电流源型变频器无功补偿问题的分析与对策

吴海龙

（上海城投原水有限公司，上海 200125）

1 泵站简介

陈行车间第二输水泵站是上海城投原水有限公司长江原水厂下属的一座大型原水输水泵站，共配备了七台（21#-27#）混流式输水主泵，负责向泰和水厂、吴淞水厂、闸北水厂和凌桥水厂输送原水，日供原水能力达166万立方米。

2 机泵变频改造工程概况

2.1 泵站改造简介

为了适应城市的快速发展和原水集约化供水的要求，解决季节性和日夜供水量变化大问题，2008年，对原来三台液阻调速机泵进行了变频改造和计算机（DCS）在线操控的技术改造，改造后，泵站主机泵配置和主要技术参数如下。

（1）21#、27#机泵，电机转子串液阻起动，串级调速机泵。

混流泵型号：1050VYNM；额定流量：9180m³/h；额定扬程：52m；额定轴功率：1526kW；额定转速：740r/min；日本EBARA泵厂。

电动机型号：AML560L8AVAB；额定功率：1600kW；额定电压：6000V；额定转速：743r/min；瑞士ABB公司。

液阻控制装置型号：（非标定制）；额定电压：2000V；额定电流：800A；上海先导电子机械技术公司。

串级调速装置型号：KJF04-800/1000-12AB；额定功率：1000kW；额定电压：2000V；额定电流：800A；西安蓝灵电气有限责任公司。

（2）22#、26#机泵，软启动全速机泵。

混流泵型号：66LKXA-48G；额定流量：14400m³/h；额定扬程：32.5m；额定轴功率：1716kW；额定转速：495r/min；长沙水泵厂。

电动机型号：YL1000-12；额定功率：1800kW；额定转速：495r/min；额定电压：6000V；上海电机厂。

软启动柜型号：MVRSM18-6.3；额定功率：1800kW；额定电压：6000V；美国BENSHAW公司。

（3）23#、24#、25#机 泵，变频调速机泵。

混流泵型号参数同22#、26#。机泵。

电动机型号参数同22#、26#机泵。

变频调速装置型号：powerflex7000； 额 定 功 率：1800kW；额定电压：6000V；罗克韦尔（AB）自动化有限公司。

图1

2.2 实施改造后的效果

实施机泵的变频改造后，有效地降低了配水单耗，取得了明显的节能降耗效果，提升了企业的经济效益。提升了机泵和管网运行的安全性和可靠性，扩大了供水调节范围和调节精度，适应了不同工况下的稳定、高效运行，实现了计算机（DCS）的在线实时操控。

2.3 运行中存在的问题

在实际运行中，我们发现变频调速机泵在中低速区运行时会发生无功过补的现象，造成功率因数超前，这可能会引起对电网的扰动，同时，电业部门也会对功率因数不达标的企业进行相应的电费处罚。

3 电流源型变频器无功补偿问题分析

3.1 电流源型变频器简介

Power Flex 7000高压变频器，是由罗克韦尔（AB）自动化有限公司设计制造的一款电流源型变频器（CSI：Current Source Inverter），它采用SGCT功率器件串联的技术，在输入侧采用SGCT进行整流，中间用大电感进行平波和储能，逆变侧采用SGCT作为开关元件，为传统的两电平结构。

其特点为：工作稳定，能将负载惯性能量回馈电网，能实现四象限运行，省去了输入侧的整流变压器，节省了空间。但其电网侧功率因数较低、谐波较大，需装接电容和电抗进行无功补偿和滤波，且对负载转速变化大的场合较难进行稳定的补偿。

3.2 无功功率过补偿原因分析

23#、24#、25#电流源型变频调速机泵的一次接线图，如图1所示。

（1）变频器和电动机主要参数

变频调技术参数：额定功率：1800kW；额定电压：6000V。

进线侧补偿电容器共4台1300kVar（3×300kVar+400kVar），电抗器一台，L1=4.37mH。

电机侧补偿电容器共2台800kVar（2×400Kvar），电抗器一台L2=34.9mH。

电动机的参数：额定功率：1800kW；额定电压：6000V；额定电流：116.7A；额定转速：495r/min；功率因数cosφ=0.841；效率η=0.95。

（2）机泵运行中实测计算和分析

在电网电压6.3kV，调速频率50Hz，电机转速495r/min的工况条件下，测得以下数据：

变频器输入电压Vi=6295V，变频器输入电流Ii=158A，变频器输入有功功率Pi=1670kW。

变频器输出电压Vo=5690V，变频器输出电流Io=196A，变频器输出有功功率Po=1630kW。

通过计算分析：

变频器输入的有功功率为：1670kW，变频器内部消耗有功功率为：43kW，变频器输出有功功率为：1627kW，变频器输入的感性无功功率为：950.8kVar，变频器内部消耗的无功功率为：495.9kVar，变频器输出的感性无功功率为：454.9kVar。

当变频器输入侧提供的容性补偿无功功率为：1300kVar时(1300KVar是电压为6kV时的容量)，变频器输入侧的功率因数为：cosφ=0.971(滞后)。

按照这样的感性负荷条件，只要在变频器输入侧补偿715kVar(6000V)的容性无功，变频器输入侧的功率因数就能达到cosφ=0.950(滞后)的要求。

按照以上同样的方法可以测量计算出，在电网电压6.3kv，调速频率40Hz，电机转速395r/min的工况下，当变频器输入侧提供的容性补偿无功功率为1300kVar时(1300KVar是电压为6kV时的容量)，变频器输入侧的功率因数为：cosφ=0.986(滞后)。

按照这样的感性负荷条件，只要在变频器输入侧补偿620kVar(6300V)的容性无功，变频器输入侧的功率因数就能达到cosφ=0.950 (滞后)的要求。

同理，在电网电压6.3kv，调速频率35Hz，电机转速345r/min的工况下，当变频器输入侧提供的容性补偿无功功率为1300KVar时(1300KVar是电压为6kV时的容量)，变频器输入侧的功率因数为：cosφ=0.745(超前)，变频器向电网反送了容性无功：426kVar。

按照这样的感性负荷条件，只要在变频器输入侧补偿400kVar(6300V)的容性无功，变频器输入侧的功率因数就能达到cosφ=0.950(滞后)的要求。

通过以上的计算和分析，在变频器输入侧提供的容性补偿无功功率为1300kVar的情况下，当机泵运行在高速区（495、395r/min）的情况下，变频器输入侧的功率因数能保持在cosφ=0.970(滞后)以上的数值。但当机泵运行在中速区（375r/min）的情况下，变频器输入侧的功率因数只能在cosφ=0.7438(超前)以下的数值并出现无功过补偿现象。

同时，当机泵运行在（375～495r/min）调速区时，只要在变频器输入侧补偿700kVar的容性无功，变频器输入侧的功率因数就能达到cosφ=0.95(滞后)以上的要求。

4 保证无功补偿合理达标的手段与对策

（1）根据水量的实际需求，合理地搭配机泵的运行，优先启用功率因数指标高、效率高的变频调速机泵。在供水量大时，用全速机泵搭配变频调速机泵，在供水量小时，启用变频调速机泵供水。

（2）通过厂内6kV无功集中补偿装置自动进行无功补偿调节，并加强功率因数的实时监控，防止向电网倒送无功。

（3）联系设备生产商，根据实际的生产运行和设备负载情况，合理地调整变频器输入侧电容器和电抗器的参数配置。