)通及關(guān)閉，相應(yīng)電力電容器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無(wú)功功率平衡。

3.2 主電路接線方式

三相動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置中，晶閘管投切電容器連接方式通常分為星形接法和三角形接法。

3.2.1 星形接法

3.2.2 三角形接法

圖1 主電路三角形接線圖

3.3 電容器無(wú)功容量的選擇

合理選擇無(wú)功補(bǔ)償裝置是提高補(bǔ)償效果的重要保證，選擇正確的電容器容量需要確定以下4個(gè)關(guān)鍵因素。

一是根據(jù)變壓器空輕載情況，選擇固定無(wú)功容量。變壓器在空載和輕載狀態(tài)下，可選擇變壓器容量3%的并聯(lián)電容器作為固定補(bǔ)償，安裝在變壓器低壓母線側(cè)，以補(bǔ)償變壓器的空輕載無(wú)功損耗。二是根據(jù)負(fù)載的變化情況，選擇合理補(bǔ)償梯度。根據(jù)用電負(fù)荷的大小、負(fù)荷變化幅度以及用電設(shè)備的功率因數(shù)，確定無(wú)功補(bǔ)償?shù)娜萘俊⒀a(bǔ)償路數(shù)及梯度電容的大小，盡量達(dá)到無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)狀態(tài)。三是根據(jù)用電負(fù)荷情況，選擇合適的補(bǔ)償方式。由三相負(fù)荷平衡情況確定采用三相補(bǔ)償，單相補(bǔ)償，還是混合補(bǔ)償，以達(dá)到最佳補(bǔ)償配置。四是根據(jù)負(fù)載性質(zhì)情況，確定是否加入諧波濾波電路。進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)諧波測(cè)試，確定諧波分量，當(dāng)諧波分量達(dá)到5%時(shí)，應(yīng)采取與電抗器配套設(shè)計(jì)電容器，以防止在諧波成分較大時(shí)，發(fā)生補(bǔ)償裝置無(wú)法運(yùn)行或電容器損毀的現(xiàn)象[6]。

3.4 電容器投切依據(jù)和信號(hào)檢測(cè)

TSC無(wú)功補(bǔ)償裝置通過(guò)檢測(cè)用電設(shè)備負(fù)荷側(cè)無(wú)功電流的幅值作為電容器投切的依據(jù)，基本原理如圖2所示[7]。

圖2 無(wú)功補(bǔ)償原理示意圖

設(shè)節(jié)點(diǎn)電壓、電流為：

則負(fù)載電流為：

式中，ip(t)和iq(t)分別為有功電流分量和無(wú)功電流分量。當(dāng)t=2kπ時(shí)，有：

由以上推理可得，電壓信號(hào)正向過(guò)零時(shí)所測(cè)得負(fù)載電流值，即為負(fù)載無(wú)功電流的幅值IQM[8]。

根據(jù)以上原理，通過(guò)電壓、電流互感器變換的電壓信號(hào)u和電流信號(hào)i分別經(jīng)過(guò)各自低通濾波器（Low Pass Filter，LPF）濾波后，由過(guò)零脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生的電壓正向過(guò)零脈沖信號(hào)作為采樣保持器的采樣開(kāi)關(guān)信號(hào)，于是采樣保持器的輸出就是無(wú)功電流幅值IQM。無(wú)功電流幅值檢測(cè)原理如圖3所示。同時(shí)由圖2可知，il=ic+is，如果使iq=ic，即電容器的電流等于負(fù)載的無(wú)功電流分量，那么實(shí)現(xiàn)了負(fù)載的無(wú)功全補(bǔ)償。電容器電流為：

圖3 無(wú)功電流幅值檢測(cè)原理圖

由式（3）和式（4）可得無(wú)功電流分量為：

ΔC為全補(bǔ)償所需投切的電容量，若為負(fù)則應(yīng)切除相應(yīng)容量的電容器，反之則應(yīng)投入相應(yīng)容量的電容器[9]。

3.5 晶閘管零電壓投切

電容器無(wú)觸點(diǎn)投切開(kāi)關(guān)由兩只正反向并聯(lián)的晶閘管構(gòu)成（也可選擇雙向晶閘管），當(dāng)兩只晶閘管中的T1為正向電壓時(shí)，門(mén)極發(fā)出觸發(fā)信號(hào)時(shí)T1導(dǎo)通，電容器正半波導(dǎo)通，當(dāng)T2為正電壓時(shí)，門(mén)極發(fā)出觸發(fā)信號(hào)時(shí)T2導(dǎo)通，電容器負(fù)半波導(dǎo)通，當(dāng)觸發(fā)脈沖停止時(shí)，晶閘管電流過(guò)零截止，電容從電網(wǎng)中切除。剛切除時(shí)電容器上的電壓（殘壓）為電網(wǎng)電壓幅值（可正可負(fù)），待電容器重新投用時(shí)，若晶閘管導(dǎo)通時(shí)的電網(wǎng)電壓和殘壓電壓差較大時(shí)，由于電容器電壓不能突變，從而會(huì)產(chǎn)生很大的合閘涌流，導(dǎo)致晶閘管擊穿或?qū)﹄娋W(wǎng)造成高頻沖擊。為了使電容器在投入時(shí)不產(chǎn)生涌流，必須控制在晶閘管兩端電壓差為零時(shí)導(dǎo)通[10]。通過(guò)檢測(cè)晶閘管兩端的電壓差來(lái)確定晶閘管觸發(fā)時(shí)間，工作原理如圖4所示。

圖4 零電壓觸發(fā)原理框圖

3.6 TSC控制原理

動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償控制器通過(guò)采集系統(tǒng)電壓、電流信號(hào)，計(jì)算出系統(tǒng)所需要的無(wú)功功率，輸出投切命令，發(fā)送至TSC過(guò)零電壓觸發(fā)板。過(guò)零電壓觸發(fā)板根據(jù)命令在晶閘管兩端電壓差為零時(shí)觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，晶閘管電流為零時(shí)切除晶閘管，以增減電容器投切數(shù)量。

圖5 TSC控制原理示意圖

3.7 TSC動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置保護(hù)措施

采用空氣開(kāi)關(guān)對(duì)裝置進(jìn)行短路、過(guò)流以及接地保護(hù)，采用快速熔斷器對(duì)晶閘管進(jìn)行過(guò)流保護(hù)，壓敏電阻對(duì)其進(jìn)行過(guò)壓保護(hù)，利用壓敏電阻進(jìn)行過(guò)壓保護(hù)，利用快速熔斷器進(jìn)行過(guò)流保護(hù)，阻容進(jìn)行過(guò)壓保護(hù)。TSC動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置保護(hù)主要是短路保護(hù)和過(guò)壓保護(hù)，保護(hù)措施不規(guī)范或不完整將影響到無(wú)功補(bǔ)償裝置的安全運(yùn)行[11]。

4 結(jié) 論

工業(yè)企業(yè)用電設(shè)備設(shè)施發(fā)展更新迭代越來(lái)越快，特別是電力電子技術(shù)在設(shè)備中的應(yīng)用，使得對(duì)供電的安全性和無(wú)功補(bǔ)償能力要求越來(lái)越高。TSC動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)采用晶閘管組成的無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)對(duì)多級(jí)電容器組進(jìn)行快速無(wú)過(guò)渡投切，克服了傳統(tǒng)無(wú)功功率補(bǔ)償采用機(jī)械式觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)造成的結(jié)點(diǎn)燒結(jié)的現(xiàn)象。動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，節(jié)能效果明顯，功率因數(shù)提高顯著，對(duì)各種負(fù)荷均能起到良好的補(bǔ)償效果。目前，TSC無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)還主要用于低壓供電系統(tǒng)，未來(lái)隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，晶閘管在高電壓和大電流的應(yīng)用將會(huì)在高壓電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償中得到廣泛推廣