静止型无功补偿SVG在市政水厂电力系统的应用

静止型无功补偿SVG在市政水厂电力系
统的应用
摘要：本文根据供水厂、污水处理厂的改造应用实例，对现场负荷启动过程中系统电压跌落以及系统侧功率因数大幅度降低的情况进行测试，并对现场大负荷有时启动失败的原因进行了分析，还有现场传统电容加电抗组合无功补偿无法跟随负荷变化及夏天高温时容易爆炸，最后给出改造投入无功补偿装置SVG的解决方案并对该方案进行了验证，给出现场应用结果。

关键词：系统电压跌落，功率因数， SVG装置，负荷启动失败，无功补偿
引言
水厂电力系统中的大量负荷如大功率电机、整流变频设备在运行中需要大量的无功功率，同时输配电网络中的变压器、线路也会产生一定的无功，导致系统功率因数降低。

功率因数降低，一方面增加了供电线路的损失，从而必须增大供电线路的导线截面，增加了投资；另一方面电能质量、供电设备有效利用率也随之降低。

水厂的低压配电系统中，在很多情况下，需要采用远距离电缆对负载供电。

在远距离电缆供电时，电缆压降与电缆中通过的电流成正比，电流越大，其电压损失越大，末端电压越低。

对于大功率异步电机而言，其启动电流约为额定电流的5～8倍，若采用远距离电缆供电时末端电压较低，电机往往启动困难。

而无功补偿装置SVG相当于一个可变的无功电流源，能够迅速吸收或者发出所需要的无功功率，提高系统电压，保证设备能够正常运行。

水厂原来使用的传统电容电抗无功补偿装置，由于不能够快速反应变化的负载，常运行在过欠补之间，这样电容会频繁投切，导致电容电抗温升过高，而产生爆炸的事故，当更换成SVG无功补偿后，就可以很好的解决这一问题，本文就水厂的应用实例展开分析。

污水厂应用实例概述
1）负荷特性考虑
水厂的负荷为大功率电动机和变频器及路灯等，路灯属于平衡的负载，但功率因数较低，所以开启时需要平衡稳定的无功补偿；电动机启动时电网在瞬间会有大的电压降，需要很高的无功功率来励磁，如果无功功率提供不够或提供的速度不够，就会由于过高的电压降使电机无法启动；变频器为电动机的调速装置，在运行时会产生一定量的电网谐波，也在随时改变负载的大小，和无功功率的需求量。

如水厂电机的额定功率为110kw，电机与系统的连接方式如下图所示。

变频启动装置在启动过程中对电动机启动瞬间的电流进行限制，在运行过程中对电机进行调速。

图1 电动机、变频器与系统连接示意图
该污水厂电动机启动过程中，需要大量的无功功率，使得电缆末端电压
严重跌落，变频装置中的欠压保护会启动，使电动机有时无法正常工作，导致电机启动失败。

2）电动机启动过程分析以及解决方案
2.1）电动机启动过程分析
为设计控制方案，在投入无功补偿装置SVG前，首先对电动机的启动过程进行测试。

如图3、图4、图5所示分别为投入SVG装置前，电动机启动过程三相交流电压、三相电流以及电网功率因数。

从图2、图3、图4可以看出，在电动机启动时，交流侧电压最低降到177.90V，跌落42V左右，最大启动电流达到684.2A，系统侧最低PF仅为
0.0485，大量无功严重影响了电动机启动期间的电能质量。

系统侧电压跌落导致
变频器装置无法正常工作，进而容易导致电动机启动失败；图5看出，启动时电
流谐波达到了10%左右，所以启动时谐波也在影响功率因数。

2.2）提高系统电压、改善功率因数策略分析
变频器装置的投入引入了谐波，启动电流中谐波含量约10%，那么根据图4
中电流测试结果可以得到启动电流中的无功电流为：
现场的变频器装置最低工作电压为190V，而投入无功补偿装置SVG前，系统
电压跌落到178V左右，因此SVG必须保证能够通过补偿无功使得系统电压有12V
左右的提升，那么启动过程中电网无功电流最大值为：
根据上述的计算，无功补偿装置SVG至少应提供136.84A的补偿电流；另外，变频器装置的投入引入了部分谐波，通常情况下，若有足够的资金投入，应将该
谐波以及启动电流中的无功成分完全补偿，保证电动机的投入不会对电网造成任
何影响。

但是电动机启动持续时间较短，且稳定运行的无功电流约125A，考虑到
设计成本，最终本回路几台电机给出了配备6台100kvar的SVG模块，并联补偿
启动电流的方案并保证功率因数保持在0.95。

基于上一小节的分析，方案中所配备的无功补偿装置容量已可以满足现场电
机的启动电流，保证在电动机启动期间，无功补偿装置能够最大限度输出。

实验结果与分析
1）模拟验证结果
根据水厂现场电动机启动时的系统电压跌落情况，搭建模拟验证平台，通过
在网侧增加SVG无功补偿，使得在负载投上瞬间，电缆末端电压有较大跌落，并
在突加、突降大电流时系统电压的跌落进行监测，验证在系统电压大幅度跌落时SVG的运行状态，验证结果如图7所示。

图7 模拟电动机启动验证结果
从图7可以看出，系统电压跌落至峰值195V时，无功补偿装置仍然能够对负载无功进行补偿，以最大能力进行输出。

现场验证结果
按照设计方案配备的无功补偿装置SVG与负载电动机的连接示意图如图8所示。

从主配电室点经过一段较长的电缆，作为电动机系统电压，电动机通过变频器装置实现缓起，SVG经外部电流互感器采集电动机电流，进行无功补偿，提高电缆末端电压，保证电动机正常启动。

图8 站点连接示意图
设备安装连接无误后，启动电动机及其变频器装置，验证系统侧电压跌落改善情况，测试变频器装置是否正常运行，电动机是否能够成功启动。

现场实验结果可以看出，电动机启动耗时24s，电动机启动后，启动电流不断增加，随后稳定在最大值处，整个过程中，无功补偿装置SVG均处于最大出力状态，且电流波形正弦度较高，未出现削顶现象。

从测试结果可以看到，加入无功补偿装置后，系统电压有效值跌落至最低191V左右，较之加入SVG前系统电压有效值提高13V左右，网侧功率因数约0.95。

电动机启动完成后，无功电流大幅度降低，SVG完全补偿，实现网侧功率
因数几乎为1，保证了电动机的投入不造成电网功率因数的降低。

从以上验证结果来看，按照本文所述方案配备的无功补偿装置SVG能够解决满污水厂现场电动机有时无法启动的问题，并在电动机完成启动后，使得网侧功率因数大大改善。

2）改造前后电网对比
水处理公司作为生产型企业，电能是最主要的能源消耗成本。

厂内为10KV 高压进线，配电网的变电电压等级为10KV/0.4KV。

低压侧有设集中电容补偿柜，低压总进线侧功率因数0.9左右。

厂内全年365个工作日，全天24小时运行。

改造前现场无功补偿柜设备老旧，运行不稳定；原电容柜的内部电容与电抗的布置不合理，无法散热（见图9）；导致电容柜发生爆炸的危险；无功补偿柜故障引起停电停产的危险性比较高。

改造后，新的SVG无功补偿以模块化的方式布置，并增大了柜内的通风风道和风机。

柜内看起来更加的整洁美观，接线方便，维护简单，由于SVG模块自身具有多种保护功能，所以运行稳定。

SVG与传统补偿相比较
补偿方式:国内的无功补偿装置基本上是采用电容器进行无功补偿，补偿后
的功率因素一般在0.8-0.95左右。

SVG采用的是电源模块进行无功补偿，补偿后
的功率因素一般在0.98以上，这是目前国际上最先进的电力电子技术。

补偿时间: 国内的无功补偿装置完成一次补偿最快也要200毫秒的时间，SVG在5毫秒的时间就可以完成一次补偿。

无功补偿需要在瞬时完成，如果补偿
的时间过长会造成该要无功的时候没有，不该要无功的时候反而来了的不良状况。

有级无极: 国内的无功补偿装置基本上采用的是3-10级的有级补偿，每增
减一级就是几十千法，不能实现精确的补偿，并且产生大的冲击电流。

SVG可以
从0.1千法开始进行无极补偿，完全实现了精确补偿。

谐波滤除: 国内的无功补偿装置因为采用的是电容式，电容本身会放大谐波，所以根本不能滤除谐波，SVG不产生谐波更不会放大谐波，并且可以滤除50%以
上的谐波。

使用寿命: 国内的无功补偿装置一般采用接触器或可控硅控制，造成使用寿
命较短，一般在三年左右，自身损耗大而且要经常进行维护。

SVG使用寿命在十
年以上，自身损耗极小且基本上不要维护。

改造后的效果
经过调试运行后，原补偿系统用电容电抗的方式进行，对于补偿时电容器不能完美的解决过补偿和欠补偿的问题，在负荷运行于COS=0.90左右时，电容器可能发生加一个过补，少一个欠补的情况发生，有时因为无功补偿不够，导致电动机启动失败，还会引起电网电压降低。

改成SVG后，就可以很好的解决以上的问题，因为SVG是柔性补偿装置，可以0.1KVAR的精度来补偿，补偿后精度可以达到COS=0.99，现场设置值为0，95的目标功率因数，从图12可以看出，电网功率因数稳定在0.95左右，说明SVG 的补偿优于传统电容加电抗型无功补偿，改造后可以大大的提高节能的效果，也能保证电机等负载的运行稳定性；SVG的发热低，对电网的冲击小。

4结语
水厂供电系统的电能质量问题是保证水厂供电安全的重要环节，无功补偿装置的投入能够一定程度地提高电网系统在大负载启动时的跌落电压，保证电动机等负载顺利启动，同时能够有效改善网侧的功率因数，提高变压器的利用容量，提高电能质量。

本文就水厂的应用实例进行分析。

对电动机变频器装置负载特性进行综合考虑及传统无功补偿和新SVG装置对比，提供相应的控制策略，并进行了验证，具有一定的参考价值。

参考文献：
1．《谐波抑制和无功功率补偿》机械工业出版社王兆安
2．《无功补偿设备》中国水利水电出版社国网天津电力公司
3．《HPD电能质量系列产品》上海艾临科智能科技有限公司胡红日
4．《污水厂谐波及补偿柜改造方案》上海艾临科智能科技有限公司陈志龙。