船舶电力系统的无功补偿设计.doc

船舶电力系统的无功补偿设计夏 进 陈家兴 周 洋(江苏省镇江船厂(集团)公司 212005)摘 要：船舶电力系统中的大多数用电设备都属于电感性负载，占用无功功率较大，自然功率因数普遍较低，同一设备在不同工况下运行，自然功率因数的差异也很大。改善功率因数能提高电源设备的利用率，降低电力系统损耗和温升，減少线路电压降，提高供电质量。目前，大多数船舶尚未进行无功补偿，但随着船舶电力系统容量的増大和电力推进的广泛应用，无功补偿的意义日显重要。在船电设计过程中，应当根据用电负载的状况，合理选择无功补偿方案和控制方式，注重改善船舶电网的功率因数，以提高船舶电力系统的稳定性，使其在运行中能符合节能降损的要求。在对船舶电力系统进行无功补偿时，宜将APF和其它补偿方式并联使用，同时考虑对谐波进行治理。关键词：功率因数 节能降损1. 船舶主要用电负载的功率因数机舱辅机、甲板机械、风机与冷藏、空调等设备，几乎都是由异步电动机进行拖动。异步电动机必须从电网中吸取无功功率，在空载运行时，定子绕组电流中产生旋转磁场的无功分量所占比重很大，机、电损耗的有功分量所占比重很小。因此，功率因数很低，其自然功率因数常在0.20左右。当电动机输出的机械功率增加时，电流中有功分量的比重增大，功率因数也随着上升，在负载接近额定功率时，功率因数可达到最大值。此外，异步电动机的自然功率因数还因极数的増加而有所降低，与制造质量也有一定关系。由于在机电配套时，设计者往往会使电动机留有较多的储备功率，造成轻载工况较多，这是船用异步电动机在运行时自然功率因数低的主要原因。变压器对发电机而言是负载，对用电设备来说是电源。船舶电力系统中的发电机，正逐步采用较高的电压等级（6.6-17.5kV），再通过配电变压器将电压降至辅助机械等用电设备的电压等级，由于要考虑电动机启动等因素，配电变压器的容量都较大，其容量常见在1000kVA以上，数量有多台。当船舶电力系统为低电压等级（0.4-0.69kV）时，通常是用照明变压器将电压降至照明与仪器等用电设备的电压等级，其容量为几十至几百kVA，数量至少为2台。变压器空载电流中的无功分量比重很大，功率因数在0.2以下，加入负载后的功率因数主要由负载性质而定。因此，船用电力变压器在运行中自然功率因数都较低。变频装置与船舶直流电源的主要部件是整流变压器，其自然功率因数与接线方式有关，交流侧的视在功率因数等于直流输出功率和变压器原边的视在功率之比。以三相桥式可控整流电路为例，由于负载的电感很大，整流电流成了纯直流，在整流变压器各侧线圈中，每时间内都有正电流与负电流-通过；经计算，每个周期（2）交流线圈的电流有效值为 ，若直流线圈的线电压为，则: 直流输出电压=；经计算得出整流变压器的视在功率因数，若控制角时整流器为额定输出电压，则整流变压器的视在功率因数，此时整流器输出电压与整流变压器视在功率因数之间的关系为: 。由此可知，当整流器的输出电压减小时，整流变压器的自然功率因数是很低的，当输出电压为额定输出电压的50时，整流变压器的视在功率因数只有0.45。在船用灯具中，镇流器式荧光灯与高汞灯仍旧是主要品种，其自然功率因数一般都在0.50以下，由于数量较多，对船舶电网的功率因数有一定的影响。综上所述，船舶电力系统中的大多数用电设备都属于电感性负载，占用无功功率较大，自然功率因数普遍较低，同一设备在不同工况下运行，自然功率因数的差异也很大。2. 改善功率因数的意义在电动机、变压器等电感性负载与电源之间往返的无功功率，表面上虽然不象有功功率那样将电能转变为其它能量消耗掉，但无功功率的大小直接关系到功率因数的高低，功率因数的含义可用功率三角形表示，如图1所示。图1. 功率因数的含义在图1中，视在功率等于有功功率与无功功率的矢量和，即:，有功功率在视在功率中的比值称为功率因数，即: 。随着相位差角从090o变化，相应的功率因数是在10之间变化，这个变化对船电系统的运行质量有很大关系。目前，大多数船舶尚未进行无功补偿，但随着船舶电力系统容量的増大和电力推进的广泛应用，无功补偿的意义日显重要。我厂最近在建造的10000KW海工船上，为提高系统稳定性和改善电能质量，釆用了无功补偿装置。提高功率因数具有下述意义： （1）提高电源设备的利用率用电负载对电网的无功功率需求，对电网是一个相当重的负担，它妨碍了有功功率的输出。减少无功功率后，视在功率相应减少，使电源设备可以承载更多的用电负载，从而提高了电源设备的利用率。例如，三相交流发电机或电力变圧器的额定视在功率，当其在额定电压为与额定电流为的状态下运行时，如果负载的，能承载的有功功率，如果将功率因数提高到0.9，则电源设备能承载的有功功率，使承载能力提高了1.5倍，同时也提高了线路传输容量。（2）减少线路电压降导电线都具有电阻和电抗,当供电线路上有电流时，必定产生电压降。若线路上的电流为，则线路末端的电压降。异步电动机的输出功率与端电压的平方成正比，当电压下降10时，异步电动机的转矩只有额定转矩的81，转差率增大，定子、转子电流都急剧上升，使电动机功率因数降低，尤其是大功率异步电动机，在启动时因为功率因数较低，启动电流很大，电压跌落严重，往往形成恶性循环，有时会造成启动失败或电网瓦解。当功率因数改善后，电压降随电流的减小也相应减少，从而减小了电压降，维持了负载端电压，改善了供电质量，提高了船舶电网的稳定性。经测算，将电动机启动时的功率因数从0.50提高到0.95，可使线路电压降减少50左右，这对提高船舶电网的稳定性和可靠性，至关重要。（3）降低线路损失和温升船舶发电机在运行中输出电压基本上接近于额定值，在额定电压下输出有功功率时，用电设备从电源取用的电流与负载本身的功率因数成反比，即：，功率因数越高，视在电流(负载电流)就越小，从而减小了船用电缆的电流密度，同时也降低了温升。负载电流流过线路及电气设备和各种开关装置时，必然在线路和元器件上产生功率损耗，三相电路的有功功率损耗，无功功率损耗。所以，当负载电流减小后，供电线路及发电机、变压器、开关等电气装置的损耗与温升也相应降低。若将船舶电网的功率因数从提高到，能够降低船舶电力系统损耗的百分数为，节能降损效果十分显著。（4）延长开关电器的使用寿命提高功率因数后，由于流经电路中各种电气设备及开关电器的电流都有所减少，使温升明显下降，从而延缓了电气绝缘的老化；对频繁启动的设备，能有效地减少开关损坏率，例如接触器在接通或断开负载时，触头很容易被电弧烧毛，出现严重过热或接触不良，当电流大幅减小后，使电弧相应减轻，延长了接触器的使用寿命。因此，在船电设计过程中，应当根据用电负载的状况，合理选择无功补偿方案和控制方式，注重改善船舶电网的功率因数，以提高船舶电力系统的稳定性，使其在运行中能符合节能降损的要求。3. 改善功率因数的方法从图1已知，要提高功率因数，就是要减小角。在电感性负载电路中，功率因数小于1的原因，是由于负载与电源之间交換无功功率的结果，交换的无功功率越少，功率因数就越高。因此，可采用自然调整和人工补偿的方法，来减少感性无功功率在视在功率中的比重，或者用容性无功功率来抵消电路中的感性无功功率。主要方法有如下两种。(1) 调整自然功率因数调整用电负载自然功率因数的主要方法是合理选择电动机和变压器的功率。异步电动机的功率因数和负载率的关系见图2，电动机自然功率因数决定于负载率的高低。图2 异步电动机负载率与功率因数和的关系在设计中，应当避免电动机的空载运行和“大马拉小车”现象。电动机的额定功率是指满载运行时在其转轴上的有效输出功率，其中已不包含电动机的机、电损耗。如果电动机拖动的负载是平稳的机械，其额定功率可按机械的轴功率选配，储备系数可选1.051.1，不必将储备功率留得过大。当然，如果机械是重载起动时，电动机的额定功率应按起动条件校核；还应当考虑额定转矩、最大转矩、最小转矩、堵转转矩等参数应能滿足电动机所拖动机械在各种运行方式下的要求。需要说明的是，变压器的功率因数和效率并非在满负载时最高。选择变压器的容量，需要根据负荷特点，在考虑最经济负载率的同时，要对变压器进行能效经济综合评价。变压器自身需要的无功功率并不大，其功率因数主要受负载影响。提高变压器在运行中的功率因数，主要靠避免空载和进行无功补偿。在低电压船舶电力系统中，国内外都已有取消变压器，采用三相四线制直接向照明等设备提供相电压的实例。 （2）人工无功功率补偿利用容性无功电流与感性无功电流相位相反相互抵消的原理，人为地在感性电路中注入容性电流，使负载从电源吸取的无功功率有所减少或者完全取消，这属于用人工补偿的方法来提高功率因数。确定无功补偿容量有多种计算方法，对运行中的设备，仪表测量出的无功功率数值，大约就等于是将功率因数补偿到1所需要的容性无功功率的容量。在设计中常用的计算公式是需补容量。也可根据具体情况采用不同的计算方式。以船舶照明常用的、的荧光灯为例，由于镇流器的感抗比电阻大得多，在未进行无功补偿前，自然功率因数，荧光灯的线路电流滞后于电压的相位角，有功功率。如果将该荧光灯的功率因数提高到，此时荧光灯的线路电流滞后于电压的相位角，。因此，可并联1只电容器补偿无功。以下计算方法可供参考，先导出与相对应的、和与相对应的、，再求出需补容性电流，然后计算出电容器容抗，则:电容器；另一种计算方法是。选用电容器时额定电压应大于电源电压的倍，故可以选用的电容器进行补偿。图3是在荧光灯电路中并联电容器后的矢量图，电容器产生的容性电流与荧光灯的感性电流的相位差为180O，相互抵消后使感性电流减小至-，使视在电流降为0.2A，相位角减小到25.8O，功率因数上升至0.9，荧光灯的有功功率并未改变。图3 荧光灯电路无功补偿矢量图再以电力变压器为例，在变压器铭牌和出厂试验报告中，都会提供额定容量、空载电流百分数和阻抗电压百分数的数值。因而可以很方便地计算出空载无功功率=和负载无功功率=，以两者之和作为对变压器自身需要补偿的无功功率。空载无功功率称为无功固损，与负载率无关；负载无功功率称为无功变损，与负载率的平方成正比。例如，1台额定容量为500KVA的变压器，则：、，如果变压器负载率为0.70，则: 。变压器在运行中，若负载波动较大，功率因数变化也会较大，在设计中应考虑负载所需要的无功功率。由于船舶电网容量有限，为防止电压降落过大而影响其它设备用电，要求在电动机起动时，电压降落不超出电网电压的15，所以对允许直接起动的电动机额定功率有严格的限制。因此，在船电设计中，应当通过无功补偿来降低异步电动机的起动电流和正常运行电流，以减少电压降落和系统损耗。异步电动机起动电流的大小与负载转矩无关，只决定于电动机的固有特性；起动时间的长短决定于负载转矩，还和整个传动系统的转动惯性和加速转矩有关。异步电动机在起动过程中，起动电流随转差率变化，当电源加到异步电动机定子绕组的瞬间，转差率，起动电流达到额定电流的6倍以上，电流峰值约为起动电流的倍，此时转子的电流频率与电源频率相同，转子的电抗值约为其电阻值的2050倍，起动电流中的无功分量极大，功率因数很低，对电源造成严重冲击。但是，通过无功补偿就可使起动电流中的无功分量大幅降低。在设计中，对于船舶电网允许直接起动的电动机，一般只考虑对正常运行状态进行无功补偿，因电动机在补偿前的无功功率为，补偿前的无功功率为，则：需补无功功率。若无确切参数，可假设电动机补偿前的功率因数为0.7，补偿目标为0.9，经计算，需补无功功率约为0.53，经验计算方法是按0.40.6配置需补无功功率，宜小不宜大。例如额定功率为30kW的6极电动机，需补无功功率可选12-15kVAr的金属化膜自愈式三相电容器1台，其额定电压被补设备的额定电压，可按补偿电流电动机空载电流来验算电容器容量。对大功率交流异步电动机，例如电力推进用的电动机额定功率常在MW级，用于干散货输送用的空气压缩机电动机额定功率常在几百kW，在船舶电力系统负载中所占比重很大，它们从电源吸收的无功功率对电压十分敏感，对其进行无功补偿的意义已经不仅仅是为了在正常运行中节能降损，而是关系到船舶电力系统的无功平衡、限制谐波、调整电压等方面，对船舶电网的稳定性有重大影响。如果对大功率异步电动机起动时的准确参数难以预知，可假设起动过程中的功率因数为0.5。需补无功功率为，以额定功率1200kW电动机为例，在起动过程中无功功率需求将达到2078kVAr。经验计算方法是按被补电动机额定功率的150200配置需补无功功率，宜大不宜小，为了尽可能的减少电压损失，宜就地平衡无功，响应速度要快。4. 无功补偿方案无功补偿方案主要有三种，其一是集中补偿，位置如图4中的补偿1；其二是分散补偿，位置如图4中的补偿2和补偿6；其三是末端补偿或称为就地补偿，位置如图4中的补偿3、补偿4和补偿5。补偿方案不同，取得的效果也不一样。在船电设计中，并不是单纯考虑补偿能取得的节能效果有多大，而是要根据船舶电力系统的状况，重点是维护电网稳定运行，要综合考虑无功补偿的必要性和可行性。 图4 各种无功补偿方案示意图集中补偿是把无功补偿装置连接在主配电板的母线上进行基本无功功率补偿，图4中补偿1的补偿范围有限，主要是对母线和发电机进行补偿，对主配电板向各负载供电的线路起不到补偿作用，但对稳定母线电压有作用。分散补偿是把无功补偿装置接在主电站以外的配电装置上，图4中补偿2与补偿6的补偿范围分别增加了L3与L41至发电机的全部线路与开关电器。分散补偿和集中补偿一样，属于基本无功功率补偿，通常是把无功发生装置与控制、保护等电器组装在独立的单元内，统称电容箱（柜）。末端补偿是针对功率较大、负载稳定的用电设备进行无功功率就地补偿，可将无功补偿装置直接与被补偿的用电设备进线端并联，与负载同时接通与断开，一般不再另外装设控制开关与放电装置。补偿3是与电侧推控制箱出线端并联，补偿范围包括电侧推控制箱至发电机的全部线路与开关电器，补偿4是与空压机的配套电动机进线端并联，补偿范围从空压机进线端至发电机的全部线路与开关电器；补偿5是将无功补偿装置装在荧光灯内，补偿范围包括照明支线L43至发电机的全部线路及其开关电器，末端补偿的补偿范围大，简单易行，优点十分明显。在对电力系统进行补偿时，经常是几种方案同时运用。以图4为例，补偿1的容量仅考虑全船用电负载中未经补偿而可能存在的基本无功功率，需要自动调节；补偿35是末端补偿，主要用于功率较大、自然功率因数较低的用电设备，一般无需自动调节，末端补偿装置相对于被补设备而言，体积都较小，可以装在控制箱内或机旁；补偿6是专为补偿变压器无功功率而设，若确认变压器的负载功率因数已很高，其补偿容量可按变压器的无功固损与无功变损之和进行配置，无需自动调节，若确认变压器的负载功率因数较低，可再加上负载需补无功功率，将其分成若干组，需要自动调节；补偿2一般是因该分电箱各路负载未采用末端补偿而设，其补偿容量可按各台设备需补无功功率之和，若各台设备运行时间不一，需要自动调节。由于交流电容器的无功功率与其系统电压的平方成正比，与其容抗成反比，即: ，当电压下降时，将急剧下降。如果是采用交流电容器来补偿大功率异步电动机在起动过程中对电网的无功需求，适宜采用末端补偿，在无功平衡时，应当按最大无功负载的运行方式进行，同时考虑因电压下降对交流电容器所造成的影响。因此，在满足无功功率平衡的同时，应当使电网有一定的无功备用容量，起动完毕，若有可能出现过补偿，需要在设计时，将无功补偿装置分成若干组，以便将多余无功功率自动切除，或采用响应速度快的补偿装置。5. 无功补偿装置的控制方式目前，无功补偿装置主要有三种控制方式。（）机械方式投切电容器用交流接触器、负荷开关或断路器控制电容器组，都属于机械方式投切电容器。最常见的是采用交流接触器进行控制，电路如图5所示，有n台电容器，采用n只接触器分别对其进行投切，补偿精度与单台电容器的容量有关。电容器的额定电压应不低于系统电压，在三相低压电路中，通常都采用三相电容器，在三相高压电路中，大多采用三只单相电容器，根据其额定电压的情况，接成三角形（如图6a）或星形（如图6b）；为防止过电压，在补偿主电路中应装设过电压保护器件F，其额定电压可按系统电压的1.3-1.6倍选取。正确选配与电容器串联的电抗器，能具有限制流入电容器的高次谐波电流、抑制谐波放大和降低合闸涌流等作用；在图6的电容器组中，Cn与Ln是内置电抗器式电容器，C1内部无电抗器，需要外装，电抗器与电容器匹配的电抗率，通常是在.之间，应当根据系统的谐波背景进行选择，谐波轻微时，一般取电抗率为以下，谐波较重时，可取。三角形接法电容器的A与B相、B与C相之间需并联放电指示灯，也可用3只指示灯组成星形接在各相上；星形接法电容器的A、B、C相与中性点之间需并联放电指示灯。目前，在配备有无功补偿的舰船中，少数是用手动控制来投切电容器，大多是采用自动控制，由无功补偿控制器根据设定的目标功率因数和延迟时间，按照基波无功功率计算出投切容量并输出开关量控制各台接触器，实现自动投切；为防止过补或欠补与避免接触器频繁动作，可将目标功率因数设定为0.95，延迟时间设定为58秒。这种机械式的投切方式，响应速度较慢，补偿精度不高，在改变系统阻抗特性时，有可能产生谐振，接通瞬间会出现涌流，接触器损坏率高，略有噪声，只适宜在补偿要求不高的系统中使用，但电路简单，造价较低。图5 机械方式投切电容器（）电子方式投切电容器电子方式投切电容器是用晶闸管或复合开关来取代机械式开关，电路如图6所示。图6（a）是容性无触点开关控制电路，主要由大功率反并联晶闸管模块V与控制电路模块组成，利用双向晶闸管的开关特性来投切电容器。因而具有抗干扰能力强，响应速度较快，工作无噪声，能够频繁投切且无涌流，运行稳定可靠等特点。图6(b)是机电一体化智能复合开关控制电路，在双向晶闸管V两端并联了磁保持继电器K，实现电压过零导通和电流过零断开。当投入电容器时，在电压过零瞬间控制晶闸管先导通，稳定后再由磁保持继电器吸合导通；当切除电容器时，是由磁保持继电器先断开，晶闸管延时过零断开，即实现电流过零切除。因此，用复合开关投切电容器，不仅具有用晶闸管投切电容器的各项特点，同时还具有不产生诣波、功耗极小、使用寿命长等优点。电子方式投切电容器的动作信号，是由无功补偿控制器通过对采样电压与电流的运算分析，计算出投切容量并输出控制信号（例如DC12V电压）控制晶闸管V的导通和截止，从而实现对各台电容器的自动投切。每只无功补偿控制器可以操控多路晶闸管或复合开关，电子方式投切电容器装置的环境适应能力较强，对电力系统无污染，应用范围广，保护功能多，性能稳定，故障率低，维修方便，体积较小，造价适中，由于容性无功功率仍旧由电容器产生，补偿精度不可能很高。图6 电子方式投切电容器（3）有源滤波动态无功补偿方式随着电力电子技术的进步，近几年来，以IGBT技术为代表的有源电力滤波技术(APF) 已经规模化生产，并得到了日益广泛的应用。APF是一种基于电流检测和电流注入技术的大功率电力电子装置，采用矢量筛选技术，能跟踪250次谐波进行补偿，谐波滤除率达到95以上，同时能动态产生负载所需要的无功电流，使被补电路的功率因数达到0.95以上。APF可用于三相三线制或三相四线制系统，适宜在对补偿要求比较高的电网中使用。APF独立于船电系统阻抗之外，不受系统阻抗变化的影响，不会发生谐振与谐波电压放大，具有完善的保护功能，对系统无污染，稳定性高，故障率低，全部模块化，易于更换，安全可靠。APF的基本原理见图7。IGBT内部的直流电容器通过电源变换模块向调节与监