关键词：高压变频器；无功补偿
Abstract: At present, with the development of power electronics technology, especially the appearance of high voltage IGBT devices and the improvement of control technology, Toshiba Mitsubishi-Electric Industrial Systems (China) Corp. integrates the leading technology, design and manufacturing process of Toshiba and Mitsubishi Electric, and introduces a new generation of TMdrive-MVe2 inverter with high performance and high reliability, It can realize the reactive power compensation function similar to thyristor SVC.
Key words： High voltage inverter; Reactive power compensation
1 引言
在我们的供配电系统当中，无功功率对供配电系统和负载的安全、有效的运行，是非常重要的。在电力系统中，大部分变电设备和用电设备的阻抗是感性的，也就意味着它们需要消耗无功功率，很显然，这些无功功率通过供电系统由发电机提供并且通过长距离的传送是非常不合理的，在大容量的系统中也是不可能的，所以合理的方法就是在需要无功功率的地方向系统提供无功，即我们平时所说的无功补偿。无功补偿在系统中是必不可少的，它的主要作用是提高供配电系统的功率因数，从而提高输电设备和变电设备的利用率，提高用电效率，降低用电成本；另外，在长距离输电线路中，在合适的地点加装动态无功补偿装置，还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力，稳定受电端及电网的电压。
1.1 无功功率的产生及定义
交流电路中，由于感性或容性负载的存在，建立电感的磁场或电容的电场都需要电源多提供一部分不做机械工的功率，称为无功功率。无功功率把电能装换成另一种形式的能量，其不直接消耗电能，这也是各种电气设备能够做功的必要条件，并且使这种能量在电网中进行周期性的转换。电流在电容原件中做功时，电流是超前电压90º的，在同一电路工作中，电感产生电流与电容产生电流的方向是相反的，并且相差180º。
1.2 无功补偿的意义
一般大型企业采用大量用电设备，包括电感电动机、变压器等。供电系统中既包括有功功率，又包括无功功率，使发电设备和输电设备不能充分发挥作用，并增加输电线路的功率损耗和电压损失，故提高用户的功率因数有如下益处：
（1）提供电网中有功功率的比例常数；
（2）减少供电设备的设计容量；
例如将功率因数cosΦ1=0.8增加到cosΦ2=0.95时，装1kVar电容器可节省设备容量0.52kW；反之，增加0.52kW对原设备而言，相当于增大了供电设备容量。因此，对新建、改建工程应充分考虑无功补偿，便可以减少设计容量，从而减少投资。
（3）降低网络中的功率损耗。
当输送的有功功率和电压不变时，供电线路和变压器的损耗有所降低，其降低的百分数△P可用下式计算
（1）
从表达式（1）可见，cosΦ越大，△P越少，所以提高功率因数后，线损率也下降了，减少设计容量，减少投资，增加电网中有功功率的输送比例，以及降低线损都是直接决定和影响着企业的经济效益。
1.3 无功补偿的方法
补偿无功功率的方法有三种：
（1）早期的典型代表为同步调相机，体积庞大造价高，已渐渐淘汰。
另外，在某些工业领域，使用大功率的同步电机，也可以实现功率因数超前，通过大型同步电机的运行来给系统补偿无功的效果。但是，一方面同步电机相比异步电机来说，成本更高，应用的场合不多，另一方面如果同步电机拖动的负载暂时不使用，同步电机停止运行的情况下，就无法对电网进行无功补偿。
（2）第二种是并联电容器的方法，主要的优点是成本低，易于安装使用，但是需要根据系统可能存在谐波等电能质量问题，根据不同用户的供电情况、负荷情况、电压等级等条件，进行设计；串联电抗器的电容器补偿装置是提高功率因数的广泛的一种方式，当用户系统负荷为连续性生产，负载变化率不高时，一般建议采用FC的固定补偿方式，也可以采用由接触器控制的分步投切的自动补偿方式（例如50kVar、100kVar、200kVar、600…），这个对于中压、低压供配电系统都适用；主要应用在大部分的用电场所，石油化工、水处理、公共建筑、水泥、造纸等。当负荷变化较快，或者为冲击性负荷时，需要快速补偿，例如橡胶行业的密炼机，通常在1-2分钟内系统对于无功功率的需求从0kVar上升至1500kVar，然后又下降至0kVar。但是由于一般的无功自动补偿系统所采用的电容器，从运行状态断开，退出电网后，在电容器的两极之间存有残压，残压的大小无法预知，需要1-3分钟的放电时间，所以再次投入电网的间隔至少要等到残压通过电容器内部的放电电阻消耗至50V以下时才能进行第二次投入使用，所以无法做到快速响应；
（3）在这样的情况下，通常所说的静止无功补偿装置：（SVC---Static Var Compensator）诞生了，其典型的SVC代表是由TCR（Thyristor Controlled Reactor）+FC（Fixed Capacitor）组成的，即晶闸管控制电抗器+固定电容器组（通常需要串联一定比例的电抗器），静止无功补偿装置的重要性是它能够通过调节TCR中晶闸管的触发延迟角来连续调节补偿装置的无功功率；SVC这种补偿形式目前主要在中高压配电系统中应用，对于负载容量大、谐波问题严重、冲击性负荷、负载变化率高的场合特别适用，例如钢厂、橡胶、有色冶金、金属加工、高铁等；除了SVC，还有TSC（Thyrister Switch Capacitor），即晶闸管投切的电容器组，采用晶闸管来代替接触器的快速投切方式，主要使用在低压配电系统，例如焊接设备特别多的汽车制造、造船、机械加工等；MCR（Magnetic Controlled Reactor）即磁阀式可控电抗器，通常与FC配合使用。
1.4 无功补偿的方式
（1）高压集中补偿方式（在高压配电线路中安装并联电容器组）；
（2）低压成组补偿方式（在配电变压器低压侧和用户车间配电屏安装并联补偿电容器）；
（3）分散就地补偿方式（在单台电机处安装并联电容器）。
2 高压变频器无功补偿原理
目前随着电力电子技术的发展，特别是高电压等级的IGBT器件的出现和控制技术的提高，东芝三菱电机产业系统株式会社(TMEIC)集成了东芝和三菱电机的领先技术、设计和制造工艺，推出了新一代高性能、高可靠性的TMdrive-MVe2变频器，如果采用这种MVe2四象限变频器，就可以实现类似晶闸管SVC的无功补偿功能。
这是一种有别于传统的以电容器、电抗器为基础元器件的无功功率源，它是一种无功电流源，通过PWM脉宽调制控制技术，使其发出无功功率，呈容性；或者吸收无功功率，呈感性。
东芝三菱电机产业系统株式会社(TMEIC)生产的TMdrive-MVe2高压变频器，能够实现无功补偿的功能，主要原因在于MVe2变频器采用了AFE主动前端技术。高压变频器原理图如图1所示。
图1 高压变频器原理图
主动前端又名整流回馈装置，其英文名译自"Active Front End"。由于普通变频器前端采用是二极管桥式整流，因此能量仅能从电网流向变频器直流母线，无法实现能量双向流动，同时由于二极管全桥整流的局限性，导致变频器的网侧功率因数不够高同时输入谐波电流较大，从而导致对电网的干扰。一般来讲变频器的功率越大，对电网所造成的影响也就越大，因此在工程实践上，通常会采用在较大功率的变频器输入端与直流母线上加装输入电抗器和直流电抗器的方法，来降低变频器的输入谐波并提高变频器的网侧功率因数。
AFE主动前端的出现则较好地解决了上述问题。它与变频器的输出逆变部分一样，也采用IGBT组成三相桥式结构，实现了电网与变频器直流母线间能量的双向流动。由于AFE主动前端摒弃了落后的固定桥式二极管整流模式，无论在整流还是在回馈状态下工作时，都是通过IGBT开关状态的切换来实现相应的功能，因此使用了AFE主动前端后，无论在整流还是在回馈状态下，变频器的网侧电流都是谐波很少的正弦波，功率因数也接近于1，大大减小了对电网的干扰。同时变频器采用了AFE主动前端后，由于可以实现前端能量的双向流动，因此可以应用于各种需要电机四象限运行的场合中，比如各种电梯、提升机、起重机，以及各种惯性负载的电机拖动系统中。
由于采用IGBT全控型功率器件进行整流，所以IGBT的导通和关断是完全可控的，在这种情况下，可以通过控制IGBT的开断来控制变频器输入侧电流和电压之间的相位角夹角，从而达到调节变频器输入侧功率因数的效果。
普通变频器通常功率因数在0.95以上，但是MVe2通过AFE主动前端技术，可以将功率因数提升到1.0，甚至还可以对电网进行无功补偿。
3 高压变频器无功补偿容量及方式
3.1 补偿容量
无功补偿范围如图2所示。
（1）当变频器拖动电机负载满载运行时，变频器需要输出100%的有功功率，此时变频器最多可以向电网补偿变频器额定容量40%的无功功率。
举例说明：某台10kV 710kW的电机，配置一台10kV 1000kVA的MVe2高压变频器，在正常满载运行时，可以向电网补偿1000kVA*40%=400kVar的无功功率。
（2）当变频器停机时，变频器不需要向电机输出任何有功功率，此时变频器最多可以向电网补偿变频器额定容量70%的无功功率。
举例说明：某台10kV 710kW的电机，配置一台10kV 1000kVA的MVe2变频器，在停止运行时，可以向电网补偿1000kVA*70%=700kVar的无功功率。
图2 采用MVe2无功功率补偿的具体数值图
3.2 补偿方式
（1）通过将客户断路器的CT，PT信号接入PLC，高速分析系统中的电压和电流分量，实现对电网无功功率的实时跟踪和精准补偿。
图3 智能仪表接线图
图4 变频装置系统图
（2）按照固定值进行补偿，在变频器的最大补偿范围内，设置固定的无功功率输出补偿电网，此方式无需额外增加用户成本，达到投入电容器组进行无功补偿同样的效果。
3.3 无功补偿功能控制
为了提高功率系数，改善直流供电，通过使用变流器的功率再生功能，可以进行无功电流/电压控制（RCV）。交流电压控制命令值通过传送输入，作为RCV_REF_T基准值，并作为D轴电流基准。ID_R为输出，这样直流电压反馈偏差，VAC_F变为0。无功电流/电压抑制控制框图如图5所示。与变流器电压饱和补偿控制的电压饱和抑制控制方法相同，RCV控制输出ID_R。因此，如果RCV电压饱和抑制控制盒变流器电压饱和补偿控制都在使用中，变流器电压饱和补偿控制优先，防止两者之间产生干扰。
图5 无功补偿控制框图
4 项目情况
安徽宣城海螺水泥有限公司主要生产高标号低碱水泥熟料，运用新工艺和新技术，以工业废渣做原料，实施余热发电项目，大力发展循环经济。东芝三菱电机工业系统（中国）有限公司为1#、2#日产4500吨新型干法熟料生产线窑尾排风机变频技改项目提供高压变频器。
本项目电机技术参数如附表所示。
根据水泥行业窑尾风机运行的转矩特性，一般变频器的选型只要满足In变频≥In电机即可。而海螺集团变频器选型要求按照的1.3倍电机电流选型，所以本项目变频器选型容量为2720kVA，变频器型号为TMdrive-MVe2-2720kVA-6kV。这种大马拉小车的设计理念，可以提高设备运行的稳定性，但是会使电网功率因数低下，出现各变压器利用率降低，线路损耗增大等问题；而使用TMEIC MVe2系列的高压变频器不但能解决该问题，保证输入侧的功率因数为1，同时将选型放大的容量作为无功补偿使用，从而减少高压集中补偿时电容组投入数量，优化节能效果。按照变频最大40%的补偿量计算，变频器在正常驱动额定负载运行时可以输出的无功功率为Q= -40%*2720 = -1088kVar。
根据现场调试情况，当达到工艺要求时，变频器的输出功率为1014kW，输出的无功功率为-117kVar,此时功率因数为0.9948，此时变频器还有很大的无功补偿空间。效果如图6所示。
5 结束语
东芝三菱电机工业系统（中国）有限公司TMdrive-MVe2四象限高压变频器应用在下运皮带机、提升机驱动已经得到用户的广泛认可，同时在风机、水泵等只需要两象限应该的场合也具备其独特的优势。无功补偿功能的应用可以使高压补偿电容组减少投入，在项目使用上给最终用户充分的节能空间。东芝三菱电机工业系统（中国）有限公司依托一百多年的自动化行业的应用经验，对水泥行业的变频改造具有专业的方案解决能力，TMdrive-MVe2系列高压变频器为采用矢量控制技术的高性能变频器，产品适用于冶金、电力、水泥、石化等各行业的应用领域。
[1]丁德渝,徐静.电子技术基础[M]. 中国电力出版社,2010.
[2] TMdrive-MVe2节能中压变频器手册[Z]. 东芝三菱电机工业系统（中国）有限公司
作者简介：
朱王敏 (1984)，男，工学学士，高压变频器技术工程师，wangminzhu@tmeic-cn.com；
屠铁军 (1975)，男，工学硕士，高压变频器技术开发和应用研究高级工程师，tiejuntu@tmeic-cn.com；
黄佳梦 (1988)，男，经济学学士，高压变频器石化行业销售工程师，jiamenghuang@tmeic-cn.com；
刘芳蕾 (1985)，女，工商管理硕士，高压变频器水泥行业销售工程师fangleiliu@tmeic-cn.com；
共0条 [查看全部] 网友评论