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1 传统无功补偿装置应用背景及现状
随着中国三十年的经济高速发展，电力电子设备在各行业得以普遍使用，变频电源、整流电源、逆变电源、开关电源、节能灯等典型非线性负载在配电系统占比越来越高。传统无功补偿装置在现代配电系统应用中，不但不能有效提升配电系统功率因数，降低系统线损，反而变成主要的故障源——电容器严重漏油、串抗频繁烧毁、保险损坏爆炸，严重时会造成系统火灾系统停电等恶性事故，以下是谐波造成补偿柜和系统问题的典型照片。
图1 接触器烧毁
图2 严重漏油损坏
图3 对地短路
图4 系统火灾
2 测试数据分析
通过测试浙江某大型船舶制造公司的一个船坞配电室传统无功补偿投入前后数据可以清晰看到传统无功补偿对谐波严重放大的情况。
图5 配电系统架构图
测试地点为1#变380V低压总进线开关侧：
表1投入传统无功补偿装置前后对比
由以上数据可以清晰看出投入传统无功补偿装置前后：配电系统电压畸变率由4.8%放大到6.5%，超过国标14549-93标准；配电系统电流畸变率由9.5%放大到18.9%，总谐波电流由由112A放大到202A；配电系统电流波形由不规则单峰变成双峰，主要放大谐波以5次和11次谐波最为明显。
该配电系统频繁出现电容器损坏故障及严重漏油现象，也频繁出现空压机变频器模块莫名击穿损坏问题。
图6系统故障局部
3 配电系统存在的风险
据了解，配电系统包括有大量焊接机和变频控制的空压机等非线性电源，谐波含量较高，传统无功补偿装置投入配电系统会导致以下风险：
传统无功补偿装置严重放大系统谐波含量，导致其公共连接点谐波含量超标污染电网，引起供电部门关注，严重时会给企业下停电整改通知单；
传统无功补偿装置无法跟踪负载波动速度，可能造成系统谐振，导致电气设备的过压过流以致保护断电，使生产中断，产生严重后果；
由于传统无功补偿装置不能正常运行，配电系统功率因数低下，变压器、母排、各种配电元件中流经大量无功电流，使变压器、母排、各种配电元件容量下降且发热严重，可能出现过载现象烧坏设备；
放大的谐波产生积肤效应，会造成变压器线圈、母排、断路器、电缆等电气元件严重发热，元器件发热会导致火灾、短路等问题，给系统安全造成极大风险；
超标的电压谐波会严重干扰整条生产线的弱电系统，以及造成变频器、开关电源等设备控制模块损坏，导致生产线不能正常运行，影响企业效益；
放大的谐波电压叠加在基波电压上随着负载快速波动，会造成电压波动幅度大、频率快，给产品品质和寿命带来很大影响；
谐波极易造成保护误动作，冲击断路器的保护限值，造成断路器莫名跳闸甚至烧毁，一旦发生，给生产线造成极大损失；
以上情况最终会造成配电系统不能连续安全运营、用户投资不能得到有效回报、用户产品成本增加及运营成本升高、用户生产效率降低或产能降低、用户能耗巨大。
4 现状分析、建议及治理效果
4.1现状分析
传统无功补偿装置导致配电系统谐波含量严重放大，且补偿装置元器件频繁烧毁，分析得原因如下：
电容器容抗对高次谐波呈现低阻抗、容抗和以下参数相关。XL=1/(2X3.14XfXC)，配电系统的谐波含量越高，即频率次数越高则容抗值越低，相同的电压下，会造成电容器的电流异常放大。导致配电系统谐波电流异常升高，电容器过流、接触器、保险、导线等均存在严重过流发热情况，从而造成补偿装置电气元器件频繁损坏。
谐波电压对电容器的危害。传统无功补偿装置放大配电系统谐波电流，该谐波电流和配电系统的变压器感抗及系统阻抗耦合后导致配电系统电压发生畸变；超标的谐波电压叠加系统的基波电压后会导致系统电压升高，造成电容器端电压超过电容器的额定电压，据相关资料电容器的端电压升高10%，会导致电容器的寿命缩短一半时间；当网侧的背景谐波电压超标时，也会导致传统无功补偿装置电容器的使用寿命缩短。
谐振：传统无功补偿装置为容性负荷，与配电系统变压器的感抗有固定谐振频率，当负载频繁波动时，会造成传统无功补偿装置频繁投切。另外，电容器随着使用时间拉长，电容量会逐渐衰减，这些原因导致传统无功补偿有很高的谐振风险。当配电系统发生谐振时会导致配电系统的电压、电流异常升高，严重危害电力负载和配电设备。
传统无功补偿装置无法跟踪负载快速波动。当配电负载为快速波动，传统无功补偿无法跟踪，出现频繁投切时，电容器投切时的浪涌冲击电压和电流也会导致电容器组迅速损坏，严重时会导致传统无功补偿装置发生爆炸起火，造成系统停电等事故。
以上问题是传统无功补偿装置无法规避的风险！
4.2对策建议
针对传统无功补偿装置产生的谐波放大、功率因数无法有效提高、无法跟踪负载的快速变化等问题，第三代无功补偿装置——静止无功发生器SVG有效的解决了传统无功补偿装置的问题。
4.2.1静止无功发生器SVG原理
SVG以大功率电压型逆变器为核心，通过调节逆变器输出电压，使其和系统电压形成可调基波电压差或谐波电压差，从而控制注入系统的无功电流或谐波电流，达到补偿无功和抑制谐波的目的。
图7 SVG工作原理图
4.2.2 SVG产品主要特点
双向无功补偿：既可以补偿容性负载，有可以补偿感性负载，额定容量下可以保证功率因数0.99不波动；
滤除谐波：针对配电系统主要谐波含量如5、7、11、13次等谐波进行滤除，保证系统谐波含量符合国标14549-93标准；
跟踪响应速度快：SVG跟踪负载进行滤波补偿全响应时间小于20ms；
精确补偿，消除谐振：SVG滤波补偿完全根据配电负载所需进行精确补偿，不存在过补偿问题，消除了配电系统因容性发生谐振的可能。
表2 SVG和传统无功补偿装置性能比较
4.2.3 SVG和传统无功补偿装置经济分析
传统无功补偿装置主要部件为电容器或电容器电抗器组，其成本随着经济发展较为平稳上升。而SVG的核心器件为IGBT和DSP等电力电子元器件，其价格成本随着材料应用的成熟有下行趋势，推广应用越迅速，其价格下降将会越快，二者的交集会快速到来。
综合以上特点，SVG产品适应了现代电网配电特征，是完全替代传统无功补偿装置的最先进的第三代无功补偿装置。
5 SVG产品应用案例
5.1项目背景
某有色冶金企业铜材SCR轧铜生产线，弱电干扰严重，变频器模块经常损坏，电能质量急需得到提升。
图8 SCR轧铜生产线现场环境
5.2项目意义
谐波治理可以有效提高供电系统的可靠性，消除系统谐波危害；谐波治理可以显著提高配电系统的功率因数，谐波治理可以大幅减少因谐波造成的高频振荡，降低轧线设备运行时噪音。所以该轧线谐波治理既能保证其配电系统的安全运行，提高生产效率，又能节能降耗具有很大经济效益。
5.3测试结果
实测粗轧和精轧设备运行时系统存在5、7、11、13次等特征谐波，谐波含量丰富。轧线工作时，负荷变化速度在几个周波，对于谐波治理设备的响应速度也提出了极高要求。
5.4项目方案
1250KVA轧铜变压器低压总进线侧配置了一台台达300KVAR的静止无功发生器。
5.5治理效果
网侧波形从严重畸变恢复成正弦波波形。
表3 静止无功发生器投入前后对比
5.6安装图片
图9 安装现场图
5.7项目回顾
某有色冶金企业铜材轧线应用台达静止无功发生器成功地解决了粗轧和精轧的谐波及无功补偿问题，提高了轧线配电系统的电能品质，保障了配电系统的可靠性，取得了极其显著谐波治理及节能效果，整个项目于2011年7月全部安装调试完成，运行至今。
6 总结
传统无功补偿装置由于其固有的电气特性不能适应现代配电系统负载需求，而第三代无功补偿装置SVG克服了传统无功补偿装置的问题，不但解决配电系统的谐波和无功问题，而自身作为电流源，有先天规避谐振风险的优势。安全、可靠、低耗地保证了配电系统的持续运营，SVG产品替代传统无功补偿装置在配电系统中大面积推广应用必将成为一种趋势。
作者简介：
周巍，男，生于1972年10月，毕业于中国国防科技大学，计算机信息管理专业。现任中达电通股份有限公司节能应用产品处经理，从事电能质量产品开发、规划和营销，具有多年从事电能质量产品的行业经验。
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