王惠梅，马东跃

(中盐内蒙古化工股份有限公司，内蒙古 阿拉善 750336)

随着信息技术的不断进步，工业生产自动化和智能化水平的不断提高，对现有电能质量及容量提出了更高的要求，各种生产设备对电网的供电质量要求也越来越高。化工企业中，大部分用电设备是感性负载，冲击性负荷及非线性负荷数量逐年增长，冲击性负荷瞬时从电力系统吸收大量的冲击性无功功率，非线性负荷会产大量的谐波注入系统严重影响电网电压质量。中盐内蒙古化工股份有限公司(以下简称“公司”)母液生化水深度处理制纯水项目现场运行负荷多为感性负载，工作时会产生大量的无功，降低功率因数，产生电压压降严重威胁。因此，需要选用良好的补偿装置保证系统功率因数，保证设备用电安全及使用效率，与此同时为了减少现场谐波威胁，整体提高电网的安全性及稳定性。

为了提高化工企业中供配电系统的功率因数，减少谐波含量，文章探讨了用低压可控硅动态无功补偿替换传统式接触器补偿的优势。首先介绍了低压集中无功补偿方式的特性；其次详细分析了混合式动态无功补偿装置的工作原理和运行方式；最后，通过公司母液生化水深度处理制纯水项目中混合式动态无功补偿装置与接触器式电容柜的各项运行指标，评定该项目的运行效果。

1 低压集中无功补偿方式

1.1 一般接触器补偿存在缺陷

目前普遍采用的无功功率补偿装置在补偿中多采取电力电容器作为补偿元件，通常使用分离元件或小规模的补偿电路控制器来投切电容补偿无功。较新型的使用微机进行控制，但仍以接触器作为执行元件。接触器作为切换元件的静态补偿装置在原理上有许多缺点：(1)由于采用动作缓慢的接触器来切换电容，不能快速跟踪用电设备无功电流的变化，对快速变化的用电设备无功电流，接触器来不及动作和切换，常常造成欠补偿和过补偿。(2)由于冲击电流存在，会引起电网电压瞬时跌落。(3)由于冲击电流大，限制一次可能投入的电容值，于是不得不把应一次投入的电容值化整为零，分几次投入。这将降低补偿的准确性和减慢响应速度。(4)由于闭合接触器时有很大冲击电流，常会引起触头烧毁，使触头断开，影响正常工作，降低使用寿命。为减少烧焊现象，不得不减少动作次数，这将降低补偿的准确性和响应速度。(5)接触器工作时有噪声，不得不尽量减少动作次数，用牺牲性能的办法来换取更为安静的环境。(6)呈阶跃性，补偿精度不高，漏补情况比较严重。采用接触器进行投切电容器补偿装置，电容器是分级分组进行投入或切除的。当系统出现无功波动时，补偿装置无法有效跟踪系统因无功波动产生的电压波动。(7)装置不能在全寿命周期内抑制谐波。在非线性系统中，为抑制谐波避免谐振，补偿装置都加装电抗器。如采用6%电抗率抑制5次以上谐波(放大3次谐波，增加电容器电流有效值，电网质量进一步恶化)，自愈式电容器在使用中容值随之工作运行C不断衰减，随着容值的逐渐衰减，容抗变大，电抗率变小并趋向5次谐波谐振点(电抗率4%)，引起电容器与系统串联、并联谐振，造成补偿装置过电流或过电压，轻者损坏设备自身的元件，电容爆炸，严重时发生爆炸事故，导致总闸跳闸，大面积停电。而传统补偿装置无法避免电容衰减，也就无法避免由于谐波放大引起的事故。

因此，传统式接触器补偿无法满足现有化工企业对补偿装置安全、可靠运行的要求，正是它的固有缺陷限制了在重要负荷现场的应用。

1.2 混合式动态无功补偿装置

针对接触器补偿存在着的诸多缺陷，避免原有补偿缺陷带来的安全威胁，同时降低投资。该项目上采用性能更加优越的补偿方式，即混合式动态无功补偿方式。此方式规避了原有接触器补偿的各种缺陷，实现动态连续跟踪补偿，实现无冲击、无涌流，响应时间小于20 ms，不会出现无功过补及欠补的情况，满足设计容量的前提下提高系统功率因数0.9以上，可实现良好的谐波抑制效果。

低压混合式动态无功功率补偿装置是由ASVG无功功率发生电源与TSC系列可控硅无功功率补偿器相结合。ASVG采由大功率IGBT组成的逆变器和保护元件等单元组合而成，其显著特点是补偿无功功率可以连续调节。ASVG主电路采用IGBT的智能模块组成电压型逆变器，与系统锁定相位；并采用优化特定消谐技术，输出优质的正弦电压和电流，具有专门处理外挂键盘输入、数据显示查询及与上位机通信功能。在装置控制策略上，采用电流间接控制和基于自适应的自校正非线性PID调节算法，以满足装置的稳定性的要求。

TSC由可控硅、电抗器、电容器、保护元件等单元组合而成，实现严格的电流过零投切，电容投切过程中无涌流冲击、无操作过电压、无电弧重燃现象、无电压闪变现象，能在20 ms内快速跟踪系统无功变化，可频繁投切。

低压TSVG动态无功功率补偿装置是在投入运行以后，先由TSC动态跟踪补偿系统基本负荷。对于微小的补偿容量由ASVG来实现。在对负荷进行补偿的整个过程中，分组补偿(TSC)与连续补偿(ASVG)互相配合，可保证系统需要补偿的无功与TSVG输出的无功完全平衡，达到连续补偿的目的。

低压TSVG动态无功功率补偿装置要求实现动态无功补偿连续双向调节，内部TSC部分和SVG部分装在一个柜内，且共用一个控制器(避免采用两个控制器发生投切震荡)，共用一个电流取样、分析电路，有源与无源相结合，控制器计算出系统需要补偿多少无功，保证最佳补偿效果，统一发出指令。

TSVG动态无功功率补偿装置采用大功率IGBT组成的逆变器进行动态连续调节无功功率，补偿容量足够的情况下可以使功率因数提高0.95以上。同时有源SVG进线电抗器选用大直径铁氧体磁环空心结构电抗器，严禁采用数只小电抗器串并联方式代替，便于降低噪音和平波避免由于小电抗分流不均引起电抗器发热烧毁系统。TSVG调节速度快，响应时间小于20 ms，控制可靠，高效节能，技术水平属于国内领先。终身免维护，运行安全可靠，使用寿命长。

2 TSVG的工作原理

TSVG内的ASVG动态无功功率发生电源就是一种新型可连续调节的双向补偿电源，其基本原理是将电压型逆变器通过电抗器并联在电网上。ASVG可以等效视为输出电压幅值可控的一个与电网同频率的交流电压源。改变ASVG交流侧输出的电压U1的幅值，当U1大于系统电压Us时，ASVG补偿无功功率(相当于容性元件)；U1小于系统电压Us时，ASVG吸收无功功率(相当于感性元件)。改变U1幅值的大小，就可以控制ASVG提供的无功功率大小，实现连续补偿的目的。图1为TSVG电路结构。

图1 TSVG的电路结构Fig.1 The circuit structure of TSVG

TSVG内部的TSC系列可控硅动态无功功率补偿器采用大功率可控硅组成的无触点开关对多级电容器组进行快速无过渡投切，克服了传统无功功率补偿采用机械式触点开关造成的结点烧结的现象，对各种负荷均能起到良好的补偿效果。开关合闸后，电流通过整流管对电力电容器预先充电，使装置处于准备工作阶段；当无功电流IQ值增大到超过定值时，调节器对指定的晶闸管输出触发脉冲，使之导通而将电容器投入运行；当负载无功电流IQ值下降到低于定值时，调节器停发出发脉冲而将电容器退出工作。当系统电压超过设定电压值或低于设定电压值时补偿器退出工作。以上工作状态完全自动运行，无需人工干预。

TSVG利用无源部分(TSC)即电容器组粗调，利用有源补偿部分(ASVG)弥补电容器分组投切的级差，从而实现整套装置大容量连续补偿无功功率。既克服了传统无功补偿方法的不足，又降低了有源补偿的投资。ASVG采用大功率全控型开关器件IGBT组成的变流器实现了无功功率补偿，它突破了原有的采用电容器和电抗器进行无功功率补偿的固定模式以及传统无功功率的概念。TSC采用可控硅分组分级投切电容器的方式，可保证电容器组在工频周期内无过渡快速投切，电容器回路串联的调谐电抗器起到抑制涌流及抑制谐波的作用。

图2 TSVG控制系统的电路结构Fig.2 The circuit structure of TSVG control system

3 技术优势

TSVG内部的ASVG采用大功率IGBT组成的逆变器进行动态双向连续调节无功功率，在规定的动态响应时间内，补偿无功功率实现连续调节，响应速度<20 ms，适合于国内电网频繁波动的场合； TSVG采用三角型接线，实行三相补偿，适合于三相对称性负荷的实时功率因数补偿，对三相负荷进行跟踪补偿； TSVG以美国西屋公司光电触发技术为核心，做到了高可靠性和控制简单，并且与系统联接时，不需要考虑交流系统相序，不会因为相序接错而带来烧坏可控硅或其它器件现象； TSVG采用光纤触发技术，实现一次系统和二次系统隔离，解决干扰问题，保证触发精度； TSVG实时跟踪补偿无功功率，实现电流过零投切，可控硅控制电容器实现无冲击、无涌流、无过渡过程投切，最大限度延长电容器使用寿命； TSVG动态抑制系统谐波；主回路采用特殊设计的电抗器，无论投切几组电容器都不会与系统发生谐振，保证补偿器的可靠工作；采用光电触发技术，解决了谐波干扰问题；控制器进行了特殊设计，彻底消除与系统发生串、并联的高次谐波谐振，避免烧毁设备，造成总闸跳闸；光电触发方式和特殊的控制技术，实现过零投切，动态抑制谐波，突破了传统的补偿技术；可就地补偿，也可集中补偿；全数字设置，液晶显示，使用方便；降低网损和变压器损耗，增加变压器带载容量，抑制电压闪变；设备在外部故障或停电时自动退出，送电后自动恢复运行。TSVG与接触器试电容柜使用效果对比见表1。

表1 TSVG与接触器式电容柜使用效果对比Tab.1 Comparison of TSVG and contactor capacitor cabinet

公司母液生化水深度处理制纯水项目2019年建成投用，该装置配套高低压供电系统装置，2台2 000 KVA变压器，0.4 kV系统重要用电设备为低压电动机，低压配电柜采用GCS柜，在设计时就采用低压TSVG集中无功补偿以提高系统功率因数。

TSVG投入运行后快速响应，自动调节，无需人工干预，动态调节系统功率因数，保证达到0.9以上。能够抑制系统5、7、11、13次等高次谐波，防止谐波放大，降低网损，高效节能，减少谐波电流在网络中输送所造成的功率损耗，带来显著的节能效益和经济效益。提高电网质量，避免谐波谐振引起的电气事故，降低谐波对系统运行的危害，保证设备正常工作，延长了电气设备使用寿命，保证供电系统安全运行。免维护全自动运行，保护措施齐全，自动化程度高，在外部故障或停电时自动退出，送电后自动恢复运行，实现无人值守，可降低变电所工作人员的劳动强度及相关费用支出。

4 结论

通过对比该项目中TSVG与接触器式电容柜的各项运行指标，验证了TSVG动态无功补偿装置具有调节速度快、控制可靠、高效节能、运行安全可靠、使用寿命长、终身免维护的优点。