高压动态无功补偿（精选8篇）
高压动态无功补偿 篇1
0 引言
介绍了一种基于电磁耦合装置和低压晶闸管动态无功补偿系统的高压无功补偿方案,该方案摆脱了将电容器组直接投入高压系统的思路约束,利用低压晶闸管动态无功补偿系统技术,结合电磁耦合方式实现10 k V高压动态无功补偿。本文主要研究了适用于该高压无功补偿装置的控制器的设计,分别介绍了控制器如何实现电网参数采样计算和电容投切控制等功能,最后用实验结果证明了该控制器的可行性。
1 高压无功补偿系统工作原理
利用低压晶闸管动态无功补偿系统,采用电磁耦合方式实现10 kV高压动态无功补偿装置,如图1所示。该装置由2大部分组成:一部分为主电路,包括电磁耦合系统、晶闸管投切开关、补偿电容器(9路共补电容器和3路分补电容器);另一部分为控制系统,即控制器。该装置的基本工作原理如下:首先将10 k V等级的电压、电流信号通过电压、电流互感器转化成100 V/5 A等级的电压、电流,再将100 V/5 A等级的电压、电流送至控制器进行采样处理,控制器计算出有功功率、无功功率和功率因数等参数,然后根据设定目标值产生投切控制信号,驱动晶闸管投切电容器,在低压侧产生的容性无功功率通过电磁耦合系统耦合到高压电网侧,从而达到高压无功补偿的目的。
与现有10 kV晶闸管动态无功补偿系统相比,该装置的特点是可靠性高,由于高压侧无需采用多个晶闸管的串联,因此避免了由于晶闸管串联均压失败而导致的事故,使高压无功补偿系统的可靠性达到了低压无功补偿系统的水平。
所设计的高压动态无功补偿装置控制器选用TMS320系列DSP控制芯片TMS320LF2407A为核心控制器。该芯片专门为实时信号处理而设计,集高速运算处理能力和丰富的片内外设于一身,特别适用于高性能数字控制系统,能够满足动态无功补偿控制的实时检测和处理的要求[4,5],使控制器具有高精度、高可靠性、功能结构模块化和低成本等优点。
控制器首先将高压交流信号转化为DSP芯片能够识别的低电压交流信号;然后将转换得到的低电压交流信号送至采样计算控制电路,采用软硬件相结合的方法实时同步采样电压和电流,并使用快速傅里叶算法和均方根算法计算得到基波电压有效值、基波电流有效值等电量参数,最后分析计算得到应补偿容性无功功率大小,进而对电容组电容进行投切,实现电网无功功率的动态补偿。
2 电网信号采样及计算原理
高压动态无功补偿装置控制器要采样100 V/5 A等级的三相电压、电流信号,必须先将100 V/5 A等级的交流信号转换为能被DSP芯片识别的0~3.3 V的模拟信号,然后送至DSP芯片进行采样处理。由于控制器要完成对三相电压、电流信号的6路采样,故需要6路电压信号调整电路,实现对6路低压信号的电压调整[6]。
为了实现对电网电压、电流实时同步采样,本文采用的是硬件原理简单的软件同步采样[7]:先由硬件测出被测信号的周期T,然后将周期N等分,则采样间隔为Δt=T/N,其中N为1个周期内的采样点数,由此确定定时器的计数值Δt,用定时中断方式实现对被测信号同步采样。基于上述原理,本控制器采用NE555芯片构造的测频电路[6],该电路将电网的正弦波信号转换为同频率的方波信号,然后利用DSP内部事件管理器(EVA)的捕获功能来测量电网频率,最终实现对三相电压、电流逐个周期的等间隔时间采样。该方法的优点是无需硬件同步电路,结构简单,结果准确。
本文研制的控制器采用均方根算法和快速傅里叶算法对各个电量参数进行计算[8]。均方根算法根据连续周期交流信号的有效值及平均功率的定义,将连续信号离散化,用数值积分代替连续积分,得到有效值或平均值离散化的表达式。快速傅里叶算法是离散傅氏变换的快速算法,它是根据离散傅氏变换的奇、偶、虚、实等特性,对离散傅里叶变换的算法进行改进获得的,特别适合计算电网电压、电流基波及其各次谐波的有效值。下面简单介绍算法的原理。
连续周期电流信号的有效值计算公式为
其中,i(t)为电流瞬时值,T为交流信号周期。
将连续信号离散化,得:
其中,ik为各个采样点的值,N为一个周期内的采样点数,Ki为电流采样硬件通道系数。
根据式(2),使用均方根求取交流参数时必须取1个整周期的波形计算,否则会产生误差[9,10,11]。
对于连续时间函数f(t),其傅里叶级数的三角级数形式为
其中,为周期函数的角频率,h为谐波次数,
对于采样所得到的离散时间序列将ah和bh表达式离散化,可得:
本文只需要计算基波电量参数,故基波信号有效值及其相角分别为
将各个采样点值代入上述公式可得到基波电压有效值及其相角为
其中,Ku为电压采样硬件通道系数。
同理可得基波电流有效值及其相角为
由此可以进一步得到相位差、有功功率、无功功率和谐波畸变率等参数:
按照上述公式便可计算得到所需的各个电量参数。
3 投切电容控制
考虑到电网三相无功功率不平衡,本文研制的控制器需实现三相共补与分补投切控制[12],以无功功率作为投切电容的计算依据,以设定的功率因数作为约束条件,过压、欠压、谐波畸变和小电流保护相配合,即在过压、欠压、谐波畸变和小电流时切除所有电容器以保护电容器,实现了对电容器投切的复合逻辑控制。
如图1所示,所设计的高压动态无功补偿系统需要9路共补电容和3路分补电容,其中三相共补电容采用三角形接线方式,三相分补电容采用星形接线方式。
3.1 三相信号的采样计算
为了实现三相共补和分补投切控制,需实时计算各相无功功率值等电量参数。本文研制的控制器在程序中利用变量CHANNEL_SEL作为各相的选择标志,使控制器依次采样各相电压、电流并计算出各相电量参数。三相信号的采样计算方法如图2所示。
如图2所示,控制器首先将变量CHANNEL_SEL定义为i(i=A,B,C)相,然后对i相信号进行采样,实时计算出i相无功功率QRMS[i]等电量参数,并算出系统达到设定功率因数Sin时应投入的容性无功功率Q[i],其计算公式为
其中,U为相电压的有效值,I为相电流的有效值,QRMS[i]为当前各相无功功率,可由式(14)求得。
至此i相的各个电量参数计算完毕,此时更换变量CHANNEL_SEL值计算另外两相的电量参数及其应投入的容性无功功率值。由此可知,每次负载改变,至少需要3个电网周期才能完成各相电量参数的更新。
3.2 电容投切信号
为了提高动态补偿的补偿精度和实现电容循环投切,本控制器在共补电容值分配上采用的二进制编码和等值编码相结合的混合编码方式[13,14],即1244…编码。若最小的共补电容器的电容量为C[0],编码1、2、4对应的补偿电容器组容量分别为C[0]、2C[0]和4C[0],那么9路共补的总容量为31C[0]。
由于本文设计的控制器共控制9路共补电容和3路分补电容,12路的投切信号状态存储在16位变量PORT的低12位中,且1表示电容投入,0表示电容切除。由于负载的变化,控制器需要根据实时计算得到的各相电量参数更新投切的电容量,以满足动态无功补偿的要求。为了得到电容的投切信号,首先需要逐个读取存储于变量PORT低12位中的投切信号状态,由于12路补偿电容的容量是固定的,因此可以计算得到已经投入的各相共补容性无功功率QC_TEMP和各相分补容性无功功率QTEMP[i]。为了取得更好的无功补偿效果并防止系统因投切振荡而崩溃,所研制的控制器还设置了投切阈值,其中投入阈值CPLUS=0.8C[0],而切除阈值CMINUS=0.5 C[0],C[0]为最小共补电容容量[13]。需投切的无功功率Qf[i]的计算流程图如图3所示。
需投的无功功率Qf[i]的计算原理为:将已经投入的各相共补容性无功功率QC_TEMP和各相分补容性无功功率QTEMP[i]相加,得到各相已经投入的容性无功功率总和;考虑到投入阈值和切除阈值的处理[13],当Q[i]≥CPLUS时,当前各相应该投入容性无功功率为Q[i]+C[0]-CPLUS,当Q[i]<-CMINUS时,当前各相应该投入容性无功功率为Q[i]-C[0]+CMINUS;最后将各相已经投入的容性无功功率总和与考虑投切阈值时当前各相应该投入容性无功功率相加得到各相需投切的无功功率Qf[i]。其计算公式为
由于系统同时采用三相共补和三相分补,因此需要对需投切的无功功率Qf[i]进行分析,得到新的共补电容器组和分补电容组的投切信号,计算流程图如图4所示。
本文以之前计算得到的各相需投的无功功率Qf[i]中的最小值Qg,即Qg=min(Qf[A],Qf[B],Qf[C])作为共补无功容量的依据,然后根据共补电容器组的容量大小和Qg值确定实际投入的共补无功容量QG。本文中QF是分补电容器的容量,分补投切判据是利用QF
最后将新的投切信号变量值PORT_N与原来的投切信号变量值PORT比较,若两者不相等则重新发出投切电容器组的信号,否则保持原来电容投切状态。
4 实验结果
为验证本文所设计的高压动态无功补偿控制器的可行性,在实验室中建立了模拟高压动态无功补偿系统:利用线电压为380 V的市电模拟高压电网,而用线电压为150 V的交流源模拟低压侧,自耦变压器变比为380 V/150 V,负载为接在380 V侧的电阻箱和电抗器,补偿电容接在150 V侧,模拟实验时只采用了2组共补电容,每组容量分别为15 kvar和7.5 kvar,额定电压均为400 V,额定电流分别为21.7 A和10.8 A,三角形连接。
补偿前电压、电流波形如图5(a)所示,其功率因数为0.446;补偿后电压、电流波形如图5(b)所示,其功率因数为0.948。由于电容器的非线性特性,补偿后给实验系统带来了一定的谐波。
为了检验控制器动态响应时间,测量了从感性负载投入到控制器发出投切信号的响应时间。实验波形如图6所示,分别为投切电容器信号的电压波形u和模拟高压侧的系统电流波形i,感性负载投入瞬间会有一定的涌流[15],响应时间约为60 ms,即3个电网周期,实验结果与理论设计相符。
5 结语
本文介绍了一种利用低压动态无功补偿系统和电磁耦合方式实现10 kV高压动态无功补偿方案,控制器以DSP芯片TMS320LF2407A作为核心控制器,采用了均方根算法和快速傅里叶变换算法实现对交流信号的快速同步地计算处理,能实时跟踪计算电网系统的无功功率变化投切补偿电容器,保证了动态无功补偿的实时性。该控制器采用三相共补和三相分补的补偿策略,既保证了各相补偿容量也提高了各相补偿容量精度。实际运行结果表明,该控制器稳定可靠,检测计算精度高,控制补偿效果好,具有很好的实用价值。
高压动态无功补偿 篇2
【摘 要】通过分析静止无功发生器SVG（Static Var Generator）等效原理图，利用坐标变换提出了前馈解耦的控制策略，建立了同步旋转坐标系下的数学模型；经过Matlab/Simulink软件进行的仿真和装置现场运行，验证了该SVG在提高功率因数、无功补偿方面具有良好的性能和应用价值。
【关键词】无功补偿；静止无功发生器
0.引言
SVG（Static Var Generator）作为新一代无功功率补偿装置，克服了传统无功补偿装置响应速度慢、运行损耗和噪音大、维护困难等缺点，以其平滑的无功调节、快速的动态特性和优良的补偿性能，已成为谐波抑制和无功补偿的重要发展方向。
1.SVG 数学模型
SVG的等效原理图如图1-1所示，主电路采用三相桥式电压型变流器，三相电网电压为ea、eb、ec，连接电抗等效为L，直流侧电容为C，开关器件用理想开关代替，系统等效损耗用电阻为R表示。
图 1-1 SVG 主电路原理图
根据原理图可以得出电路的动态数学模型如式（1-1）：
L
=e
-Ri
-u
L
=e
-Ri
-u
L
=e
-Ri
-u
C
=
i
S
+i
S
+i
S（1-1）
式中S、S、S为三相单极性二值逻辑开关函数，定义如下：
S=1；第i相上管导通
0第i相下管导通（i=a，b，c） （1-2）
由于系统是三相三线平衡系统所以有：
e
+e
+e=0
u
+u
+u=0
i
+i
+i=0 （1-3）
由此推出：
u=- S
进一步可得：
ui=（udcSi+uN0）=（Si-S）udc，i=a，b，c （1-4）
将式（1-4）代入式（1-1）可得：
L
+
Ri
=e-（Sa-
S）udc
L
+Rib=eb-（Sb-
S）udc
L
+Ric=ec-（Sc-
S）udc
C
=
i
S
+i
S
+i
S（1-5）
从式（1-5）可以看出三相坐标系下的数学模型，物理意义清晰、直观，但是变量都为时变量，且较为复杂，不利于控制器的设计。为便于分析，将SVG 数学模型进行坐标变换，将其变换到旋转坐标系中。
变换矩阵为：
i
i
i= sinθ cosθ
sin（θ-120°） cos（θ-120°）
sin（θ+120°） cos（θ+120°）i
i
（1-6）
i
i
=cosθ cos（θ-120） cos（θ+120）
sinθ sin（θ-120） sin（θ+120）
i
i
i（1-7）
经化简的旋转坐标系（dq 系）下的数学模型如下：
L
+Ri
=e
-u+ω
Li
L
+Ri
=e
-u+ω
Li（1-8） 从式（1-8）可以看出系统方程已大大简化。坐标变换过程中，如果将电网电压矢量定向在d 轴上，则电网电压在q 轴上的分量eq为0，则（1-8）式将进一步被简化，且根据瞬时无功理论可得此时系统从电网吸收的有功和无功功率分别为P=e*i，q=e*iq。所以控制电流i和iq就可以动态的控制系统吸收的无功功率和有功功率。
2.SVG系统解耦分析
稳态时，同步旋转坐标系（d，q）上的电流i、iq为一个恒定不变的常量，故其导数为0，再忽略等效电阻后，简化后可得：
u=ωLi
+e
u=-ωLi
+e （2-1）
在上式基础上，加入i、iq的前馈环节，通过PI调节器进行控制，可得到（d，q）坐标系下的电压u、u改进的表达式如下：
u
=-（K
+）（i
-i
）+ωLi
+e
u=
-（K
+）（
i
-i
）-ωLi
+e （2-2）
式中：K、K分别为电流内环比例和积分调节增益；i、i分别为电流指令值。将式（2-2）带入式（1-8）化简，即可得到在两相同步旋转坐标系（d，q）上实现电流前馈解耦后得数学模型表达式：
L
=-[R-（K
+）]i
-
（K
+）i
L
=
-[R-（K
+）]iq
-（K
+）i
（2-3）
观察上式，基于电流前馈得控制算法使得电流i、iq的控制互不影响，式中的电流指令i、i分别为系统输入的有功电流和无功电流。这样就可以实现PWM整流器网侧有功和无功分量无耦合、独立控制，即实现了电流内环的解耦控制，便于电流调节器的设计。根据以上推导，可以得到三相PWM整流器的控制模型如图（2-1）：
图2-1 SVG控制模型
3.SVG系统仿真
利用 MatLab 中的Simulink 仿真环境，根据对系统的控制分析，建立系统仿真图如图（3-1）：
图3-1 SVG系统仿真图
图3-1 中，连接电抗为150uH和650uH，其中前者用于与三角形连接于两电抗器间母线上的电容构成滤波电路，降低设备对网侧的干扰。直流母线电容容量取3300μF（实际中采用四个电解电容两并两串联方式）。系统负载选择阻感性负载，直流侧电压给定设为750V。负载为感性负载1（R=2Ω，L=0.01H），其仿真结果如图3-2所示。
图3-2 系统电压电流波形
其中：蓝色为电压波形（被衰减为1/3），绿色为电流波形。
（上）图为网侧系统a相的电压和电流波形电压，电压电流同相，呈阻性。
（中）图为SVG a相的电压和电流波形电压，电流超前电压，呈容性。
（下）图为负载侧a相的电压和电流波形电压，电流滞后电压，呈感性。
4.SVG实验研究
根据上述分析，本文设计了一台以TMS320LF28335 DSP 芯片和ALTERAL CPLD EPM570为控制核心的SVG的无功补偿装置，其系统框图如图4-1 所示，硬件系统核心控制芯片采用的是TI 公司TMS320LF28335 DSP 芯片和ALTERAL CPLD EPM570，是无功发生器系统的核心部分，它主要完成电压、电流信号的检测、控制算法的实现、PWM 驱动信号的生成、各种保护功能的实现。
图4-1 混合式无功补偿装置系统图
投入额定电流50A电抗器，启动设备后，实测网侧波形如下图所示。
图 4-2 网侧电压电流波形
其中，1、2通道分别为A相电压、电流，探头衰减比例同上。由此图可以看出，设备运行后，网侧电压电流同相位，表明SVG已有效补偿无功缺失。
5.结论
本文通过分析SVG原理，提出了基于前馈控制的控制模型，进行了Matlab下的仿真，完成了装置的研制。该装置已应用于浦东供电公司10kV潍坊五村配电站，现场运行数据显示设备能够动态补偿无功功率、有效提高功率因数，性能稳定可靠，具有良好的应用前景。 [科]
【参考文献】
[1]王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制和无功补偿[M].北京：机械工业出版社，2005.
[2]张崇巍，张兴.PWM整流器及其控制[M].北京：机械工业出版社，2003：62-73.
高压动态无功补偿 篇3
近年来, 随着现代矿山生产模式向大型化、集约化发展, 煤矿井下机械化程度不断提升, 大功率电气设备大量使用, 供电线路随采掘面不断延伸而加长, 使得各种感性负荷与地面电网供电电源间存在着大量无功功率[1]。引起井下高压供电系统电压下降幅度大, 冲击压降大, 电压波动大, 功率因数低, 线路末端电压低等电能质量问题, 从而造成电气设备启动和运转不正常、设备和线路损耗增大过热、电气事故频发等情况;再加之电力电子设备等非线性装置在煤矿井下的大量使用, 除消耗大量无功功率外, 还产生大量的谐波危害, 造成电子设备或开关误动作或损坏, 引起电子元器件或用电设备发热, 使绝缘老化, 降低设备的使用寿命, 甚至被损坏。无功功率和谐波存在产生的这些危害日益明显, 已经对煤矿井下电网安全和用电设备安全造成明显影响, 成为困扰广大煤矿供电管理技术人员的难题, 对其进行有效治理也成为迫切需求[2]。
针对上述煤矿井下高压供电系统存在的供电质量问题, 本文基于DSP核心控制技术采用H桥级联电气拓扑结构研究设计了矿用一般型高压动态无功补偿及谐波治理设备。本文所研究的系统真正解决了煤矿井下高压配电系统长距离供电存在的重大产业技术难题, 填补了国内此项技术在矿井高压电网领域应用的空白。相对于传统的无功补偿装置, 此系统可靠性强、损耗少、成本低、响应速度快、适用范围广的优点, 获得了良好的经济和社会效益。
1 系统主控制图
1.1 主电路结构图
矿用一般型高压动态无功补偿及谐波治理装置主电路主要由隔离开关、连接电抗器、启动装置、功率单元、控制系统等组成, 完全适应井下10 (6) 电压等级的高压供电网络, 主电路结构图如图1所示。
1.2 系统工作原理
该系统工作时通过电力半导体开关的通断将直流侧电压转换成交流侧电网同频率的输出电压, 类似一个电压型逆变器, 只不过其交流侧输出接的不是无源负载, 而是电网。
当仅考虑基波频率时, 装置可以等效地被视为幅值和相位均可以控制的一个与电网同频率的交流电压源。经过电抗器或者变压器并联在电网上, 通过调节逆变器交流侧输出电压的幅值和相位, 或者直接控制其交流侧电流的幅值和相位, 迅速吸收或者发出所需的无功功率, 实现连续、平滑、快速、动态调节无功的目的[3,4]。
当采用直接电流控制时, 直接对交流侧电流进行控制, 不仅可以跟踪补偿冲击型负载的冲击电流, 而且可以对谐波电流也进行跟踪补偿, 实现对电能质量进行治理的目的。
2 控制系统硬件设计
系统控制系统主要由信号采集模块、控制驱动模块、通信模块组成。电路原理图如图2所示本系统控制核心采用TI公司推出的TMS320 F2812型DSP芯片, 大规模可编程逻辑器件CPLD/FPGA来实现;10 (6) k V等级的电压、电流信号通过电压、电流互感器转化成100V/5A等级的电压、电流, 经调理后经单线比较电路进入DSP内部的A/D转换电路, 控制驱动模块对数据进行处理计算出有功功率、无功功率和功率因数等参数, 然后根据设定目标产生投切控制信号, 驱动IGBT模块来投切电容器来发出所需的容性/感性无功功率到高压电网侧, 从而达到高压无功补偿的目的[5]。同时采用PLC控制器用于柜体内开关信号的逻辑处理, 以及现场各种操作信号和状态信号的协调。系统整体结构图如图2所示。
3 控制系统软件设计
本系统控制核心由高速32位数字信号处理器DSP、大规模可编程逻辑器件CPLD/FPGA和一体化人机界面协同运算来实现, PLC控制器用于柜体内开关信号的逻辑处理, 以及与现场各种操作信号和状态信号的协调, 增强了系统的灵活性。
系统中DSP主程序的功能主要为计算谐波与无功补偿指令电流、对直流侧总电压及上下电容均压进行控制, 接收外部的启动信号进行软启动, 接收外部的关断信号将指令电流置零等。主程序流程图如图3所示[7,8]。
当采样信号到来后, 首先对两路系统电流信号与三路电压控制信号进行采样保持与A/D转换, 然后根据系统电流与电压控制信号计算出指令电流, 对关机信号和开关模态判断后, 输出指令电流PWM信号。
4 算例与分析
4.1 现场概况
为了验证本文设计研究矿用一般型高压动态无功补偿装置的可行性, 本文选取兖矿东滩煤矿井下高压供电系统作为典型研究对象, 并以煤矿三采区供电系统作为试验地点。
装置并联在井下中央变电所与采区三变电所之间的供电主回路上, 主变压器由10k V变压供电, 容量为4.5MVA, 三采区变电所母线直接带负荷设备有一台东翼二皮机尾电机、两台皮带机头电机和3204泵站及一台运输机、皮带机等, 总运行有功功率P约为3.5MW;三采区一号变电所带的设备有两台皮带运输机、五台大型风扇及其它二次设备, 总运行有功功率约为800k W;3204综采工作面通过高防开关所带设备为一台采煤机、一台转载机、一台破碎机、两台乳化泵和两台清水泵, 推算总运行有功功率约为1.6MW。
4.2 测试结果与分析
为了更好的获得装置投入运行前后补偿效果, 在此采用FLUKE电能质量分析仪对是生产时段实验数据进行测量, 测量结果如下:
4.2.1 10k V母线电压
三相母线电压值基本维持在10.15k V上下波动不大, 电压波动小于等于2.0%, 电压总畸变斜率DTH小于等于3.9%, 母线电压能够保持在一个很高水平, 能够很好的稳定线路末端电压, 保证负荷面电气设备顺利启动和正常工作。
4.2.2 10k V母线电流
由图4对比图可知, 装置未投入运行时, 母线电流达到130A, 电流波动范围大;装置投入运行时, 电流波动变化范围明显减小, 电流大小大约在95A左右, 大大降低线路损耗, 减少了企业生产成本。
4.2.3 功率因数
比较分析功率因数趋势图5可得, 装置未投入运行时, 母线功率因数最大值0.92, 最小值0.87, 平均值0.90;投入运行后, 母线功率因数最大值0.99, 最小值0.88, 平均值0.98, 母线功率因数大大提高, 电能质量大大改善。
5 结论
矿用一般型高压动态无功补偿及谐波治理设备通过在井下实际运行, 实现了以下效果:
5.1能够提供从感性到容性连续、平滑、动态、快速的无功功率补偿, 响应时间快, 可快速跟踪负荷变化。
5.2装置补偿效果显著, 能够提供供电线路功率因数, 稳定线路末端电压, 抑制谐波、三相不平衡、电压波动和闪变, 保证了煤矿企业生产的顺利进行。
5.3社会和经济效益方面, 该装置的投运, 大大提高了线路的功率因数, 减小了无功损耗, 节约了电能, 经济效益显著;同时能够提高电气设备的利用率, 大大减轻了企业员工的劳动强度, 提高劳动效率。
摘要：针对目前煤矿井下高压供电系统存在的功率因数过低、谐波含量高、电压波动大等电能质量问题, 本文设计了一套以全控桥静止型无功补偿技术 (SVG) 为核心, 采用H桥链式功率单元级联技术的高压动态无功补偿及谐波治理装置;完全避免采用传统补偿技术带来的补偿输出滞后、过补或欠补影响电压稳定、补偿能力受电压变化影响降低等固有缺陷。最后, 以东滩煤矿井下实际电网为例进行测试表明, 加装该补偿装置以后, 电网电压波动减少, 功率因数明显提高, 波形畸变基本消失, 验证了系统的可行性和优越性。
关键词：高压,无功补偿,谐波治理,H桥链式
参考文献
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高压动态无功补偿 篇4
对交流异步电动机,尤其是高压大功率交流异步电动机的动态无功功率就地补偿和控制是减少电力系统功率传输损失、增加输电线路有功功率传输能力以及维持供电系统电压稳定的重要措施之一[1]。本文在传统并联固定电容有级无功补偿技术方法基础上,提出了由小容量静止同步补偿器(STATCOM)[2,3]与固定有级电容组成大容量的交流异步电动机动态无功无级就地补偿技术方法,并通过计算机仿真研究验证了该技术的可行性。
1 两重STATCOM的主电路结构和基本原理
系统组成如图1所示,12脉冲逆变器为小容量STATCOM[2,3],通过变压器与10 k V配电母线相联后与10 k V高压异步电动机并联进行超前或滞后无功补偿,然后与多只10 k V高压并联固定有级电容器组合,从而组成低成本和高性价比的10 k V高压大功率交流异步电动机动态无功无级就地补偿技术。
图1中12脉冲逆变器STATCOM系统主要是由2个三相桥式电压型逆变器并联通过耦合变压器与电网联接[2,3]。12脉冲逆变器STATCOM系统结构如图2所示。
逆变器由可关断器件及反并联二极管组成,2个6脉冲STATCOM并联移相输出,一方面提升了补偿容量,另一方面又能抑制补偿装置本身的谐波电流[3,4]。连接变压器本身的漏抗可以用于限制逆变器的电流,防止逆变器故障或系统故障时产生过大的过载电流,因此可以省去STATCOM的串联滤波电感。此时STATCOM的a相输出电压为[3,4]
其中,ud为逆变器STATCOM直流侧电容电压;θ为脉冲宽度。
由式(1)可知调节脉冲宽度θ即可调节输出电压,当θ=120°时,ua的基波电压有效值为
且当n=3,5,7,9时
即在ua中最低次谐波为11次谐波,ua的第n次谐波有效值为
STATCOM从系统吸收容性或感性无功功率的计算公式为
其中,US是系统电压;r是补偿装置的等效电阻;δ是系统电压和STATCOM输出电压之间的相位差。
由式(3)可知相位差δ的大小决定了STATCOM的工况。因此,控制δ即可控制STATCOM的工况[5,6,7,8,9]。STATCOM直流侧电容的大小常按以下经验公式进行选取[7,9]:
其中,IN为逆变器的额定工作电流;ω0为逆变器输出电压基波角频率;Udc为额定状态下的直流侧稳态电压;ΔK为系统允许的直流电压波动系数,取值范围为0.01~0.1。
2 补偿系统容量的选择与STATCOM的控制
图1中的高压异步电动机可为多台,设计总容量为1.2 MV·A。通常异步电动机轻载时功率因数在0.65以下,满载时功率因数约为0.85,总是低于0.95,必须要进行无功补偿。此处按高压异步电动机总容量1.2 MV·A的一半左右进行考虑,即无功补偿设计总容量为0.6 Mvar左右。其中固定有级电容按2的倍数进行设置,各级投切电容的容量分别为20 kvar、40 kvar、80 kvar、160 kvar、320 kvar,为了有效降低补偿装置成本,STATCOM的容量设计为40 kvar,最终补偿装置设计总容量合计为0.66 Mvar。
STATCOM间接控制的基本工作原理就是通过调节逆变器交流侧输出电压的相位和幅值,达到向电力系统连续吸收或者提供无功功率的目的。如图3所示,采用STATCOM吸收无功和有功的反馈控制方法,采用d-q分解法监测STATCOM吸收的无功和无功电流[5,10,11,12,13,14]。控制采用相移SPWM技术,2个逆变单元采用低开关频率SPWM,并且具有相同的频率调制比N、电压幅度调制比M和共同的正弦调制信号。而三角载波的相位依次相差φc=π/N,生成不同相位的SPWM波,以控制各个逆变单元。如图3所示,基于2电平12脉冲d-q解耦的控制框图,其中调整系数定义为,ΔUC,max为在容性工况下最大线电压跌落,ΔUL,max为在感性工况下最大线电压增幅。锁相环同步跟踪线电压相角,线电压Ut与参考电压U*ref进行比较,经过PI调节器后产生STATCOM所需的无功电流Iqref,并且在这环节上使用了调差系数K1、K2等。STATCOM无功电流Iq与参考值Iqref比较后经过PI调节器后产生所需要的控制角△α。
3 补偿系统仿真与分析
补偿系统开始工作时,由STATCOM实现对10 k V/1.2 MV·A三相高压异步电动机机组进行单独补偿。在0.4 s时投入并联电容器组,系统a相电压usa、电流isa和电动机a相电流ida的仿真波形如图4(a)所示,与固定电容一起工作。使STATCOM工作在较小区间,一方面有利于系统的无功储备,另一方面对抑制谐波有很大帮助。从图中可以看出在投入并联电容器组后,补偿波形有了很大改善,谐波含量也有效降低。在1 s时,当使高压电动机停止工作时,补偿系统能迅速做出反应,系统仿真波形如图4(b)所示。当不并入固定电容而仅有STATCOM补偿时(图4(b)上图),高压电动机在停机前后的补偿系统a相电压和电流波形中谐波含量均较大。当并入固定电容与STATCOM进行混合补偿时(图4(b)下图),高压电动机在停机前后的补偿系统a相电压和电流波形中谐波含量均显著减小。电动机停机时STATCOM的无功补偿状态如图4(c)所示,经过几个周期后STATCOM由容性区进入感性区。
在1.5 s时,高压电动机组重新启动时的系统仿真波形如图4(d)所示。如果不并入固定电容而仅有STATCOM补偿时(图4(d)上图),电机a相电流、电压谐波含量均较大。当并入固定电容与STATCOM进行混合补偿时(图4(d)下图),高压电动机组重新启动后,补偿系统a相电压和电流波形中谐波含量均明显减小。STATCOM无功补偿电流iQ变化情况如图4(e)所示,从图4(e)STATCOM无功补偿电流变化情况可看出,与上述图4(a)(b)(d)的情况是完全对应的。
表1为该补偿系统所达到的无功补偿节能效果。表中,A为补偿前,B为STATCOM单独补偿后,C为STATCOM与固定电容混合补偿后;λ为功率因数,THDi为电流谐波含量,Q为无功功率,WQ为无功补偿节能。从表1数据可看出,由STATCOM进行单独补偿和由固定电容与STATCOM进行混合补偿,均可使功率因数得到显著提高,无功节能效果基本相同,均非常明显。但采用固定电容与STATCOM进行混合补偿后电流谐波明显减小,补偿效果要明显好于STATCOM单独补偿情况。这主要是由于采用固定电容与STATCOM进行混合补偿后,有效降低了STATCOM引起的高次谐波。
4 结论
对12脉冲逆变器STATCOM的特性和控制方法,以及与固定有级电容组合形成大容量动态无功无级补偿技术方法进行研究,结果表明:
a.采用由小容量的STATCOM与固定有级电容组成大容量的交流异步电动机动态无功无级就地补偿技术方法是可行的,无功节能效果明显,可有效降低动态无功补偿技术装置的制造成本和运行成本;
b.采用并联固定有级电力电容器与12脉冲逆变器STATCOM对高压三相异步电机进行混补,在有效降低补偿后的电流谐波方面要好于由12脉冲逆变器STATCOM进行单独补偿的情况;
高压动态无功补偿 篇5
功率因数是电力系统的一个重要的技术数据,是衡量电气设备效率高低的一个系数。功率因数低,说明电路用于交变磁场转换的无功功率大,从而降低了设备的利用率,增加了线路供电损失及企业生产成本。所以,供电部门对用电单位的功率因数有一定的标准要求。功率因数低的根本原因是电感性负载的存在,电网中的电力负荷如电动机、变压器、电焊机等,大多属于电感性负荷。因此,在电网中安装并联电容器无功补偿设备后,将有助于提高功率因数,改善供电质量。
1研究背景及存在问题
机电制修厂系河南能源集团永煤公司下属地面单位,电力系统经由35kV辅助区变电站输出的10kV线路给厂内部各车间、单位供电,厂区包括10kV高压室、1#箱式变电站、2#箱式变电站、3#低压室等变配电所。10kV线路下面共带有7台低压配电变压器(10 kV/0.4 kV):400 kVA容量1台、 500kVA容量2台、630kVA容量3台、800kVA容量1台,合计总装机容量为4 090kVA。
目前,该厂月耗电量约为20万kW·h(无功电量约为14万kvar·h),平均每月功率因数约为0.78,较低的功率因数对机修厂供电系统造成以下影响:(1)偏低的功率因数,造成该厂每月受到供电局1万元左右的增电费罚款;(2)导致变压器、 电机、电缆等设备的损耗增大,利用率变低;(3)引起系统电压下降,影响各种电气设备的正常工作;(4)造成变压器局部严重过热,损耗增加,输出减少,缩短使用寿命等问题。
2高压动态无功补偿介绍
高压动态无功补偿,主要用来补偿电网中频繁波动的无功功率,抑制电网闪变和谐波,提高电网的功率因数,改善高压配电网的供电质量和使用效率,进而降低网络损耗,有利于延长输电线路的使用寿命。经过分析和论证,采用10kV高压动态无功补偿装置可达到无功动态补偿,使功率因数达标(功率因数提高到0.95左右),避免供电公司力率电费罚款;抑制谐波, 提高供电安全性,改善电能质量;提高设备(变压器、线路)利用率,通过补偿无功,使总供电电流下降;有效支撑负荷端电压, 加强系统电压稳定性等目的。
3 10 kV高压动态无功补偿技术改造的实施
3.1整体设计
根据该单位供电系统对无功补偿容量的技术要求、工程经验以及高压柜控制器显示相关动态数据(有功功率约500kW, 无功功率约800kvar),同时考虑投资性价比因素。本研究决定在10kV母线上安装一套许继电气公司生产的额定容量为1 350kvar的高压动态无功补偿装置(TBB)。该装置每套自动补偿装置分为2组投切,每组投切容量分别为450kvar、 900kvar,这样便可以产生3级投切容量,分别为450kvar、 900kvar、1 350kvar。并且能根据负荷变化的情况,通过一台无功补偿控制器检测电网功率因数,控制器根据取样的电流电压信号,给出控制信号,自动投切真空接触器,将电容组投入或退出运行。
3.2 TBBz10-1350(450+900)AK型高压动态无功补偿装置构成及性能参数
3.2.1设备构成
10kV高压电容自动补偿装置至少由以下主要设备构成: 控制器、隔离开关、三相干式铁芯串联电抗器(6%)、高压并联电容器、电容器保护专用熔断器、真空接触器、氧化锌避雷器、 放电指示灯、放电线圈、铝母线、柜体及相应附件等。
3.2.2性能参数
3.2.2.1电容器
(1)过负荷能力及放电性能:1)电容器在1.1倍的额定电压下长期运行。2)电容器在1.3倍的额定电流下长期运行。 3)当电容器组断开电源时,能将电容器端子上剩余电压在5~ 20s内自2倍额定电压降至0.1倍额定电压或50V以下。
(2)电容偏差:1)电容器允许的电容偏差为装置额定电容的0~+10%。2)三相电容器的任何两线路之间,其电容和最大值与最小值之比不超过1.02。3)电容器组各串联段的最大与最小电容之比不超过1.02。
3.2.2.2电抗器
(1)过负荷能力:1)过电压。电抗器能在工频加谐波电压峰值为下运行。2)过电流。电抗器能在工频电流1.35倍额定电流的最大工作电流下连续运行。电抗器能在五次谐波电流含量不大于35%,总电流有效值不大于1.2倍额定电流的情况下连续运行。3)铁芯式电抗器能承受25倍额定电流的最大短时电流的作用,不产生任何热损伤。
(2)电抗器允许偏差:1)在工频额定电流下电抗值数允许偏差0~+15%。2)三相电抗器每相电抗值不超过三相平均值的±4%。
(3)电感偏差:在额定电流下,其电抗值的允许偏差为0~ +5%。
(4)声级:在额定电流下,三相或单相电抗器的声级水平不超过相关标准要求。
3.2.2.3放电线圈(PT)
(1)在额定频率和额定电压下,放电线圈与对应的并联电容器相并接,当电容器断电以后,其端子间的电压在5s后可由降至30V以下。
(2)放电线圈能承受电压下电容器储能放电的作用。
(3)准确级:在额定频率0.9~1.3倍额定电压和0~ 100%额定二次负荷(cosφ为0.8滞后)下,0.5级或1级产品分别满足比值差不超过±0.5%或±1%,相位差不超过±20′或 ±40′。
(4)短路承受能力:在额定电压下,能承受二次短路电流在1s时间内所产生的热和机械力的作用而无损伤。
3.2.2.4导体(GB50227—2008)
(1)单台电容器至母线或熔断器的连接线采用软导线,其长期允许电流不小于单台电容器额定电流的1.5倍。
(2)电容器套管相互之间和电容器套管至母线或熔断器的连接线,有一定的余量选择。
(3)并联电容器装置的所有连接导体,满足动稳定和热稳定的要求。
3.2.2.5整机
(1)绝缘水平:装置的一次电路的各相之间及相对地之间, 二次电路与地之间能承受相关标准要求耐受电压;工频耐受电压施加时间为1min。
(2)耐受短路电流能力:主回路中的电气设备、连接线及机械机构能耐受短路电流和电容器极间短路放电电流的作用而不产生热和机械的损伤及明显的变形;装置的额定耐受电流值为20kA。
(3)过负荷能力:1)稳态过电流。装置能在方均根值不超过1.1×1.30In的电流下连续运行。该电流是有1.1Un、电容值偏差及高次谐波综合作用的结果。2)稳态过电压。装置的连续运行电压为1.05Un,且能在相关规定的稳态电压下运行相应的时间。3)涌流。单台电容器及保护用的熔断器所能承受的涌流分别满足相应标准GB3983.2—89及DL442—91的要求;装置能将投入电容器组时产生的涌流限制在电容器组额定电流的20倍以下。
(4)操作过电压和过电流:用不重击穿的开关投切电容器时可能发生第一个峰值不大于倍施加电压,持续时间不大于1/2的周波过渡过电压。响应的过 渡过电流 的峰值达 到100In,在这种情况下每年允许操作1 000次。
(5)耐受短路放电能力:电容器单元能承受在允许的运行电压下由于外部故障引起的短路放电。
(6)局部放电性能:电容器单元的局部放电性能能达到局部放电试验的要求。
(7)外观及防腐蚀层:电容器单元的外观符合产品图样的要求。其外露的金属件有良好的防腐蚀层。
(8)密封性能:电容器单元的密封性能,足以保证在其各个部分均达到电介质允许最高运行温度后至少经历2h而不出现渗漏的要求。
3.2.2.6布置与安装
(1)装置的布置与安装符合GB50227—2008的有关规定要求。
(2)装置满足平面布置图要求和各种电气距离的要求。
3.2.2.7安全要求
放电线圈直接并接于电容器组的两端;在出厂前,电容器已全部可靠接地。
3.2.2.8温升
母线之间连接处及主电路各连接处的温升不超过50K,各电器设备的温升不超过各自的规定。
3.3设备主接线图
设备主接线图如图1所示。
该设备具有动态快速跟随负荷变化的特性,能有效提高电网的电能质量、功率因数并节约电能,同时具有极高的可靠性, 只需要定期进行简单的常规检查即可确保设备长期稳定运行, 维护工作量极小,维护难度小,维护成本极低。
4结语
通过在该厂10kV母线上加装一套TBB型无功自动补偿装置后,功率因数可达到0.95左右,经测算每年可节省电费支出约14万元,可提升主变设备利用率33%。同时,因为功率因数稳定在较高的水平,且电压也非常稳定,谐波量大大减少,三相不平衡也得到了很好的控制。所以,设备的运行效率得到保证,生产时间也大大缩短。由于不再有谐波的影响,也不再有电压剧烈变动的干扰,供电系统中的其他设备的工作寿命也会比原来相应地延长。
摘要：鉴于河南能源集团永煤公司下属单位机电制修厂供电系统功率因数过低,以及由此造成的各种不利影响等问题及现状,综合比较提出了通过采用高压动态无功补偿装置进行功率补偿的设计思路,以提高整体功率因数,最终达到节约电费、加强系统电压稳定性、改善电能质量、提高供电安全性和设备利用率等目的。
水泥厂高压电机的无功补偿 篇6
1 目前设计的习惯作法及存在的问题
我们以往的电气设计中, 一般均按国家标准的要求对单台高压电机配置就地无功补偿。我们常常仅在图纸中标注最基本的无功补偿的功能块, 而对功率因数、补偿容量、接线方式等详细参数及具体方案没有明确, 完全依赖供货商配置补偿柜的详细数据, 不能准确有效地指导工程项目的设备采购和施工安装。由于实际工程中不同的供货商对这些参数的理解和配置不一致, 有些参数相差很大, 投入运行时会出现功率因数达不到设计要求、单机电耗较高或电机过补偿自励磁等问题。同时由于相关参数及具体方案不明确, 在无功补偿设备采购的招标中造成各投标方设备配置不一、价格差异大的情况。
2 高压电机就地补偿的意义
(1) 降低电耗, 节省电费;
(2) 减小电缆截面, 节省投资;
(3) 减小电压降, 便于电机启动;
(4) 增加变压器可用功率, 提高设备利用率。如图1所示。
3 相关标准及规范
对高压电机无功补偿的有关规定在多项国家标准规范中均有明确要求, 设计采用的标准主要有:
(1) 《三相异步电动机经济运行》GB/T 12497-2006
4.3.4功率因数补偿应根据电动机的容量大小和运行方式合理实施功率因数的就地补偿, 补偿后功率因数应不低于0.9。
(2) 《供配电系统设计规范》GB 50052-2009
5.0.9供配电系统的设计为减小电压偏差, 应采取补偿无功功率措施。
6.0.4.3容量较大, 负荷平稳且经常使用的用电设备的无功功率, 宜单独就地补偿。
6.0.12接在电动机控制设备侧电容器的额定电流, 不应超过电动机励磁电流的0.9倍;过电流保护装置的整定值, 应按电动机—电容器组的电流确定。
此规定与国际标准IEC 60831的规定一致, 其原因是为了防止当电动机切断电源后, 尚未停止转动的过程中, 由于电容器产生的自励磁造成的过电压, 使电机受到损坏。
(3) 《并联电容器装置设计规范》GB 50227-2008
5.5串联电抗器用于抑侧谐波, 当并联电容器装置接入处的背景谐波为5次及以上时, 宜取4.5%~6%, 接入处的背景谐波为3次及以上时, 宜取12%, 或采用4.5%~6%与12%两种电抗率。
(4) 《评价企业合理用电技术导则》GB/T 3485-1998
4.6在安全、经济合理的条件下, 对异步电动机采取就地补偿无功功率, 提高功率因数, 降低线损, 达到经济运行。
4 高压电机就地补偿设计计算
4.1 相关计算公式
(1) 补偿容量计算
式中:
Qc——就地补偿的无功功率值, kvar
Pin——电动机输入功率, kW
tanϕ1——补偿前输入相电流滞后相电压的相角正切值
tanϕ2——补偿后输入相电流滞后相电压的相角正切值
(2) 电容器额定电压计算
式中:
Uce——电容器额定电压, kV
Ue——电网电压, kV
K——串联电抗器电抗率, %
(3) 电容器电压修正容量计算
式中:
Qc'——电容器实际运行的容量, kvar
(4) 串联电抗器修正容量计算
式中:
Qc0——串联电抗器后的等效电容容量, kvar
(5) 按电动机的空载电流计算
式中:
Qc——就地补偿的无功功率值, kvar
I0——电动机空载电流, A
Ue——电动机额定电压, kV
4.2 计算方法及注意事项
4.2.1 根据式 (1) 计算无功补偿容量基数
此计算应注意以下几点:
(1) 电机负荷系数的计算和选取, 要注意Pin是电机的实际输入功率, 要考虑电机效率和负载率, 不能使用装机的额定功率值计算。Pin=电机额定功率×电机负载率/电机效率。
(2) tanϕ1为补偿前输入相电流滞后相电压的相角正切值, 计算时可由电机自然功率因数cosϕ1换算。如自然功率因数cosϕ1=0.80的电机, tanϕ1=0.75。电机补偿前后两个功率因数值对计算结果影响很大。电机的自然功率因数cosϕ1由电机自身特性决定, 不同厂家、不同型号差异较大。施工图设计阶段的电机参数 (如电机效率和功率因数) 应从电机制造厂取得, 初步设计时可从电气室的电气设计数据库查询, 初步估算时电机效率可取0.95, 负载率一般可按0.85选取, 功率因数取0.8。
(3) 补偿功率因数cosϕ2可按0.92~0.95选取, cosϕ2=0.95时, tanϕ2=0.55。电容补偿量Qc与功率因数cosϕ是指数关系, 见图2。
从图2可看出, cosϕ=0.92基本为曲线拐点, 功率因数从0.92提升到0.95时, 对应的电容器容量增加到1.5~1.8倍。正是由于此原因, 以前在关注节省一次投资的设计方案中功率因数一般取0.92。在当前全社会大力倡导节能降耗, 水泥行业节能节电倍受关注的环境下, 作为行业内的设计人员应以节能节电为己任, 保证设计方案充分体现节能指标的先进性。在我院总承包的国外工程中, 业主和咨询公司普遍重视节能指标, 如拉法基、海德堡等多个项目, 合同均要求功率因数为0.95。功率因数按0.95选取会增加一次投资, 但水泥厂高压电机年利用均在5000h以上, 其增加的一次投资一般可在1年左右收回。因此从一次投资与长期运行综合分析, 采用0.95功率因数不但经济而且节能。所以在今后的设计中, 功率因数宜按0.95选取。
4.2.2 根据式 (2) 计算电容器额定电压
电容器的额定电压是无功补偿装置选型的重要参数, 电容器运行电压超过自身额定电压时, 其内部介质将产生局部放电过热甚至绝缘击穿。为保护电容器, 电容器额定电压一般取电网电压的1.05~1.1倍。
同时为消除高次谐波对电网的污染, 电容器回路需串联电抗器, 此电抗器也会造成电容器实际工作端电压的升高。
4.2.3 根据式 (3) 计算电容器电压修正容量
电压变化会对电容器容量产生很大影响。电容器的输出容量与其运行电压的平方成正比, 即Q=2πfCU2, 电容器在额定电压下运行, 将输出额定容量。若运行电压低于额定电压, 电容量就达不到额定输出值, 所以电容器的额定电压选得过大, 电容器会出现较大的容量亏缺。如6kV系统中电容器额定工作电压为6.6kV, 10kV系统为11kV, 这样会造成电容器实际容量下降。因此需要计算电容器额定电压和系统额定电压差异引起的电容器容量的变化, 进行必要的容量修正。
4.2.4 根据式 (4) 计算串联电抗器后电容器的修正容量
串联电抗器可以限制电容投入时的开关涌流, 消除高次谐波对电网的污染, 水泥厂主要为5次以上谐波, 电抗率一般选取6%。串联电抗器会造成电容器实际工作的端电压升高, 电容器额定电压计算时须计入串联电抗器后电容器的修正容量。
4.2.5 根据式 (5) 进行电动机自励磁校验
此计算应注意电机的空载电流, 电机的空载电流由电机的电磁和机械结构决定。分为两部分, 其主要部分为产生旋转磁场的空载励磁电流, 是空载电流的无功分量。还有少部分空载电流为电机空载运行时的各种功率损耗 (如铁心损耗、摩擦、通风等) , 这部分为空载电流的有功分量, 占比例很小, 一般忽略不计。因此空载电流可认为是无功电流。此参数从电机制造厂取得, 暂时得不到详细参数时, 可按电机额定电流的20%~40%计算。
此计算的主要目的是为防止电动机退出运行时产生自励磁过电压, 因此补偿容量不应大于电动机的空载无功。在水泥厂的实际生产中, 除调试阶段有短时空载运行外 (这时一般不投入无功补偿) , 多数情况高压电机均带载运行。此式计算的补偿容量可作为参考限值, 主要依据功率因数的计算确定补偿容量。对风机类机械惯性较小的电机, 补偿容量可适当减小。对球磨、辊压机、辊磨等机械惯性较大的电动机, 补偿容量可适当加大, 这类电机在带机械负载的情况下断电时, 电动机受轴负荷的反向制动, 转速会迅速下降, 即使补偿容量略大于电动机空载无功功率, 也不会产生自励磁过电压。
4.2.6 根据以上计算结果确定最终补偿容量
实际工作中应用EXCEL电子表格, 输入相关已知数据后, 可方便地得出计算结果。
4.3 计算实例
现以额定功率3550kW、额定电压10kV的水泥磨电机的就地补偿为例, 详述电容器、电抗器等参数的计算过程和方法。
电动机型号:YRKK1000-8
额定功率Pn:3550 kW
额定电压Un:10 kV
额定电流In:243 A
功率因数cosϕ:0.88
额定效率η:95.96%
(1) 根据以上数据可得到电动机额定运行时的参数
电机输入功率
式中:
Pn——电机额定功率
Pin——电机从电网吸收的输入功率
(2) 电容器补偿容量
补偿容量基数
(3) 电容器额定电压
(4) 电容器电压修正容量
(5) 串联电抗器修正容量
(6) 自励磁校验
根据水泥磨负荷特性, 补偿容量取950 kvar。
电气设备表见表1。
5 补偿接线方案
5.1 接线方式
电气接线方案如图3所示。对磨机、辊压机、高温风机等高压电机设电容器就地补偿, 随主电机投入和切除。
高压电机就地无功补偿电容器组的接线方式分为星形和三角形两种 (图4) 。目前普遍采用电容器串联电抗器的单星形接线, 中心点不接地。其优点是某一相电容器组被击穿后, 由于有电抗器的串联阻抗限制, 故障电流不会太大, 一般不会影响电动机的正常运行。此方式接线简单, 不受系统接地故障的影响。
5.2 安装位置
(1) 现代大型水泥厂设计一般均根据主要生产工段设置多个配电站, 每个配电站都在高压负荷相对集中的位置, 距高压电机距离较近。另外考虑现场环境和维护方便, 补偿装置一般均安装在配电站内。设计布置时应注意与其他高压配电装置的距离不小于1.5m。
(2) 高压电机补偿装置是为了提高单台设备的功率因数, 如现场有条件、环境较好时, 应布置安装在用电设备附近。水泥厂设计中对长皮带输送和距配电站较远的电机, 应尽量考虑距电机就近安装。此方式靠近负载, 可最大限度地减少线损和释放容量。
5.3 电缆连接
安装在电机旁时的电缆连接, 可将高压开关柜的馈出电缆直接接入补偿柜, 然后从补偿柜再引出一根电缆至电动机, 以解决电机的接线盒空间小、不易接入两根电缆的问题。在补偿装置中并联两根电缆, 不仅接线方便, 而且节省电缆。
安装在配电站时, 可将两根电缆的并联点放在电机出线柜内, 一根电缆引至电机, 另一根电缆引至补偿柜, 也可以将两根电缆的并联点放在补偿柜内。
6 补偿装置的技术指标要求
无功补偿装置的制造主要依据国标《并联电容器装置设计规范》GB 50227-2008, 此标准对补偿装置的运行参数、过载能力、放电性能、散热条件、制造容量的误差、试验方法、耐压标准均有详细规定, 补偿装置供货商均须满足上述规定, 本文不再赘述。这里主要介绍电力电容器的两项重要指标。国内电力电容器的生产厂较多, 所生产的电力电容器的型号也很多。由于电容器介质不同, 不同型号的电容器具有不同的技术指标, 在选型时应重视。
(1) 介质损耗:电容器的介质损耗角正切tanδ是区分电容器质量的重要参数。电容器补偿无功的同时, 也消耗有功。电容器的有功损耗中, 介质损耗占主要部分。因此介质损耗低的电容器, 对节电具有实际意义。有功损耗以发热形式发散, 损耗低的电容器, 由于发热量小不易产生“鼓肚”, 布置可以紧凑, 占用散热空间小, 产品寿命长。因此, 采用新型绝缘材料, 改变介质结构是减少有功损耗的焦点。常规电容器介质损耗为0.05%。采用优质绝缘材料、先进工艺设备生产的电容器此指标可达0.02%。
自制高压电动机无功补偿装置 篇7
1方案确定及器件材料选取
只将高压并联电容器外购, 并对高压并联电容器采取过流保护和过压保护, 过流保护用的高压熔断器、过压保护用的避雷器及高压引线、绝缘子等均采用闲置材料, 并充分利用高压电动机现场高压启动柜 (GG-1AF老式柜) 的空间, 将高压电容器及其他辅助器件材料安装布置在该柜内部, 并按电力安装规程进行安装组合, 主要器件材料见表1。
2安装使用效果分析
1) 自制该套高压并联电容器无功补偿装置总投资不到1万元。
高压动态无功补偿 篇8
交流电能在输送和使用过程中, 包含有功功率和无功功率2种能量, 其中用于能量转换的能量叫做有功功率, 系统中除有功电源和有功负荷 (电阻元件) 外, 还存在感性容量 (视作无功负荷) 和容性容量 (视作无功电源) 。交流系统运行的目的是传输和消费能源, 无功系统的存在保持了交流电力系统的电压水平, 保证了电力系统的稳定运行和供电质量, 从而使电网传输电能的损失最小。无功电源不足对电力系统的影响有设备出力不足、电力系统损耗增加、设备损坏、电力系统稳定度降低等几个方面。并联无功补偿一般是指补充无功电源、满足无功负荷的需要, 以达到无功电源和无功负荷在额定电压下的基本平衡。电力系统的无功电源为发电动机、调相机、并联电容器、线路充电功率、静止无功补偿器等。电力系统中无功负荷为异步电动机、变压器、线路无功损耗及串并联电抗器等[1]。 根据接入电网的基本要求在进行有功规划的基础上, 同时要进行无功规划, 原则上应使无功就地分区分层基本平衡。避免经长距离线路或多级变压器传送无功功率[2]。
2现场应用
电力系统中向电网提供可阶梯调节的容性无功, 以补偿多余的感性无功, 减少电网有功损耗和提高电网电压为目的补偿方式为安装并联电容器装置 (集中并联电容补偿和分散就地并联电容补偿装置) 。大庆油田天然气油气加工生产装置大部分压缩机高压电动机安装了就地无功补偿装置, 安装后从多年的运行情况看, 节能效果非常显著, 极大地减轻了生产运行成本, 提高了经济效益。详细计算结果, 见表1。
由表1可知, 安装了无功就地补偿装置后, 电动机的运行电流由原来的433.0 A降低为364.7 A, 降幅为15.8%;电动机的功率因数从补前的0.8升高为0.95, 有了明显的提高; 视在功率由补偿前的4500 k VA下降为3790 k VA, 由此可大幅度增加变压器的出力。在有功功率相同的情况下, 可减少损耗近29.6%, 节电效果明显。
3经济效益分析
高压电动机安装了就地补偿装置后所取得的综合经济效益是非常可观的, 主要有以下4个方面:
1) 3600 k W电动机电流下降了68.3 A, 功率因数提高了0.15, 无功功率减少了1519 kvar, 无功经济当量值取0.07;该电动机年运行时间为8760 h, 其年节电量为93.15×104k Wh, 按工业用电平均价格为0.81元/k Wh计算, 年节约电费75.5万元, 这套就地无功补偿装置的投资费用在35万元左右, 不到1年即可收回投资。
2) 高压电动机通过就地补偿后, 由于功率因数的提高, 从而使工作电流下降, 增加了变压器的有效容量, 计算如下:
式中: S1——就地补偿前变压器容量, k VA;
S2——就地补偿后变压器容量, k VA;
P——有功功率, k W;
cosф1——就地补偿前功率因数;
cosф2——就地补偿后功率因数;
ΔS——变压器容量增量, k VA。
以3600 k W高压电动机为例, 补偿前功率因数为0.80, 补偿后功率因数为0.95, 根据式 (1) 计算其容量增量为 ΔS =3600 × (1/0.8- 1/0.95) =710.5 k VA。因此, 高压电动机经过就地补偿后, 等效于为其供电的变压器进行了增容, 可以提高变压器带负载能力, 为生产装置扩大再生产规模节约了成本;对于新建工程, 可以选择相对较小容量的配电变压器以降低工程造价。
3) 高压电动机安装就地无功补偿装置后, 不仅能起到节电、增容的效果, 而且由于电流的下降, 降低电器设备的温升, 从而延长电器设备的使用寿命, 延缓线路老化, 减少高压断路器及高压接触器火花放电, 降低了电器设备的故障率, 从而节约了维修费用, 为油田安全生产提供了可靠的保障。
4) 高压电动机安装就地无功补偿装置后, 提高了电动机的工作效率, 增大了电动机的有效出力, 提高了生产能力。
4结束语
无功就地补偿是一项成熟的技术, 目前低压就地无功补偿装置应用广泛, 而高压就地无功补偿装置因为存在很多实际困难, 所以目前应用的还相对较少, 但随着高压电力电容器制造技术水平的提高, 提出了供配电系统中高压电感性负荷的无功缺额主要依靠就地无功补偿来解决的新理念。实践证明, 高压无功就地补偿装置是一种故障率低、维护量少、使用寿命长、一次投资长期受益的静止型电力设备, 针对电网无功不足的现状, 建议在各生产装置中容量较大的高压电动机上推广安装就地无功电容补偿装置。电力系统中的高压无功就地补偿技术既有巨大的经济效益又关系到电力系统的可持续性发展, 值得进一步推广和应用。
摘要：在油田生产装置中大量使用高低压电动机 (含高压同步电动机) 及变压器, 这些负荷属于感性负载, 需要吸收大量的无功功率, 输送无功功率的过程中要消耗大量的有功功率, 加大了输配电线路的线损, 为了响应国家的节能环保政策, 降低生产装置的运行成本, 油田公司对高低电动机及变压器等感性负载进行了集中或就地补偿, 经过多年的运行情况分析, 节能效果显著。
关键词：电动机,就地无功补偿装置,感性负载,功率因数线损,节电率
参考文献
[1]纪雯.电力系统设计手册[M].北京:中国电力出版社, 1998:220-233.