在電子供電系統中如何選擇低壓無(wú)功功率補償裝置

　　無(wú)功功率補償裝置在電子供電系統中所承擔的作用是提高電網(wǎng)的功率因數，降低供電變壓器及輸送線(xiàn)路的損耗，提高供電效率，改善供電環(huán)境。所以無(wú)功功率補償裝置在電力供電系統中處在一個(gè)不可缺少的非常重要的位置。合理的選擇補償裝置，可以做到最大限度的減少網(wǎng)絡(luò )的損耗，使電網(wǎng)質(zhì)量提高。反之，如選擇或使用不當，可能造成供電系統，電壓波動(dòng)，諧波增大等諸多因素。

一、按投切方式分類(lèi):

　　1. 延時(shí)投切方式

　　延時(shí)投切方式即人們熟稱(chēng)的"靜態(tài)"補償方式。這種投切依靠于傳統的接觸器的動(dòng)作，當然用于投切電容的接觸器專(zhuān)用的，它具有抑制電容的涌流作用，延時(shí)投切的目的在于防止接觸器過(guò)于頻繁的動(dòng)作時(shí)，電容器造成損壞，更重要的是防備電容不停的投切導致供電系統振蕩，這是很危險的。當電網(wǎng)的負荷呈感性時(shí)，如電動(dòng)機、電焊機等負載，這時(shí)電網(wǎng)的電流滯帶后電壓一個(gè)角度，當負荷呈容性時(shí)，如過(guò)量的補償裝置的控制器，這是電網(wǎng)的電流超前于電壓的一個(gè)角度，即功率因數超前或滯后是指電流與電壓的相位關(guān)系。通過(guò)補償裝置的控制器檢測供電系統的物理量，來(lái)決定電容器的投切，這個(gè)物理量可以是功率因數或無(wú)功電流或無(wú)功功率。

　　下面就功率因數型舉例說(shuō)明。當這個(gè)物理量滿(mǎn)足要求時(shí)，如cosΦ超前且>0.98，滯后且>0.95，在這個(gè)范圍內，此時(shí)控制器沒(méi)有控制信號發(fā)出，這時(shí)已投入的電容器組不退出，沒(méi)投入的電容器組也不投入。當檢測到cosΦ不滿(mǎn)足要求時(shí)，如cosΦ滯后且<0.95，那么將一組電容器投入，并繼續監測cosΦ如還不滿(mǎn)足要求，控制器則延時(shí)一段時(shí)間（延時(shí)時(shí)間可整定），再投入一組電容器，直到全部投入為止。當檢測到超前信號如cosΦ<0.98,即呈容性載荷時(shí)，那么控制器就逐一切除電容器組。要遵循的原則就是：先投入的那組電容器組在切除時(shí)就要先切除。如果把延時(shí)時(shí)間整定為300s，而這套補償裝置有十路電容器組，那么全部投入的時(shí)間就為30分鐘，切除也這樣。在這段時(shí)間內無(wú)功損失補只能是逐步到位。如果將延時(shí)時(shí)間整定的很短，或沒(méi)有設定延時(shí)時(shí)間，就可能會(huì )出現這樣的情況。當控制器監測到cosΦ〈0.95，迅速將電容器組逐一投入，而在投入期間，此時(shí)電網(wǎng)可能已是容性負載即過(guò)補償了，控制器則控制電容器組逐一切除，周而復始，形成震蕩，導致系統崩潰。是否能形成振蕩與負載的性質(zhì)有密切關(guān)系，所以說(shuō)這個(gè)參數需要根據現場(chǎng)情況整定，要在保證系統安全的情況下，再考慮補償效果。

　　2. 瞬時(shí)投切方式

　　瞬時(shí)投切方式即人們熟稱(chēng)的"動(dòng)態(tài)"補償方式，應該說(shuō)它是半導體電力器件與數字技術(shù)綜合的技術(shù)結晶，實(shí)際就是一套快速隨動(dòng)系統，控制器一般能在半個(gè)周波至1個(gè)周波內完成采樣、計算，在2個(gè)周期到來(lái)時(shí)，控制器已經(jīng)發(fā)出控制信號了。通過(guò)脈沖信號使晶閘管導通，投切電容器組大約20-30毫秒內就完成一個(gè)全部動(dòng)作，這種控制方式是機械動(dòng)作的接觸器類(lèi)無(wú)法實(shí)現的。動(dòng)態(tài)補償方式作為新一代的補償裝置有著(zhù)廣泛的應用前景?，F在很多開(kāi)關(guān)行業(yè)廠(chǎng)都試圖生產(chǎn)、制造這類(lèi)裝置且有的生產(chǎn)廠(chǎng)已經(jīng)生產(chǎn)出很不錯的裝置。當然與國外同類(lèi)產(chǎn)品相比從性能上、元器件的質(zhì)量、產(chǎn)品結構上還有一定的差距。

　　動(dòng)態(tài)補償的線(xiàn)路方式

　　(1)LC串接法原理如圖1所示

　　這種方式采用電感與電容的串聯(lián)接法，調節電抗以達到補償無(wú)功損耗的目的。從原理上分析，這種方式響應速度快，閉環(huán)使用時(shí)，可做到無(wú)差調節，使無(wú)功損耗降為零。從元件的選擇上來(lái)說(shuō)，根據補償量選擇1組電容器即可，不需要再分成多路。既然有這么多的優(yōu)點(diǎn)，應該是非常理想的補償裝置了。但由于要求選用的電感量值大，要在很大的動(dòng)態(tài)范圍內調節，所以體積也相對較大，價(jià)格也要高一些，再加一些技術(shù)的原因，這項技術(shù)到目前來(lái)說(shuō)還沒(méi)有被廣泛采用或使用者很少。

　　(2)采用電力半導體器件作為電容器組的投切開(kāi)關(guān)，較常采用的接線(xiàn)方式如圖2。圖中BK為半導體器件，C1為電容器組。這種接線(xiàn)方式采用2組開(kāi)關(guān)，另一相直接接電網(wǎng)省去一組開(kāi)關(guān)，有很多優(yōu)越性。

　　作為補償裝置所采用的半導體器件一般都采用晶閘管，其優(yōu)點(diǎn)是選材方便，電路成熟又很經(jīng)濟。其不足之處是元件本身不能快速關(guān)斷，在意外情況下容易燒毀，所以保護措施要完善。當解決了保護問(wèn)題，作為電容器組投切開(kāi)關(guān)應該是較理想的器件。動(dòng)態(tài)補償的補償效果還要看控制器是否有較高的性能及參數。很重要的一項就是要求控制器要有良好的動(dòng)態(tài)響應時(shí)間，準確的投切功率，還要有較高的自識別能力，這樣才能達到最佳的補償效果。
     
　　去觸發(fā)晶閘管導通，相應的電容器組也就并人線(xiàn)路運行。需要強調的是晶閘管導通的條件必須滿(mǎn)足其所在相的電容器的端電壓為零，以避免涌流造成元件的損壞，半導體器件應該是無(wú)涌流投切。當控制指令撤消時(shí)，觸發(fā)脈沖隨即消失，晶閘管零電流自然關(guān)斷。關(guān)斷后的電容器電壓為線(xiàn)路電壓交流峰值，必須由放電電阻盡快放電，以備電容器再次投入。

　　元器件可以選單項晶閘管反并聯(lián)或是雙向晶閘管，也可選適合容性負載的固態(tài)接觸器，這樣可以省去過(guò)零觸發(fā)的脈沖電路，從而簡(jiǎn)化線(xiàn)路，元件的耐壓及電流要合理選擇，散熱器及冷卻方式也要考慮周全。

　　3.混合投切方式

　　實(shí)際上就是靜態(tài)與動(dòng)態(tài)補償的混合，一部分電容器組使用接觸器投切，而另一部分電容器組使用電力半導體器件。這種方式在一定程度上可做到優(yōu)勢互補，但就其控制技術(shù)，目前還見(jiàn)到完善的控制軟件，該方式用于通常的網(wǎng)絡(luò )如工礦、小區、域網(wǎng)改造，比起單一的投切方式拓寬了應用范圍，節能效果更好。補償裝置選擇非等容電容器組，這種方式補償效果更加細致，更為理想。還可采用分相補償方式，可以解決由于線(xiàn)路三相不平行造成的損失。

　　4. 在無(wú)功功率補償裝置的應用方面，選擇那一種補償方式，還要依電網(wǎng)的狀況而定，首先對所補償的線(xiàn)路要有所了解，對于負荷較大且變化較快的工況，電焊機、電動(dòng)機的線(xiàn)路采用動(dòng)態(tài)補償，節能效果明顯。對于負荷相對平穩的線(xiàn)路應采用靜態(tài)補償方式，也可使用動(dòng)態(tài)補償裝置。對于一些特殊的工作環(huán)境就要慎重選擇補償方式，尤其線(xiàn)路中含有瞬變高電壓、大電流沖擊的場(chǎng)合是不能采用動(dòng)態(tài)補償的。一般電焊工作時(shí)間均在幾秒鐘以上，電動(dòng)機啟動(dòng)也在幾秒鐘以上，而動(dòng)態(tài)補償的響應時(shí)間在幾十毫秒，按40毫秒考慮則從40毫秒到5秒鐘之內是一個(gè)相對的穩態(tài)過(guò)程，動(dòng)態(tài)補償裝置能完成這個(gè)過(guò)程。如果線(xiàn)路中沒(méi)有出現這么一段相對的穩態(tài)過(guò)程并能量又有較大的變化，我們把它稱(chēng)為瞬變或閃變，采用動(dòng)態(tài)補償就要出問(wèn)題并可能引發(fā)事故。

二、無(wú)功功率補償控制器

　　無(wú)功功率補償控制器有三種采樣方式，功率因數型、無(wú)功功率型、無(wú)功電流型。選擇那一種物理控制方式實(shí)際上就是對無(wú)功功率補償控制器的選擇?？刂破魇菬o(wú)功補償裝置的指揮系統，采樣、運算、發(fā)出投切信號，參數設定、測量、元件保護等功能均由補償控制器完成。十幾年來(lái)經(jīng)歷了由分立元件--集成線(xiàn)路--單片機--DSP芯片一個(gè)快速發(fā)展的過(guò)程，其功能也愈加完善。就國內的總體狀況，由于市場(chǎng)的需求量很大，生產(chǎn)廠(chǎng)家也愈來(lái)愈多，其性能及內在質(zhì)量差異很大，很多產(chǎn)品名不符實(shí)，在選用時(shí)需認真對待。在選用時(shí)需要注意的另一個(gè)問(wèn)題就是國內生產(chǎn)的控制器其名稱(chēng)均為"XXX無(wú)功功率補償控制器"，名稱(chēng)里出現的"無(wú)功功率"的含義不是這臺控制器的采樣物理量。采樣物理量取決于產(chǎn)品的型號，而不是產(chǎn)品的名稱(chēng)。

　　1.功率因數型控制器

　　功率因數用cosΦ表示，它表示有功功率在線(xiàn)路中所占的比例。當cosΦ=1時(shí)，線(xiàn)路中沒(méi)有無(wú)功損耗。提高功率因數以減少無(wú)功損耗是這類(lèi)控制器的最終目標。這種控制方式也是很傳統的方式，采樣、控制也都較容易實(shí)現。

　　* "延時(shí)"整定，投切的延時(shí)時(shí)間，應在10s-120s范圍內調節 "靈敏度"整定，電流靈敏度，不大于0-2A 。

　　* 投入及切除門(mén)限整定，其功率因數應能在0.85（滯后）-0.95（超前）范圍內整定。

　　* 過(guò)壓保護設量

　　* 顯示設置、循環(huán)投切等功能

　　這種采樣方式在運行中既要保證線(xiàn)路系統穩定、無(wú)振蕩現象出現，又要兼顧補償效果，這是一對矛盾，只能在現場(chǎng)視具體情況將參數整定在較好的狀態(tài)下工作。即使調整的較好，也無(wú)法禰補這種方式本身的缺陷，尤其是在線(xiàn)路重負荷時(shí)。舉例說(shuō)明：設定投入門(mén)限；cosΦ=0.95（滯后）此時(shí)線(xiàn)路重載荷，即使此時(shí)的無(wú)功損耗已很大，再投電容器組也不會(huì )出現過(guò)補償，但cosΦ只要不小于0.95，控制器就不會(huì )再有補償指令，也就不會(huì )有電容器組投入，所以這種控制方式建議不做為推薦的方式。

　　2. 無(wú)功功率（無(wú)功電流）型控制器

　　無(wú)功功率（無(wú)功電流）型的控制器較完善的解決了功率因數型的缺陷。一個(gè)設計良好的無(wú)功型控制器是智能化的，有很強的適應能力，能兼顧線(xiàn)路的穩定性及檢測及補償效果，并能對補償裝置進(jìn)行完善的保護及檢測，這類(lèi)控制器一般都具有以下功能：

　　* 四象限操作、自動(dòng)、手動(dòng)切換、自識別各路電容器組的功率、根據負載自動(dòng)調節切換時(shí)間、諧波過(guò)壓報警及保護、線(xiàn)路諧振報警、過(guò)電壓保護、線(xiàn)路低電流報警、電壓、電流畸變率測量、顯示電容器功率、顯示cosΦ、U、I、S、P、Q及頻率。

　　由以上功能就可以看出其控制功能的完備，由于是無(wú)功型的控制器，也就將補償裝置的效果發(fā)揮得淋漓盡致。如線(xiàn)路在重負荷時(shí)，那怕cosΦ已達到0.99（滯后），只要再投一組電容器不發(fā)生過(guò)補，也還會(huì )再投入一組電容器，使補償效果達到最佳的狀態(tài)。采用DSP芯片的控制器，運算速度大幅度提高，使得富里葉變換得到實(shí)現。當然，不是所有的無(wú)功型控制器都有這么完備的功能。國內的產(chǎn)品相對于國外的產(chǎn)品還存在一定的差距。

　　3. 用于動(dòng)態(tài)補償的控制器

　　對于這種控制器要求就更高了，一般是與觸發(fā)脈沖形成電路一并考慮的，要求控制器抗干擾能力強，運算速度快，更重要的是有很好的完成動(dòng)態(tài)補償功能。由于這類(lèi)控制器也都基于無(wú)功型，所以它具備靜態(tài)無(wú)功型的特點(diǎn)。

　　目前，國內用于動(dòng)態(tài)補償的控制器，與國外同類(lèi)產(chǎn)品相比有較大的差距，一是在動(dòng)態(tài)響應時(shí)間上較慢，動(dòng)態(tài)響應時(shí)間重復性不好。二是補償功率不能一步到位，這些應是生產(chǎn)廠(chǎng)家要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。另外，相應的國家標準也尚未見(jiàn)到，這方面落后于發(fā)展。

三、濾波補償系統

　　由于現代半導體器件應用愈來(lái)愈普遍，功率也更大，但它的負面影響就是產(chǎn)生很大的非正弦電流。使電網(wǎng)的諧波電壓升高，畸變率增大，電網(wǎng)供電質(zhì)量變壞。

　　如果供電線(xiàn)路上有較大的諧波電壓，尤其5次以上，這些諧波將被補償裝置放大。電容器組與線(xiàn)路串聯(lián)諧振，使線(xiàn)路上的電壓、電流畸變率增大，還有可能造成設備損壞，再這種情況下補償裝置是不可使用的。最好的解決方法就是在電容器組串接電抗器來(lái)組成諧波濾波器。濾波器的設計要使在工頻情況下呈容性，以對線(xiàn)路進(jìn)行無(wú)功補償，對于諧波則為感性負載，以吸收部分諧波電流，改善線(xiàn)路的畸變率。增加電抗器后，要考慮電容端電壓升高的問(wèn)題。

　　濾波補償裝置即補償了無(wú)功損耗又改善了線(xiàn)路質(zhì)量，雖然成本提高較多，但對于諧波成分較大的線(xiàn)路還是應盡量考慮采用，不能認為裝置一時(shí)不出問(wèn)題就認為沒(méi)有問(wèn)題存在。很多情況下，采用五次、七次、十一次或高通濾波器可以在補償無(wú)功功率的同時(shí)，對系統中的諧波進(jìn)行消除。