低压变频设备中无功补偿技术应对措施
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摘要：随着国家节能减排政策的落实，低压变频同步电机矢量控制系统在冶金、煤炭等行业的应用日益广泛，采用这种变频调速方式，给用户带来很大的经济效益，但其中无功和谐波的问题引起了广泛关注，影响了供电网的电能质量。本文分析了几种无功补偿装置的特点，提出了通过谐波分析与控制，利用有源电力滤波器提高变频设备应用中系统功率因数并改善系统中的电能质量，并通过现场应用验证了方案的有效性。
中图分类号：TN文献标识码： A 文章编号：
0概述
交流异步电动机在工矿企业中，不少电动机负荷率低，经常处于轻载或空载状态，功率因数普遍不高。无功功率相对于有功功率的百分比更大，不但浪费电能，而且降低了异步电动机的功率因数。现在国家非常重视节能减排的工作，因此在这种趋势下，对异步电动机采用无功功率补偿以提高功率因数，节约电能，减少运行费用，是非常必要的，同时也给企业带来了经济效益。
1变频设备工作原理
低压变频调速电动机调速装置是采用交流―直流―交流的变换方式以达到变频调速的目的。即变频调速装置首先采用硅整流方法将交流变换成直流，然后采用可控硅逆变桥在LC谐振的配合下将直流变换成交流，调整逆变装置中可控硅的触发脉冲间隔时间，即可实现调节交流频率，从而达到交流电动机调速的目的。如图1示以电动机调速用变频器为例。
图1变频设备工作示意图
但是该系统运行中，在给用户带来很大经济效益的同时，给电网带来的无功冲击也不容忽视。无功冲击将造成电网电压的波动或偏差。无功冲击将造成电网电压的波动或偏差。电网电压偏差可按下式计算：
（1）
式中：U/Ue为电压偏差；Q为无功冲击负荷，MVar；P为有功冲击负荷，MW；Sk为供电网短路容量，MVA；R/X为供电网阻抗比系数。由于供电网阻抗比系数很小，在计算时可忽略有功冲击，所以，造成电网电压偏差的主要原因是无功冲击。
2无功补偿装置的分析
目前，国内常用的无功及谐波补偿大致分为3类：
2.1传统的固定电容器补偿（FC，Fixed Capacitor）
设置无源型补偿电容器是无功功率补偿的传统方法之一，而且如果在电容器上串联适当电抗率的电抗器，可以作为单调谐滤波器，滤除系统中的特征次谐波。由于其结构简单，经济方便，所以得到大量应用。
图2 固定电容器补偿的谐振仿真原理图
由于固定电容器补偿有其自身无法避免的缺点，而动态无功补装置的性价比却在逐步提高，因此现在采用动态补偿的需求越来越多。但是，这种补偿方式有其明显的缺点，主要有以下几点：
（1）容易和系统发生谐振，造成特征次谐波电流的放大，不仅危害电容器本身，而且会危及电网中的电气设备，严重的时候会造成损坏，甚至破坏电网的正常运行；
（2）电容补偿方式的无功输出量是与其端电压的平方成正比的，当系统负荷增大或者系统发生故障造成网压降低的时候，我们希望此时无功补偿装置能提供更多的无功，但是此时电容补偿装置的无功输出反而会随着端电压的降低而减小；
（3）只能滤除某些次数的谐波。
2.2采用晶闸管的SVC（Static Var Compensator）
晶闸管的SVC动补装置，这类型的动补装置一般又分为两类，TCR（晶闸管相控电抗器，Thyristor-controlled Reactors）型和TSC（晶闸管投切电容器，Thyristor Switched Capacitor）型；
TCR型SVC的基本原理是采用晶闸管相控交流调压，也称为交流斩波，一般采用移相控制。然而，这种此补偿方式也有其缺点，主要有以下几点：
（1）体积大、噪音大。这种补偿方式需要串联电抗器、相控电抗器等大量的电抗器设备，所需的占地面积非常大，而且噪音污染很严重；
（2）动态响应速度还不够快。由于采用相控的方式，且由于电抗器的固有属性，即流过电抗器的电流无法快速响应，这种动补方式在一些动态响应要求较高的场合会有一些限制；
（3）补偿无功时，需要有与补偿容量等量的储能设备，耗能大，隐患多，比如系统所需容性无功为70Mvar，则其电容器补偿容量为70Mvar，相应的相控电抗器的补偿容量也要大约为70MVar。
综上所述，SVC还是有其不够完美的地方，在这种形势下，一些对响应速度及滤除谐波要求较高的地方，就会要用到采用全控型电力电子器件的SVG及APF装置。
2.3全控型SVG（静止无功发生器，Static Var Generator）
采用IGBT等全控型电力电子器件的SVG（静止无功发生器，Static Var Generator）、APF（有源电力滤波器，Active Power Filter）、STATCOM（静止同步补偿器，Static synchronous Compensator）等。
一般来讲，SVG作为一种动态无功补偿装置，其主要用来补偿系统的无功，从而提高系统的功率因数；APF作为滤除谐波之用，不考虑系统的无功功率补偿。目前也有同时考虑无功补偿及谐波抑制的装置，这就要求器件的开关频率较高，且补偿容量很大。大容量补偿的领域通常采取两种方式：多重化方式和多电平方式。总的来说，SVG及APF类型的补偿装置，可以大致分为两个部：
（1）无功及谐波检测部分（指令电流运算电路）；
（2）补偿电流发生部分。这就是说，首先检测出系统的无功及谐波电流，然后通过主电路的逆变桥产生补偿电流，从而抵消掉系统的无功及谐波，达到补偿无功及滤除谐波的目的，如图3所示。
3全控型SVG优化分析
由于传统的固定电容器及晶闸管的SVC补偿装置经过多年的优化发展，已经比较成熟，主要探索全控型SVG的优化。SVG及APF类型的补偿装置，可以大致分为两个部分，下面就从这两个部分进行优化。
3.1无功及谐波检测部分的优化
利用智能化变频技术，依据计算机模糊控制理论，根据应用实践情况开发出专用优化控制软件。其根据系统的实际运行状况和系统设定情况，自动检测变频器、电机、负载的运行曲线和各种复合信号，及时进行分析、运算，使三者运行曲线均达到最佳，并对其进行实时跟踪、优化控制，确保在满足系统需求的前提下大幅度提高系统效率，尽可能多的降低能耗。
某水厂所用水泵为平方转矩负载，即水泵的负载转矩与转速的平方成正比，而轴功率和负载转矩与转速的乘积成正比，因此，水泵的轴功率与电机转速的立方成正比。由此可知，当要求出水量减少时，可使电机转速降低，而电机转速微量减少，将使功率大幅下降，节能效果十分明显。变频调速系统经过优化设计，精心的设备选型，合理的编程，配合正确的信号给定，使得电机始终处于最佳运行状态，节能挖潜会得到最大的发挥。（如图4示）
图43 #水泵电机安装节电设备前后耗电量比较
从以上理论计算和实际情况可以看出在供水系统可见，安装智能化节电设备后，按0.6元/kWh计算，每月节约电费3.42万元，每年可节约电费41.04万元（每天运行24小时，每月30天，节电率按30%计算）。
3.2补偿电流发生部分（APF）的优化
虽然LC串联回路能对低压变频设备进行无功补偿，但是在有些应用环境中，虽然功率因数不是非常高，但是cosφ的值已经接近1，在这样的情况下，需要进行无功补偿和对谐波进行有效的抑制与消除对于这一类型的情况，可以采用有源电力滤波器(APF)对低压变频设备进行谐波抑制与消除。图5给出了APF的基本原理图，有源滤波器是以并联的方式接入电网，通过实时监测负载的谐波和无功分量，采用PWM变换技术，将与谐波和无功分量大小相等方向相反的电流注入供配电系统中，实现抑制谐波、动态补偿无功的功能。
图5 有源滤波器基本原理图
经试验（如图6所示），低压变频设备用电侧APF投运前后的电压电流波形APF投入前电源电压的总谐波畸变率(THD)为7.2%，而APF投入现场运行后，电压的THD降为了3.7%投入APF后，电源电流的THD由补偿前的44.2%降到了14.2%。
(1)APF投入前电源电压和电流波形(2)APF投入后电源电压和电流波形
图6有源滤波器APF投入现场运行前后的电源电压和电流波形图
4总结
依据计算机模糊控制理论分析负载曲线后，根据负荷情况进行有针对性的无功补偿，其节能效果是有目共睹的。但在实际应用的过程中，还应该在技术经济上综合考虑，根据具体情况进行分析，来决定是采用集中补偿还是就地补偿，还是两者综合采用，从而达到使电气设备经济运行的目的。
选择的合适负载的无功功率补偿装置，能以准确的电容性无功功率去补偿负载的电感性无功功率，使功率因数达到高水平，实现电力成本降低，对于用户、企业、电力部门乃至国家都有切实的经济效益和社会效益，所以选择一种适用的补偿方式和一台好的控制器及补偿装置，可以带来长期的效益。
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