安科瑞智慧型动态无功补偿的工业应用 —— 以江苏某陶瓷生产企业配电房改造为例

安科瑞 程瑜

摘 要：低压配电系统的无功补偿是电能质量治理的重要环节。在传统无功补偿中，响应速度较慢，补偿电流呈阶梯式，存在过补或欠补的现象，有时未必能到达理想的效果。为了解决这一问题，人们提出了一种无功补偿综合控制方法，通过采集电力系统中的电压、电流及功率，实时协调控制LC（电容电抗）和SVG（静止无功发生器）模块进行混合补偿，又称智慧型动态无功补偿，可以实现补偿电流的连续输出。将此方案应用于工程实际中，结果表明该方案可以有效地改善供电质量、提高系统功率因数。

关键词：电能质量；无功补偿综合控制；LC；静止无功发生器；智慧型动态无功补偿

0 引言

随着现代社会经济和文化的不断发展，陶瓷生产行业的整体用电量激增，但同时也带来了一系列的电能质量问题，陶瓷生产企业的主要负荷有滚压成型机、球磨机等，例如球磨机采用变频驱动。由于原材料体积不规则，球磨机运行冲击电流较大，同时产生3、5、7次等谐波，导致传统无功补偿响应跟不上、电容器损坏较多、功率因数较低，影响了电力系统的稳定，

1 无功补偿概述

在交流电力系统中，绝大多数负载都是感性负载，如变压器、电动机、压缩机、空调等，其等效电路可看作电阻R和电感L的串联电路，如下图4所示。

图4-供电系统等效电路 图5-功率因数得到提高

由图5的相量图可知，没有投入电容C时，电压U和电流I的相位角为φ1，投入电容C后，电压U和电流I的相位角为φ2，电压电流的相位角减小了，则系统的功率因数得到了提升。当容性负荷释放能量时，感性负荷吸收能量；而感性负荷释放能量时，容性负荷吸收能量，能量在两种负荷之间交换，如图6所示。这样，感性负荷所吸收的无功功率可从容性负荷输出的无功功率中得到补偿，不仅可以提高功率因数和系统电压，还能有效地减少系统电能损耗。

图6-容性负荷和感性负荷的能量交换

从无功相位角度进行分析，纯阻性负载的电压和电流同相位，感性负载的电压超前电流，容性负载的电压滞后电流，如图7所示。

图7-无功的相位分析

2 无功补偿的形式

2.1 LC无功补偿

LC无功补偿属于传统的电容补偿，工作时并联在电力系统中，根据电网中负载功率因数的变化，控制电力电容器投切进行无功补偿。其原理为：通过CT采集电压、电流信号，再由控制器计算出投切方案，控制投切开关（复合开关、晶闸管开关等）对各组电力电容器进行投切。如图8所示。

图8-LC无功补偿的工作原理

2.2 SVG无功补偿

SVG属于有源型无功补偿设备，它将三相桥式电路通过电抗器并联到电网，根据系统的无功功率，通过IGBT功率变换器输出满足要求的容性或感性基波电流，从而实现动态无功补偿，不会出现过补或欠补现象，且补偿平滑，不会产生对负载和电网的涌流冲击。其原理如图9所示。

图9-SVG无功补偿的工作原理

2.3 智慧型动态无功补偿

LC补偿在负荷变化较快或存在冲击负荷的场合无法做到快速响应，易出现过补或欠补，其次LC补偿装置中的并联电容器对谐波电流具有放大作用，容易引起系统谐振，但在成本上较为经济。SVG可对感性和容性无功进行连续快速补偿，避免过补和欠补的发生，且不会与系统或负载设备产生谐振，适用于负载快速变化的场合，但其成本也相对较高。

鉴于上述两种补偿方式的优缺点，人们通过研究设计出来一种用于无功补偿的新型电力电子装置——智慧型动态无功补偿装置。它采用了一种无功补偿综合控制方法，加入控制器来控制SVG模块和LC模块投切，用SVG模块的快速响应、准确补偿的特性来弥补LC模块响应速度慢、分级补偿的缺点，相对于全SVG补偿又降低了成本。其补偿原理如图10所示，检测补偿对象的电压和电流，经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流，然后通过控制器控制SVG模块先行投入补偿，随后投入LC模块，调节SVG模块输出电流以满足无功需求，使功率因数达到设定值。

图10-智慧型动态无功补偿的工作原理

LC补偿（电容补偿）和LC+SVG补偿（智慧型无功补偿）的补偿曲线对比如图11、图12所示。

图11-电容补偿 图12-智慧型无功补偿

3 智慧型无功补偿的工业应用案例

江苏某陶瓷生产企业的主要负荷为球磨机，在运行时的电流冲击很大，现场谐波以3、5、7次为主，影响了电力系统的稳定，导致补偿电容器损坏较多、系统功率因数较低。现场配电房的变压器容量为1600kVA，原电容柜装机容量300kvar。智慧型无功补偿方案应用前后的电能质量数据如图14、图15所示。

图14-智慧型无功补偿应用前的电能质量数据

图15-智慧型无功补偿应用后的电能质量数据

根据现场工况，我们采用安科瑞LC+SVG综合控制的智慧型无功补偿方案，由前期测量数据估算所需整柜容量为500kvar（两台250kvar，主辅柜），另外考虑现场谐波以3、5、7次为主，LC电容补偿采用电抗率14%的电抗器与补偿电容进行串联匹配，更能有效的抑制谐波和保护电容器。通过控制器协调ANSVG-S-G 100kvar模块与电容器同时进行无功输出，对比治理前后的数据，功率因数由0.87提升到0.98，因为SVG在无功补偿的同时也能治理部分谐波，所以B相的电流畸变率由原来的23.28%降低到9.06%，达到了明显的治理效果。表1为单台装机容量250kvar智慧型动态无功补偿装置主要设备元件的配置方案。

表1-单台250kvar智慧型动态无功补偿装置主要设备元件配置方案

4 结束语

本文对安科瑞智慧型动态无功补偿方案进行了简述，该方案融合了LC补偿和SVG补偿的优势，实时协调控制电容器和SVG补偿模块进行混合无功补偿，确保了无功补偿的快速性、连续性和准确性，同时方案成本也能被大多数企业所接受。通过工程实际案例的应用，对比方案前后的治理效果，提高了系统功率因数，同时也治理了谐波，改善了企业的用电环境，降低了企业电能质量治理投入的大成本，有利于企业的经营和生产，为企业创造了价值。

参考文献

[1] GB 50227—2017 并联电容器装置设计规范

[2] GB／T 15576-2020 低压成套无功功率补偿装置

[3] DL／T 1216-2019 低压静止无功发生装置威廉希尔官方网站 规范

[4] 安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.05版

[5] 王兆安.谐波抑制和无功补偿.机械工业出版社

[6] 黄春光.一种低压配电系统无功补偿综合控制方法.电气威廉希尔官方网站 -第7期

审核编辑 黄宇