1  傳統(tǒng)無功補償裝置應(yīng)用背景及現(xiàn)狀

　　隨著中國三十年的經(jīng)濟高速發(fā)展，電力電子設(shè)備在各行業(yè)得以普遍使用，變頻電源、整流電源、逆變電源、開關(guān)電源、節(jié)能燈等典型非線性負載在配電系統(tǒng)占比越來越高。傳統(tǒng)無功補償裝置在現(xiàn)代配電系統(tǒng)應(yīng)用中，不但不能有效提升配電系統(tǒng)功率因數(shù)，降低系統(tǒng)線損，反而變成主要的故障源——電容器嚴重漏油、串抗頻繁燒毀、保險損壞爆炸，嚴重時會造成系統(tǒng)火災(zāi)系統(tǒng)停電等惡性事故，以下是諧波造成補償柜和系統(tǒng)問題的典型照片。

圖1 接觸器燒毀

圖2 嚴重漏油損壞

圖3 對地短路

圖4 系統(tǒng)火災(zāi)

　　2  測試數(shù)據(jù)分析

　　通過測試浙江某大型船舶制造公司的一個船塢配電室傳統(tǒng)無功補償投入前后數(shù)據(jù)可以清晰看到傳統(tǒng)無功補償對諧波嚴重放大的情況。

圖5 配電系統(tǒng)架構(gòu)圖

　　測試地點為1#變380V低壓總進線開關(guān)側(cè)：

表1投入傳統(tǒng)無功補償裝置前后對比

　　由以上數(shù)據(jù)可以清晰看出投入傳統(tǒng)無功補償裝置前后：配電系統(tǒng)電壓畸變率由4.8%放大到6.5%，超過國標14549-93標準；配電系統(tǒng)電流畸變率由9.5%放大到18.9%，總諧波電流由由112A放大到202A；配電系統(tǒng)電流波形由不規(guī)則單峰變成雙峰，主要放大諧波以5次和11次諧波最為明顯。

　　該配電系統(tǒng)頻繁出現(xiàn)電容器損壞故障及嚴重漏油現(xiàn)象，也頻繁出現(xiàn)空壓機變頻器模塊莫名擊穿損壞問題。

圖6系統(tǒng)故障局部

　　3  配電系統(tǒng)存在的風險

　　據(jù)了解，配電系統(tǒng)包括有大量焊接機和變頻控制的空壓機等非線性電源，諧波含量較高，傳統(tǒng)無功補償裝置投入配電系統(tǒng)會導(dǎo)致以下風險：

　　傳統(tǒng)無功補償裝置嚴重放大系統(tǒng)諧波含量，導(dǎo)致其公共連接點諧波含量超標污染電網(wǎng)，引起供電部門關(guān)注，嚴重時會給企業(yè)下停電整改通知單；

　　傳統(tǒng)無功補償裝置無法跟蹤負載波動速度，可能造成系統(tǒng)諧振，導(dǎo)致電氣設(shè)備的過壓過流以致保護斷電，使生產(chǎn)中斷，產(chǎn)生嚴重后果；

　　由于傳統(tǒng)無功補償裝置不能正常運行，配電系統(tǒng)功率因數(shù)低下，變壓器、母排、各種配電元件中流經(jīng)大量無功電流，使變壓器、母排、各種配電元件容量下降且發(fā)熱嚴重，可能出現(xiàn)過載現(xiàn)象燒壞設(shè)備；

　　放大的諧波產(chǎn)生積膚效應(yīng)，會造成變壓器線圈、母排、斷路器、電纜等電氣元件嚴重發(fā)熱，元器件發(fā)熱會導(dǎo)致火災(zāi)、短路等問題，給系統(tǒng)安全造成極大風險；

　　超標的電壓諧波會嚴重干擾整條生產(chǎn)線的弱電系統(tǒng)，以及造成變頻器、開關(guān)電源等設(shè)備控制模塊損壞，導(dǎo)致生產(chǎn)線不能正常運行，影響企業(yè)效益；

　　放大的諧波電壓疊加在基波電壓上隨著負載快速波動，會造成電壓波動幅度大、頻率快，給產(chǎn)品品質(zhì)和壽命帶來很大影響；

　　諧波極易造成保護誤動作，沖擊斷路器的保護限值，造成斷路器莫名跳閘甚至燒毀，一旦發(fā)生，給生產(chǎn)線造成極大損失；

　　以上情況最終會造成配電系統(tǒng)不能連續(xù)安全運營、用戶投資不能得到有效回報、用戶產(chǎn)品成本增加及運營成本升高、用戶生產(chǎn)效率降低或產(chǎn)能降低、用戶能耗巨大。

　　4  現(xiàn)狀分析、建議及治理效果

　　4.1現(xiàn)狀分析

　　傳統(tǒng)無功補償裝置導(dǎo)致配電系統(tǒng)諧波含量嚴重放大，且補償裝置元器件頻繁燒毀，分析得原因如下：

　　電容器容抗對高次諧波呈現(xiàn)低阻抗、容抗和以下參數(shù)相關(guān)。XL=1/(2X3.14XfXC)，配電系統(tǒng)的諧波含量越高，即頻率次數(shù)越高則容抗值越低，相同的電壓下，會造成電容器的電流異常放大。導(dǎo)致配電系統(tǒng)諧波電流異常升高，電容器過流、接觸器、保險、導(dǎo)線等均存在嚴重過流發(fā)熱情況，從而造成補償裝置電氣元器件頻繁損壞。

　　諧波電壓對電容器的危害。傳統(tǒng)無功補償裝置放大配電系統(tǒng)諧波電流，該諧波電流和配電系統(tǒng)的變壓器感抗及系統(tǒng)阻抗耦合后導(dǎo)致配電系統(tǒng)電壓發(fā)生畸變；超標的諧波電壓疊加系統(tǒng)的基波電壓后會導(dǎo)致系統(tǒng)電壓升高，造成電容器端電壓超過電容器的額定電壓，據(jù)相關(guān)資料電容器的端電壓升高10%，會導(dǎo)致電容器的壽命縮短一半時間；當網(wǎng)側(cè)的背景諧波電壓超標時，也會導(dǎo)致傳統(tǒng)無功補償裝置電容器的使用壽命縮短。

　　諧振：傳統(tǒng)無功補償裝置為容性負荷，與配電系統(tǒng)變壓器的感抗有固定諧振頻率，當負載頻繁波動時，會造成傳統(tǒng)無功補償裝置頻繁投切。另外，電容器隨著使用時間拉長，電容量會逐漸衰減，這些原因?qū)е聜鹘y(tǒng)無功補償有很高的諧振風險。當配電系統(tǒng)發(fā)生諧振時會導(dǎo)致配電系統(tǒng)的電壓、電流異常升高，嚴重危害電力負載和配電設(shè)備。

　　傳統(tǒng)無功補償裝置無法跟蹤負載快速波動。當配電負載為快速波動，傳統(tǒng)無功補償無法跟蹤，出現(xiàn)頻繁投切時，電容器投切時的浪涌沖擊電壓和電流也會導(dǎo)致電容器組迅速損壞，嚴重時會導(dǎo)致傳統(tǒng)無功補償裝置發(fā)生爆炸起火，造成系統(tǒng)停電等事故。

　　以上問題是傳統(tǒng)無功補償裝置無法規(guī)避的風險！

　　4.2對策建議

　　針對傳統(tǒng)無功補償裝置產(chǎn)生的諧波放大、功率因數(shù)無法有效提高、無法跟蹤負載的快速變化等問題，第三代無功補償裝置——靜止無功發(fā)生器SVG有效的解決了傳統(tǒng)無功補償裝置的問題。

　　4.2.1靜止無功發(fā)生器SVG原理

　　SVG以大功率電壓型逆變器為核心，通過調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓，使其和系統(tǒng)電壓形成可調(diào)基波電壓差或諧波電壓差，從而控制注入系統(tǒng)的無功電流或諧波電流，達到補償無功和抑制諧波的目的。

圖7 SVG工作原理圖

　　4.2.2 SVG產(chǎn)品主要特點

　　雙向無功補償：既可以補償容性負載，有可以補償感性負載，額定容量下可以保證功率因數(shù)0.99不波動；

　　濾除諧波：針對配電系統(tǒng)主要諧波含量如5、7、11、13次等諧波進行濾除，保證系統(tǒng)諧波含量符合國標14549-93標準；

　　跟蹤響應(yīng)速度快：SVG跟蹤負載進行濾波補償全響應(yīng)時間小于20ms；

　　精確補償，消除諧振：SVG濾波補償完全根據(jù)配電負載所需進行精確補償，不存在過補償問題，消除了配電系統(tǒng)因容性發(fā)生諧振的可能。

表2 SVG和傳統(tǒng)無功補償裝置性能比較

　　4.2.3 SVG和傳統(tǒng)無功補償裝置經(jīng)濟分析

　　傳統(tǒng)無功補償裝置主要部件為電容器或電容器電抗器組，其成本隨著經(jīng)濟發(fā)展較為平穩(wěn)上升。而SVG的核心器件為IGBT和DSP等電力電子元器件，其價格成本隨著材料應(yīng)用的成熟有下行趨勢，推廣應(yīng)用越迅速，其價格下降將會越快，二者的交集會快速到來。

　　綜合以上特點，SVG產(chǎn)品適應(yīng)了現(xiàn)代電網(wǎng)配電特征，是完全替代傳統(tǒng)無功補償裝置的最先進的第三代無功補償裝置。

　　5  SVG產(chǎn)品應(yīng)用案例

　　5.1項目背景

　　某有色冶金企業(yè)銅材SCR軋銅生產(chǎn)線，弱電干擾嚴重，變頻器模塊經(jīng)常損壞，電能質(zhì)量急需得到提升。

圖8 SCR軋銅生產(chǎn)線現(xiàn)場環(huán)境

　　5.2項目意義

　　諧波治理可以有效提高供電系統(tǒng)的可靠性，消除系統(tǒng)諧波危害；諧波治理可以顯著提高配電系統(tǒng)的功率因數(shù)，諧波治理可以大幅減少因諧波造成的高頻振蕩，降低軋線設(shè)備運行時噪音。所以該軋線諧波治理既能保證其配電系統(tǒng)的安全運行，提高生產(chǎn)效率，又能節(jié)能降耗具有很大經(jīng)濟效益。

　　5.3測試結(jié)果

　　實測粗軋和精軋設(shè)備運行時系統(tǒng)存在5、7、11、13次等特征諧波，諧波含量豐富。軋線工作時，負荷變化速度在幾個周波，對于諧波治理設(shè)備的響應(yīng)速度也提出了極高要求。

　　5.4項目方案

　　1250KVA軋銅變壓器低壓總進線側(cè)配置了一臺臺達300KVAR的靜止無功發(fā)生器。

　　5.5治理效果

　　網(wǎng)側(cè)波形從嚴重畸變恢復(fù)成正弦波波形。

表3 靜止無功發(fā)生器投入前后對比

　　5.6安裝圖片

圖9 安裝現(xiàn)場圖

　　5.7項目回顧

　　某有色冶金企業(yè)銅材軋線應(yīng)用臺達靜止無功發(fā)生器成功地解決了粗軋和精軋的諧波及無功補償問題，提高了軋線配電系統(tǒng)的電能品質(zhì)，保障了配電系統(tǒng)的可靠性，取得了極其顯著諧波治理及節(jié)能效果，整個項目于2011年7月全部安裝調(diào)試完成，運行至今。

　　6 總結(jié)

　　傳統(tǒng)無功補償裝置由于其固有的電氣特性不能適應(yīng)現(xiàn)代配電系統(tǒng)負載需求，而第三代無功補償裝置SVG克服了傳統(tǒng)無功補償裝置的問題，不但解決配電系統(tǒng)的諧波和無功問題，而自身作為電流源，有先天規(guī)避諧振風險的優(yōu)勢。安全、可靠、低耗地保證了配電系統(tǒng)的持續(xù)運營，SVG產(chǎn)品替代傳統(tǒng)無功補償裝置在配電系統(tǒng)中大面積推廣應(yīng)用必將成為一種趨勢。

　　作者簡介：

　　周巍，男，生于1972年10月，畢業(yè)于中國國防科技大學(xué)，計算機信息管理專業(yè)。現(xiàn)任中達電通股份有限公司節(jié)能應(yīng)用產(chǎn)品處經(jīng)理，從事電能質(zhì)量產(chǎn)品開發(fā)、規(guī)劃和營銷，具有多年從事電能質(zhì)量產(chǎn)品的行業(yè)經(jīng)驗。