基于无功补偿装置关键试验的检测装置研究*

信 天,周 媛,张 超,刘 通,田列远

(山东省产品质量检验研究院，山东 济南 250102)

0 引 言

随着低压用电设备等无功负荷的广泛使用，电网中产生了大量无功功率，严重影响了电能质量，也会对发电、供配电造成不良影响；自动化水平的提高也对电能质量提出越来越高的要求。无功补偿是改善电能质量和降损节能的关键技术[1-4]。GB/T 15576-2008适用于额定交流电压不超过1 000 V(或1 140 V)，频率不超过1 000 Hz的低压成套无功功率补偿装置[5]。

本文将结合日常型式试验检测经验和国内外研究现状[6-16]，提出一种基于无功补偿装置关键试验的检测装置。

1 实验及结果分析

由一个或多个低压开关设备、低压电容器和与之相关的控制、测量、调节等设备构成电气和机械的连接，用结构部件完整地组装在一起，就是一套低压成套无功功率补偿装置。将其安装在电网中，可以对电网进行无功补偿，改善电能质量，降低电能损耗。

1.1 动态响应时间检测试验

按照投切电容器的类型，无功补偿装置分为3类：机电开关、半导体电子开关、复合开关。对于采用半导体电子开关或复合开关投切的装置，其动态响应时间应不大于1 s。

试验方法：给装置施加额定电压，在主电路中投入大于设定值的感性负荷，检测感性负荷电压的变化，并记录该时刻为T1，检测电容器投入的电流变化，并记录补偿电容器输出电流发生变化的时刻T2，T2-T1即为装置的动态响应时间T。试验做3次，取最长时间T值。

试验设备：计算机数据采集系统、茹科夫斯基大电流测试系统和200 kA通断试验控制记录监视系统。

动态响应试验现场照片如图1所示。

图1 动态响应试验现场照片

动态响应波形图如图2所示。

图2 动态响应波形图

由图2可知，装置的动态响应时间即为电压发生变化与电流发生变化的时间差。

1.2 抑制谐波或滤波功能验证

按照有无抑制谐波或滤波功能，无功补偿装置又可划分为3类：无抑制谐波或滤波功能、有抑制谐波功能、有滤波功能。对于有抑制谐波功能的装置，应根据装置提供的抑制谐波技术参数，通以适量谐波以验证装置的抑制谐波单元通电工作正常，装置投入后装置的谐波电流含量不应增加；有滤波功能的装置，应根据装置提供的滤波技术参数，通以适量谐波以验证装置的滤波单元通电工作正常，装置投入后装置的电流谐波含量至少应减少到投入前装置的电流谐波含量的50%。

试验方法及要求：根据标准GB/T 14549-1993附录D的规定，记录抑制谐波或滤波功能单元投入运行之前及抑制谐波或滤波功能单元投入运行之后的谐波电压值或/和谐波电流值。

其公用电网谐波电压限值和谐波电流允许值分别如表(1～4)所示。

表1 公用电网谐波电压(相电压)限值

表2 谐波电流允许值(2～9次谐波)

表3 谐波电流允许值(10～17次谐波)

表4 谐波电流允许值(18～25次谐波)

无功补偿装置抑制谐波或滤波的原理是被动无源滤波，等效电路为无源滤波构成的阻抗与电网阻抗并联进行谐波的分流，因此谐波注入量、各次谐波占比、电网阻抗等对其谐波抑制能力及效率具有明显的影响。

检测装置的电路原理图如图3所示。

图3 检测装置的电路原理图

一个带滤波功能的无功补偿装置：In=475 A,Icw=30 kA，Ue=690 V,Ui=800 V，916 kvar,三相补偿，50 Hz，IP40,户内型，控制投切电容器为半导体电子开关，有滤波功能。其功能验证试验方法为：闭合断路器S1和S2，使谐波发生装置正常待机。根据带滤波功能的试验样品的参数，设置谐波发生装置输出容量和各次谐波电流值的占比，启动谐波发生装置使之输出预期的谐波电流值，待谐波电流稳定后用功率分析仪采集此时主回路的电流和电压值。闭合断路器S3，使带滤波功能的试验样品正常待机。根据已投入的谐波电流值大小，投入相应容量的电容值，待电流稳定后，再次采集主回路的电流和电压值。

试验设备：计算机数据采集系统、茹科夫斯基大电流测试系统、200 kA通断试验控制记录监视系统、功率分析仪和谐波电源发生装置。

功能验证试验现场照片如图4所示。

图4 功能验证试验现场照片

试验数据如图5所示。

谐波电流值投入装置前投入装置后基波电流/A电流总谐波畸变率/(%)总谐波电流/AI1I2I396.5394.8997.8290.1991.6988.6187.0687.0086.68总谐波电流/A谐波装置投入后总谐波电流比投入前减少百分比/(%)I1I2I330.4030.6132.5665.0864.8262.43谐波电压值电压总谐波畸变率(%)电压总谐波畸变率/(%)U1U2U3U1U2U32.512.362.301.231.201.10功率因数测定//试验电压/VU1U2U3U1U2U3398.34398.47398.43397.98397.92398.07

从图5中可以看出：装置投入后电流谐波含量比投入前减小了50%以上，满足滤波功能。

1.3 结果分析

随着快速冲击性负荷设备的大量应用，3C型式试验中几十毫秒动态响应时间的检测成为一种所需。另外无功补偿型式试验时还需要做谐波抑制或滤波效果的测试，其会受到电源侧背景电压谐波及源阻抗的影响。

实际检测中采用电网电源供电，存在如下问题：切换感性无功负载时会带来暂态，影响动态无功补偿的响应时间；由于采用实际的有功负载，损耗大；多是固定负载产生的谐波，谐波次数不可选择；实际的负载需要人工切换，间隔的切换时间不可控；负载大小调节精度受限，不能随意调节；电子负载产生有功电流时需要加入回馈装置，会改变电网的等效阻抗，影响效果测试；试验系统因补偿装置的性能差异会有剩余的谐波电流或无功电流流入电网，导致电源侧功率因数低；普通电子负载不能产生型式试验所需的连续多次的阶跃无功。

以上问题导致检测过程中会出现以下情况：存在一定的背景电压谐波，该谐波由于有源阻抗的变化会影响无功补偿的谐波抑制或滤波效果测试；当电网电压变化或三相不平衡时会引起无功补偿需求量的变化，影响其动态响应时间测试；当无功补偿装置所需的电源电压与其不一致时，需要重新搭建系统进行试验；当无功补偿装置所需的电源频率与其不一致时，无法直接进行试验。

2 综合检测装置

2.1 技术方案

为克服上述不足，本文提供一种用于无功补偿装置动态响应和谐波抑制的检测装置及方法，具体检测装置的电路原理图如图6所示。

图6 检测装置的电路原理图QF1-输入断路器；KM_R1-输入缓冲装置；M1-四象限整流单元；M2-正弦电压逆变单元；M3-负载电流发生单元；M4-储能单元；L1-可调电抗；L2-输入电抗器；L3-第1输出电抗器；L4-第2输出电抗器；IGBT-半导体电子开关；C1-电容；C2-电容；C3-滤波电容；QF2-输出断路器；CT1-第1电流互感器；CT2-第2电流互感器；CT3-第3电流互感器；CT4-第4电流互感器

技术方案为：电网电压经输入断路器后串联接入输入缓冲装置，输入缓冲装置的输出端与四象限整流单元交流侧输入端连接，且两者连接电路上设置有第4电流互感器；四象限整流单元、正弦电压逆变单元、负载电流发生单元的直流母线各自并联在一起后接至储能单元的两端；正弦电压逆变单元的输出端串联可调电抗后分别与负载电流发生单元的输出端及输出断路器的输入端相连；可调电抗与输出断路器的输入端之间的电路上串联有第1电流互感器和第3电流互感器，负载电流发生单元的输出端连接有第2电流互感器，第2电流互感器连接于第1电流互感器和第3电流互感器中间；输出断路器的输出端与被测无功补偿装置的主回路相连；储能单元的电容中点与电网的中性点相接；各单元的动作执行由相应的控制器控制。

2.2 控制方法

控制方法步骤如下：

(1)检测装置上电时输入缓冲装置中的电阻先接入，上电完成后，主控制器控制输入缓冲装置中的接触器吸合；

(2)主控制器把人机界面获得的信息通过通信下达给各分控制器；

(3)主控制器接收到启动命令后，先下发指令控制四象限整流控制器工作，四象限整流控制器根据试验的电压等级把直流母线电压控制到所需的大小并实时校正网侧功率因数，然后主控制器再下发指令控制正弦电压逆变控制器启动逆变，正弦电压逆变控制器会按主控制器事先通信下发的目标电压、频率加以控制逆变器的输出，主控制器判断逆变输出正常后，接着下发指令控制负载电流发生控制器启动逆变，负载电流发生控制器就会控制产生主控制器事先通信下发的阶跃无功、有功或设定的谐波电流；

(4)主控制器接收到停止命令后，先下发指令控制负载电流发生控制器停止逆变，然后再下发指令控制正弦电压逆变控制器停止逆变，接着控制四象限整流控制器停止工作。

2.3 效果分析

该检测装置效果如下：

(1)产生的无功、谐波、有功等负载电流可采用数字逆变的方式，通过编程实现，可产生所需的阶跃负载和谐波次数，输出大小可以任意调节；

(2)采用能量回馈技术，产生有功电流负载时基本不消耗能量；

(3)不需要额外加入回馈逆变装置，可减少损耗；

(4)回馈时不改变被侧设备连接处的等效源阻抗，不影响无功补偿的谐波抑制效果测试；

(5)电源输入端采用四象限整流器，能进行功率因数的校正，提高了测试平台的源测功率因数；

(6)测试电源来源于正弦输出的电压型逆变电源，电压谐波小，能解决原供电电网背景电压谐波对无功补偿谐波抑制效果测试的影响；

(7)测试电源来源于正弦输出的电压型逆变电源，不会因源阻抗的不确定性影响无功补偿的谐波抑制效果测试；

(8)测试电源来源于正弦输出的电压型逆变电源，输出端电压恒定、三相平衡，不会影响无功补偿的动态响应时间测试；

(9)测试电源来源于正弦输出的电压型逆变电源，逆变器的直流侧及交流侧都可以调节，当无功补偿装置所需的电源频率与电网不一致时，改变逆变电源频率设置后仍可进行试验。

3 结束语

基于动态响应时间的检测和抑制谐波或滤波功能的验证这两个关键试验，本文提出了一种基于无功补偿装置关键试验的检测装置。该装置能够实现负载电流的发生，具有电压稳定、谐波小、电压及频率可灵活调节的优点。

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