信 天,周 媛,張 超,劉 通,田列遠(yuǎn)

(山東省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院，山東 濟(jì)南 250102)

0 引 言

隨著低壓用電設(shè)備等無功負(fù)荷的廣泛使用，電網(wǎng)中產(chǎn)生了大量無功功率，嚴(yán)重影響了電能質(zhì)量，也會(huì)對發(fā)電、供配電造成不良影響；自動(dòng)化水平的提高也對電能質(zhì)量提出越來越高的要求。無功補(bǔ)償是改善電能質(zhì)量和降損節(jié)能的關(guān)鍵技術(shù)[1-4]。GB/T 15576-2008適用于額定交流電壓不超過1 000 V(或1 140 V)，頻率不超過1 000 Hz的低壓成套無功功率補(bǔ)償裝置[5]。

本文將結(jié)合日常型式試驗(yàn)檢測經(jīng)驗(yàn)和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀[6-16]，提出一種基于無功補(bǔ)償裝置關(guān)鍵試驗(yàn)的檢測裝置。

1 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

由一個(gè)或多個(gè)低壓開關(guān)設(shè)備、低壓電容器和與之相關(guān)的控制、測量、調(diào)節(jié)等設(shè)備構(gòu)成電氣和機(jī)械的連接，用結(jié)構(gòu)部件完整地組裝在一起，就是一套低壓成套無功功率補(bǔ)償裝置。將其安裝在電網(wǎng)中，可以對電網(wǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償，改善電能質(zhì)量，降低電能損耗。

1.1 動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間檢測試驗(yàn)

按照投切電容器的類型，無功補(bǔ)償裝置分為3類：機(jī)電開關(guān)、半導(dǎo)體電子開關(guān)、復(fù)合開關(guān)。對于采用半導(dǎo)體電子開關(guān)或復(fù)合開關(guān)投切的裝置，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間應(yīng)不大于1 s。

試驗(yàn)方法：給裝置施加額定電壓，在主電路中投入大于設(shè)定值的感性負(fù)荷，檢測感性負(fù)荷電壓的變化，并記錄該時(shí)刻為T1，檢測電容器投入的電流變化，并記錄補(bǔ)償電容器輸出電流發(fā)生變化的時(shí)刻T2，T2-T1即為裝置的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間T。試驗(yàn)做3次，取最長時(shí)間T值。

試驗(yàn)設(shè)備：計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、茹科夫斯基大電流測試系統(tǒng)和200 kA通斷試驗(yàn)控制記錄監(jiān)視系統(tǒng)。

動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)現(xiàn)場照片如圖1所示。

圖1 動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)現(xiàn)場照片

動(dòng)態(tài)響應(yīng)波形圖如圖2所示。

圖2 動(dòng)態(tài)響應(yīng)波形圖

由圖2可知，裝置的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間即為電壓發(fā)生變化與電流發(fā)生變化的時(shí)間差。

1.2 抑制諧波或?yàn)V波功能驗(yàn)證

按照有無抑制諧波或?yàn)V波功能，無功補(bǔ)償裝置又可劃分為3類：無抑制諧波或?yàn)V波功能、有抑制諧波功能、有濾波功能。對于有抑制諧波功能的裝置，應(yīng)根據(jù)裝置提供的抑制諧波技術(shù)參數(shù)，通以適量諧波以驗(yàn)證裝置的抑制諧波單元通電工作正常，裝置投入后裝置的諧波電流含量不應(yīng)增加；有濾波功能的裝置，應(yīng)根據(jù)裝置提供的濾波技術(shù)參數(shù)，通以適量諧波以驗(yàn)證裝置的濾波單元通電工作正常，裝置投入后裝置的電流諧波含量至少應(yīng)減少到投入前裝置的電流諧波含量的50%。

試驗(yàn)方法及要求：根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14549-1993附錄D的規(guī)定，記錄抑制諧波或?yàn)V波功能單元投入運(yùn)行之前及抑制諧波或?yàn)V波功能單元投入運(yùn)行之后的諧波電壓值或/和諧波電流值。

其公用電網(wǎng)諧波電壓限值和諧波電流允許值分別如表(1～4)所示。

表1 公用電網(wǎng)諧波電壓(相電壓)限值

表2 諧波電流允許值(2～9次諧波)

表3 諧波電流允許值(10～17次諧波)

表4 諧波電流允許值(18～25次諧波)

無功補(bǔ)償裝置抑制諧波或?yàn)V波的原理是被動(dòng)無源濾波，等效電路為無源濾波構(gòu)成的阻抗與電網(wǎng)阻抗并聯(lián)進(jìn)行諧波的分流，因此諧波注入量、各次諧波占比、電網(wǎng)阻抗等對其諧波抑制能力及效率具有明顯的影響。

檢測裝置的電路原理圖如圖3所示。

圖3 檢測裝置的電路原理圖

一個(gè)帶濾波功能的無功補(bǔ)償裝置：In=475 A,Icw=30 kA，Ue=690 V,Ui=800 V，916 kvar,三相補(bǔ)償，50 Hz，IP40,戶內(nèi)型，控制投切電容器為半導(dǎo)體電子開關(guān)，有濾波功能。其功能驗(yàn)證試驗(yàn)方法為：閉合斷路器S1和S2，使諧波發(fā)生裝置正常待機(jī)。根據(jù)帶濾波功能的試驗(yàn)樣品的參數(shù)，設(shè)置諧波發(fā)生裝置輸出容量和各次諧波電流值的占比，啟動(dòng)諧波發(fā)生裝置使之輸出預(yù)期的諧波電流值，待諧波電流穩(wěn)定后用功率分析儀采集此時(shí)主回路的電流和電壓值。閉合斷路器S3，使帶濾波功能的試驗(yàn)樣品正常待機(jī)。根據(jù)已投入的諧波電流值大小，投入相應(yīng)容量的電容值，待電流穩(wěn)定后，再次采集主回路的電流和電壓值。

試驗(yàn)設(shè)備：計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、茹科夫斯基大電流測試系統(tǒng)、200 kA通斷試驗(yàn)控制記錄監(jiān)視系統(tǒng)、功率分析儀和諧波電源發(fā)生裝置。

功能驗(yàn)證試驗(yàn)現(xiàn)場照片如圖4所示。

圖4 功能驗(yàn)證試驗(yàn)現(xiàn)場照片

試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖5所示。

諧波電流值投入裝置前投入裝置后基波電流/A電流總諧波畸變率/(%)總諧波電流/AI1I2I396.5394.8997.8290.1991.6988.6187.0687.0086.68總諧波電流/A諧波裝置投入后總諧波電流比投入前減少百分比/(%)I1I2I330.4030.6132.5665.0864.8262.43諧波電壓值電壓總諧波畸變率(%)電壓總諧波畸變率/(%)U1U2U3U1U2U32.512.362.301.231.201.10功率因數(shù)測定//試驗(yàn)電壓/VU1U2U3U1U2U3398.34398.47398.43397.98397.92398.07

從圖5中可以看出：裝置投入后電流諧波含量比投入前減小了50%以上，滿足濾波功能。

1.3 結(jié)果分析

隨著快速?zèng)_擊性負(fù)荷設(shè)備的大量應(yīng)用，3C型式試驗(yàn)中幾十毫秒動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間的檢測成為一種所需。另外無功補(bǔ)償型式試驗(yàn)時(shí)還需要做諧波抑制或?yàn)V波效果的測試，其會(huì)受到電源側(cè)背景電壓諧波及源阻抗的影響。

實(shí)際檢測中采用電網(wǎng)電源供電，存在如下問題：切換感性無功負(fù)載時(shí)會(huì)帶來暫態(tài)，影響動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)捻憫?yīng)時(shí)間；由于采用實(shí)際的有功負(fù)載，損耗大；多是固定負(fù)載產(chǎn)生的諧波，諧波次數(shù)不可選擇；實(shí)際的負(fù)載需要人工切換，間隔的切換時(shí)間不可控；負(fù)載大小調(diào)節(jié)精度受限，不能隨意調(diào)節(jié)；電子負(fù)載產(chǎn)生有功電流時(shí)需要加入回饋裝置，會(huì)改變電網(wǎng)的等效阻抗，影響效果測試；試驗(yàn)系統(tǒng)因補(bǔ)償裝置的性能差異會(huì)有剩余的諧波電流或無功電流流入電網(wǎng)，導(dǎo)致電源側(cè)功率因數(shù)低；普通電子負(fù)載不能產(chǎn)生型式試驗(yàn)所需的連續(xù)多次的階躍無功。

以上問題導(dǎo)致檢測過程中會(huì)出現(xiàn)以下情況：存在一定的背景電壓諧波，該諧波由于有源阻抗的變化會(huì)影響無功補(bǔ)償?shù)闹C波抑制或?yàn)V波效果測試；當(dāng)電網(wǎng)電壓變化或三相不平衡時(shí)會(huì)引起無功補(bǔ)償需求量的變化，影響其動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間測試；當(dāng)無功補(bǔ)償裝置所需的電源電壓與其不一致時(shí)，需要重新搭建系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)；當(dāng)無功補(bǔ)償裝置所需的電源頻率與其不一致時(shí)，無法直接進(jìn)行試驗(yàn)。

2 綜合檢測裝置

2.1 技術(shù)方案

為克服上述不足，本文提供一種用于無功補(bǔ)償裝置動(dòng)態(tài)響應(yīng)和諧波抑制的檢測裝置及方法，具體檢測裝置的電路原理圖如圖6所示。

圖6 檢測裝置的電路原理圖QF1-輸入斷路器；KM_R1-輸入緩沖裝置；M1-四象限整流單元；M2-正弦電壓逆變單元；M3-負(fù)載電流發(fā)生單元；M4-儲能單元；L1-可調(diào)電抗；L2-輸入電抗器；L3-第1輸出電抗器；L4-第2輸出電抗器；IGBT-半導(dǎo)體電子開關(guān)；C1-電容；C2-電容；C3-濾波電容；QF2-輸出斷路器；CT1-第1電流互感器；CT2-第2電流互感器；CT3-第3電流互感器；CT4-第4電流互感器

技術(shù)方案為：電網(wǎng)電壓經(jīng)輸入斷路器后串聯(lián)接入輸入緩沖裝置，輸入緩沖裝置的輸出端與四象限整流單元交流側(cè)輸入端連接，且兩者連接電路上設(shè)置有第4電流互感器；四象限整流單元、正弦電壓逆變單元、負(fù)載電流發(fā)生單元的直流母線各自并聯(lián)在一起后接至儲能單元的兩端；正弦電壓逆變單元的輸出端串聯(lián)可調(diào)電抗后分別與負(fù)載電流發(fā)生單元的輸出端及輸出斷路器的輸入端相連；可調(diào)電抗與輸出斷路器的輸入端之間的電路上串聯(lián)有第1電流互感器和第3電流互感器，負(fù)載電流發(fā)生單元的輸出端連接有第2電流互感器，第2電流互感器連接于第1電流互感器和第3電流互感器中間；輸出斷路器的輸出端與被測無功補(bǔ)償裝置的主回路相連；儲能單元的電容中點(diǎn)與電網(wǎng)的中性點(diǎn)相接；各單元的動(dòng)作執(zhí)行由相應(yīng)的控制器控制。

2.2 控制方法

控制方法步驟如下：

(1)檢測裝置上電時(shí)輸入緩沖裝置中的電阻先接入，上電完成后，主控制器控制輸入緩沖裝置中的接觸器吸合；

(2)主控制器把人機(jī)界面獲得的信息通過通信下達(dá)給各分控制器；

(3)主控制器接收到啟動(dòng)命令后，先下發(fā)指令控制四象限整流控制器工作，四象限整流控制器根據(jù)試驗(yàn)的電壓等級把直流母線電壓控制到所需的大小并實(shí)時(shí)校正網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)，然后主控制器再下發(fā)指令控制正弦電壓逆變控制器啟動(dòng)逆變，正弦電壓逆變控制器會(huì)按主控制器事先通信下發(fā)的目標(biāo)電壓、頻率加以控制逆變器的輸出，主控制器判斷逆變輸出正常后，接著下發(fā)指令控制負(fù)載電流發(fā)生控制器啟動(dòng)逆變，負(fù)載電流發(fā)生控制器就會(huì)控制產(chǎn)生主控制器事先通信下發(fā)的階躍無功、有功或設(shè)定的諧波電流；

(4)主控制器接收到停止命令后，先下發(fā)指令控制負(fù)載電流發(fā)生控制器停止逆變，然后再下發(fā)指令控制正弦電壓逆變控制器停止逆變，接著控制四象限整流控制器停止工作。

2.3 效果分析

該檢測裝置效果如下：

(1)產(chǎn)生的無功、諧波、有功等負(fù)載電流可采用數(shù)字逆變的方式，通過編程實(shí)現(xiàn)，可產(chǎn)生所需的階躍負(fù)載和諧波次數(shù)，輸出大小可以任意調(diào)節(jié)；

(2)采用能量回饋技術(shù)，產(chǎn)生有功電流負(fù)載時(shí)基本不消耗能量；

(3)不需要額外加入回饋逆變裝置，可減少損耗；

(4)回饋時(shí)不改變被側(cè)設(shè)備連接處的等效源阻抗，不影響無功補(bǔ)償?shù)闹C波抑制效果測試；

(5)電源輸入端采用四象限整流器，能進(jìn)行功率因數(shù)的校正，提高了測試平臺的源測功率因數(shù)；

(6)測試電源來源于正弦輸出的電壓型逆變電源，電壓諧波小，能解決原供電電網(wǎng)背景電壓諧波對無功補(bǔ)償諧波抑制效果測試的影響；

(7)測試電源來源于正弦輸出的電壓型逆變電源，不會(huì)因源阻抗的不確定性影響無功補(bǔ)償?shù)闹C波抑制效果測試；

(8)測試電源來源于正弦輸出的電壓型逆變電源，輸出端電壓恒定、三相平衡，不會(huì)影響無功補(bǔ)償?shù)膭?dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間測試；

(9)測試電源來源于正弦輸出的電壓型逆變電源，逆變器的直流側(cè)及交流側(cè)都可以調(diào)節(jié)，當(dāng)無功補(bǔ)償裝置所需的電源頻率與電網(wǎng)不一致時(shí)，改變逆變電源頻率設(shè)置后仍可進(jìn)行試驗(yàn)。

3 結(jié)束語

基于動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間的檢測和抑制諧波或?yàn)V波功能的驗(yàn)證這兩個(gè)關(guān)鍵試驗(yàn)，本文提出了一種基于無功補(bǔ)償裝置關(guān)鍵試驗(yàn)的檢測裝置。該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)載電流的發(fā)生，具有電壓穩(wěn)定、諧波小、電壓及頻率可靈活調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)。

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