【摘要】本文主要介紹傳統(tǒng)無功補(bǔ)償裝置的應(yīng)用現(xiàn)狀，同時，通過對比應(yīng)用效果，指出了傳統(tǒng)無功補(bǔ)償裝置的弊端以及第三代無功補(bǔ)償裝置的經(jīng)濟(jì)價值。

【Abstract】This paper introduces application status of traditional Reactive power compensation device ,meanwhile, through the comparison of application effect, defects of traditional Reactive power compensation device and economic
 value of SVG are pointed out.

【關(guān)鍵字】SVG；功率因數(shù)；配電系統(tǒng)

【Keywords】SVG; power factor; power distribution system

1  傳統(tǒng)無功補(bǔ)償裝置應(yīng)用背景及現(xiàn)狀

隨著中國三十年的經(jīng)濟(jì)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(fù)載在配電系統(tǒng)占比越來越高。傳統(tǒng)無功補(bǔ)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(yán)重漏油、串抗頻繁燒毀、保險損壞爆炸，嚴(yán)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(bǔ)償柜和系統(tǒng)問題的典型照片。

圖1 接觸器燒毀

圖2 嚴(yán)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(bǔ)償投入前后數(shù)據(jù)可以清晰看到傳統(tǒng)無功補(bǔ)償對諧波嚴(yán)重放大的情況。

圖5 配電系統(tǒng)架構(gòu)圖

測試地點(diǎn)為1#變380V低壓總進(jìn)線開關(guān)側(cè)：

表1投入傳統(tǒng)無功補(bǔ)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(bǔ)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(biāo)14549-93標(biāo)準(zhǔn)；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(yán)重漏油現(xiàn)象，也頻繁出現(xiàn)空壓機(jī)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(fēng)險

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

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

傳統(tǒng)無功補(bǔ)償裝置無法跟蹤負(fù)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(hù)斷電，使生產(chǎn)中斷，產(chǎn)生嚴(yán)重后果；

由于傳統(tǒng)無功補(bǔ)償裝置不能正常運(yùn)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(yán)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(yán)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(fēng)險；

超標(biāo)的電壓諧波會嚴(yán)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(yùn)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(fù)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(hù)誤動作，沖擊斷路器的保護(hù)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(yùn)營、用戶投資不能得到有效回報、用戶產(chǎn)品成本增加及運(yùn)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(bǔ)償裝置導(dǎo)致配電系統(tǒng)諧波含量嚴(yán)重放大，且補(bǔ)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(yán)重過流發(fā)熱情況，從而造成補(bǔ)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(bǔ)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(biāo)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(dāng)網(wǎng)側(cè)的背景諧波電壓超標(biāo)時，也會導(dǎo)致傳統(tǒng)無功補(bǔ)償裝置電容器的使用壽命縮短。

諧振：傳統(tǒng)無功補(bǔ)償裝置為容性負(fù)荷，與配電系統(tǒng)變壓器的感抗有固定諧振頻率，當(dāng)負(fù)載頻繁波動時，會造成傳統(tǒng)無功補(bǔ)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(bǔ)償有很高的諧振風(fēng)險。當(dāng)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(yán)重危害電力負(fù)載和配電設(shè)備。

傳統(tǒng)無功補(bǔ)償裝置無法跟蹤負(fù)載快速波動。當(dāng)配電負(fù)載為快速波動，傳統(tǒng)無功補(bǔ)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(yán)重時會導(dǎo)致傳統(tǒng)無功補(bǔ)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(bǔ)償裝置無法規(guī)避的風(fēng)險！

4.2對策建議

針對傳統(tǒng)無功補(bǔ)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(fù)載的快速變化等問題，第三代無功補(bǔ)償裝置——靜止無功發(fā)生器SVG有效的解決了傳統(tǒng)無功補(bǔ)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(dá)到補(bǔ)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(diǎn)

雙向無功補(bǔ)償：既可以補(bǔ)償容性負(fù)載，有可以補(bǔ)償感性負(fù)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(jìn)行濾除，保證系統(tǒng)諧波含量符合國標(biāo)14549-93標(biāo)準(zhǔn)；

跟蹤響應(yīng)速度快：SVG跟蹤負(fù)載進(jìn)行濾波補(bǔ)償全響應(yīng)時間小于20ms；

精確補(bǔ)償，消除諧振：SVG濾波補(bǔ)償完全根據(jù)配電負(fù)載所需進(jìn)行精確補(bǔ)償，不存在過補(bǔ)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(bǔ)償裝置性能比較

4.2.3 SVG和傳統(tǒng)無功補(bǔ)償裝置經(jīng)濟(jì)分析

傳統(tǒng)無功補(bǔ)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(jì)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(diǎn)，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(bǔ)償裝置的最先進(jìn)的第三代無功補(bǔ)償裝置。

5  SVG產(chǎn)品應(yīng)用案例

5.1項(xiàng)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(yán)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(xiàng)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(yùn)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(yùn)行，提高生產(chǎn)效率，又能節(jié)能降耗具有很大經(jīng)濟(jì)效益。

5.3測試結(jié)果

實(shí)測粗軋和精軋?jiān)O(shè)備運(yùn)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(fù)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(xiàng)目方案

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

5.5治理效果

網(wǎng)側(cè)波形從嚴(yán)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(xiàng)目回顧

某有色冶金企業(yè)銅材軋線應(yīng)用臺達(dá)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(bǔ)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(xiàng)目于2011年7月全部安裝調(diào)試完成，運(yùn)行至今。

6  總結(jié)

傳統(tǒng)無功補(bǔ)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(fù)載需求，而第三代無功補(bǔ)償裝置SVG克服了傳統(tǒng)無功補(bǔ)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(fēng)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(yùn)營，SVG產(chǎn)品替代傳統(tǒng)無功補(bǔ)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(jī)信息管理專業(yè)?，F(xiàn)任中達(dá)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(yàn)。