无功补偿及谐波治理装置的设计及其实际应用

雷鸣

(四川省攀枝花攀钢集团设计研究院有限公司， 四川 攀枝花 617023)

冶金企业中的低压电网存在的无功功率需求量大和输电流量过多的问题一直以来都是影响供电系统稳定运行的关键问题，由于输电流量的不断加剧会造成大量功能消耗，造成一定的资源浪费。鉴于以上问题，我们可以通过添加无功补偿的方式对其进行改善，主要操作方式为对单一配电室的低压进行集中补偿，在运行的同时开展无功补偿。

1 无功补偿的现状

1.1 补偿措施方面的问题

无功补偿在补偿方式上可以分为集中补偿和分散补偿两种，实际上集中补偿和分散补偿是相对而言的，在工厂中的低压配电室中所采用的补偿方式归属于集中补偿，而就电网而言，所采用的补偿方式为分散补偿。其中的集中补偿的主要优势表现在以下几个方面：管理相对简便，针对电容器的投切支持多种操作方式，手动操作和自动操作均可；相对与分散补偿方式而言适用性更高；对配电的损耗和负荷可以有效控制，满足节能的要求；供电质量可以得到有效提升，这对工厂这种大型生产企业而言，可以在一定程度上提升工厂的生产效率。集中补偿的缺陷表现在以下几点：采用集中补偿方式的低压网络，内部的无功功率和电能消耗并不能大幅度降低，对线路的损耗程度也产生了一定的不良影响。

1.2 集中补偿的方式与国家工厂用电规则不符

我国有关工厂用电准则中明确指出，需要尽量减少工厂生产活动造成的线路损耗问题，保证电网的供电稳定性。与此同时，还会电动机的运行消耗提出了全新的要求，需要对电动机进行技术改造之后，达到节能要求方可投入使用。在对电动机自身的运行状态进行改良之后，还需要采用就地补偿的方式，尽量降低能量消耗，在保证正常生产活动的基础上，实现供电系统的经济运行。

1.3 集中补偿方式对供电系统的运行造成影响

集中补偿方式在工厂中的应用无法达到降低低压系统无功功率和电能损耗的功效，仅能对部分无功功率起到作用，致使变压器极易出现超负荷现象。这种情况如果不能采取有效的措施进行处理便会造成变压器的大面积损坏，部分线路受到冲击产生破损，出现跳闸现象，严重的还会造成安全事故，对工厂低压系统的稳定运行带来消极影响。

1.4 集中补偿方式对项目成本投入的影响

集中补偿方式的使用会增加项目工程的前期投入，但是所产生的降低电能消耗的作用并不明显，这就使工厂的经济效益受到一定影响。而就地补偿措施的使用可以降低30%左右的变压器容量，这种情况下就省去了部分电气设备采购的费用，工厂可以将省下的费用全部投入生产经营，为企业带来更好的经济收益。

鉴于集中补偿方式存在多种弊端，为了保证无功补偿操作能够发挥出应有的节能作用，我们可以合理利用就地补偿方式、车间补偿，采用多种补偿方式并行的方式开展无功补偿操作，进而保证工厂生产工作的顺利开展，为其提供稳定的供电服务。由于此类补偿方式并没有全面实行，在技术操作上需要大量的人才作为支持，这就要求相关部门组成专门的组织，对无功补偿方式的改造措施进行合理安排，鼓励各个厂家积极配合优化工作。对于不能的工厂生产情况采取不同的优化方式，尤其是新工厂必须从源头抓起，确保无功补偿方式的有效优化。

2 SVG无功补偿的应用分析

在SVG无功补偿的应用中，其所产生的间接经济效益主要是体现在冶金企业供电的实际应用部分，主要为供电系统运行的稳定性及可靠性与在供电系统电能供应的质量及水平等方面。首先，避免电压波动问题，在冶金企业供电中投入SVG无功补偿可以有效的减少系统在运行过程中存在的电压波动问题，因此也使得电量供应质量得到有效的提升。SVG无功补偿装置在实际的应用中具备了自动调节的功能，因此在供电系统，其运行的过程中会根据系统电压输出的情况来调节无功功率，若是电压过高时其无功功率输出容性较小，而电压较低时其无功功率输出的容量则增大，因此使得工厂供电在实际的运行过程中35kV的母线电压浮动可以控制在0.3%以内；其次，高效的反应速度，在SVG无功补偿装置实际的应用过程中其有着较高的响应能力，因此在城市轨道交通供电系统出现电压突然波动的情况时能够快速的进行反应应对，如在电压急速跌落的过程中，SVG装置可以有效的对系统电压进行支撑，因此可以避免其系统因短路等故障问题而出现停运的情况；最后，提升电能供应质量，在SVG无功补偿装置的应用中，其所具备的性能特点可以有效的使得供电功率因数得到提升，并且减少在电量供应中存在的谐波含量，这种方式可以使得供电系统整体的运行质量得到提高。

3 谐波治理方案

3.1 无源单调谐滤波支路（FC+SVG）方案

其工作基本原理是针对5次、7次、11次、13次及高通谐波电流，配置相应分支电容、电抗串联回路，对于需要滤除的相应频率谐波电流提供低阻抗通道，吸收该谐波电流。对供电系统侧由于槽面负荷变化引起的无功功率变化及谐波电流治理支路容性负载的接入的总变化，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制其交流侧电流，就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。对于谐波变化能直接接入式针对治理，能快速（＜10ms）跟踪无功功率的变化进行动态补偿。装置在中压系统中的实际应用条件下，为满足耐压绝缘要求提高装置工作可靠性，其主要核心元件自换相桥式电路（如IGBT）一般采用电子晶闸管多级串并联方式。

3.2 无源单调谐滤波支路（FC+MSVC）方案

其工作基本原理是针对5次、7次、11次、13次及高通谐波电流，配置相应分支电容、电抗串联回路，对于需要滤除的相应频率谐波电流提供低阻抗通道，吸收该谐波电流。各支路兼做基波无功补偿。对供电系统侧由于槽面负荷变化引起的无功功率变化及谐波电流治理支路容性负载的接入的总变化，通过MCR控制器对系统的无功功率进行采集，通过自动控制晶闸管的导通角，改变铁心的磁饱和度，实现电抗值的连续可调，从而调节电抗器的输出容量，实现无功功率的柔性补偿。对谐波变化能直接接入式针对治理，能快速（50～100ms）跟踪无功功率的变化进行动态补偿。磁控电抗器采用晶闸管控制，其晶闸管端电压仅为系统电压的1%～2%，机理结构简单，提高了设备的运行可靠，减少了维护运行成本。

3.3 混合型有源滤波补偿装置(SP-APF++)方案

其工作基本原理是通过检测系统谐波分布，经过核心算法及控制系统，最终利用IGBT管组成的并联变流器产生与电网谐波大小相等相位相反的电流注入电网，电网谐波电流与APF输出的电流正好相互抵消，从而达到滤波目的。有源滤波APF装置用于滤除系统中各次谐波的同时具有补偿变化较快（小于10ms）负荷的功能，对谐波治理能有效达到国家标准要求，并能有效提高功率因素。IGBT或IPM功率模块，一般采用电子晶闸管多级串并联方式，对电子设备的电子设备的元件要求很高，影响整体设备的投资，提高了设备维护运行成本。无功补偿及滤波支路系统如下图1所示。

图1 无功补偿及滤波支路系统

4 结语

无功补偿及谐波治理装置在冶金企业生产中的应用可以有效降低电能消耗，将生产成本控制在一定范围，对工厂的发展具有积极意义。对工厂无功功率补偿方式中存在的不足之处进行分析之后，对无功补偿及谐波治理的方案进行分析，从而确定适合企业生产的实际应用效果，可以在很大程度上降低工厂生产的用电成本，有效推进工厂的长期稳定发展。

参考文献：

[1]蒋运安,郭本利.一种确定工厂低压配电无功补偿容量的新方法[J].电力电容器与无功补偿,2012,33(1):38-41;

[2]王琦.低压无功补偿装置对工厂供电系统的重要性[J].华东科技:学术版,2016(12):257-257.