电力电子技术在电力系统无功补偿中的应用研究

电力电子技术在电力系统无功补偿中的应用研究
∙分类：企业管理
∙作者：陈远
∙字数：4272
来源：总裁第1期
摘要：介绍了无功补偿技术在电力系统的发展情况。

将从无功补偿新技术、控制器、电容接线方式及投切开关等方面对无功补偿技术的发展现状作一简述。

关键词：电力系统；无功补偿，电力电子技术
0 引言
电能从发电厂送到用户要经过输电、变电、配电等环节，当电流通过这些环节时要产生有功和无功损耗。

无功功率是建立交流电、磁场而需的功率，无功功率同有功功率一样，是保证电力系统电能质量以及安全运行所不可缺少的部分。

在有功功率不变的情况下，无功功率的存在会使功率因数降低，视在功率增大，从而需要增大发、输电设备的容量，增加投资和电力损耗，增加运行费用，输电线路压降变大，不利于电力的输送与合理应用。

降低电能损耗，减少无功功率，采用无功补偿是最方便、经济有效的方法之一。

1 无功补偿的新技术
低压补偿箱和补偿柜的技术改进和新技术应用归纳起来主要有
以下几方面：
(1)采用智能型自动控制器，根据无功功率确定补偿容量而克服了根据功率因数补偿的一些缺点。

有些控制器还运用一些先进的算法，综合考虑无功功率和功率因数，控制补偿系统的运行。

(2)由三相共补到分相补偿。

以求达到更理想的补偿效果。

由于单相用电负荷的比例增加，三相不平衡程度增大，所以需要根据三相无功功率不平衡的情况，分相补偿。

(3)由单一的无功补偿发展为同时具有滤波及抑制谐波功能的补偿装置。

由于很多高级设备对电能的质量要求很高，而且有些补偿装置本身就会产生高次谐波，所以以前是单独采用滤波装置来消除高次谐波，但这往往增大了成本。

现在的无功补偿装置，就把这两种功能结合在一起，尽量减少因为无功补偿而给电网带来的“污染”
(4)从采用交流接触器进行投切，到选用晶闸管开关电路进行投切，以及发展为等电压投、零电流切的最佳投切模式。

关于投切方式，后文将作详细的讨论。

(5)将低压无功补偿的功能纳人配电综合测试仪、箱式变电站、变台多功能箱、落地式封闭变台等设备的低压部分。

现在的配电箱功能都很齐全，而且由于有些地方的电力部门对减少无功功率使用方面有一套奖励措施，所以很多用户都希望加装补偿器。

所以这种新方法
可以使配电箱功能更齐全，更容易管理。

2 补偿控制器
补偿控制装置的检测量主要有无功电流、系统某点电压有效值、功率因数cosθ和无功功率Q四种。

其中，检测量为无功电流的控制器，优点是检测方法简单，不会发生振荡，补偿效果与电网电压波动无关；电压是线路无功功率的敏感参数，以电压为检测量，这种控制方式简单、可靠、实现起来也比较容易，但这种控制方式在系统大，系统内电抗X较小的情况下，控制灵敏度和精确度就受到了一定的限制；以功率因数为检测量的控制器，主要缺点是轻载时容易产生投切振荡，重载时又不易达到充分补偿。

故新型的控制器已不再选用以功率因数为检测量，而选用以无功功率为检测量的新型控制器。

2.1 功率因数控制
功率因数控制就是以功率因数满足要求为控制目标，使电网的功率因数满足要求。

功率因数式控制器通过对电网的电压、电流进行采样检测，分析计算当前的功率因数值，用当前的功率因数值与设定的投切门限值进行比较，以确定是否投人、切除电容器，还是保持现有状态不变。

假设补偿前的功率因数cos<0.9。

当将投人门限设定为c osa=0.9，控制器检测到当前的功率因数值小于0.9时，发出指令，投人一电容器组进行补偿。

如果补偿后的功率因数cos<0时，即无功功率向上级电网倒送，控制器便发出指令，切除一电容器组。

当检测到的功率因数介于0.9和1.0之间时，则不论实际的无功功率值是
多少，都保持当前的补偿状态不变。

由于功率因数值是一个比例值，因此在重负荷或轻载时，补偿效果较差。

重负荷时，虽然功率因数满足0.9—1的要求，但电网所需的无功功率仍然很大，而电容无法投人电网进行补偿，最终达不到理想的降损节能效果。

功率因数控制的另一个问题是轻载下的投切振荡。

轻载时，功率因数较低，当无功功率小于1组电容器的补偿容量时，按照补偿原理将投人1组电容器，补偿的结果是得到了超前的功率因数。

功率因数只要超前，就要立即切除一组电容器，而切除1组后功率因数又不够，因此形成振荡。

2.2 无功功率控制
控制器以无功功率为控制对象，如果无功功率大于1组电容器的补偿容量，则投人电容器组，当由上级电网输送来的无功功率小于1组电容器容量时，将不投人电容器组。

如果当无功功率向上级电网倒送时，则切除1组电容器。

这种补偿方法将会使电网中的无功功率(无功电流)始终保持在一个较低的水平上，因此，不会出现功率因数控制方式的弊端。

选用无功功率(无功电流)控制方式比功率因数控制方式优越。

2.3 检测点的设置方案
检测点的设置有两种选择方案：
(1)控制器输人电压和电流的检测点设在补偿装置的前端。

如图1中的A点处。

(2)检测点设在补偿装置的后端如图中的B点处。

检测点A由于不能直接检测负载的无功功率，不易实现多组电容器的一次快速投切，通常采用逐级渐进的投切方式，较慢地达到应补偿值，因此仅适用于负载运行较平稳，无大容量冲击负载，不需要快速动态补偿的场合。

如接于检测点B，其优点是仅根据负载的Q 和IQ测得值，决定电容器投人组数，是一种只管投切，不控制补偿后实际效果的控制方式，其优点是控制方式简单，可一次投切多组电容器、缺点是静态补偿的精度较差。

而现在有些控制器在A、B两点都设置检测点，通过微机算法处理，再来控制电容器的投切。

3 并联电容器的投切开关
3.1 用交流接触器投切
传统的补偿柜，都是采用交流接触器作为并联电容器的投切开关，迄今仍有沿用。

其缺点是：
(1)投人电容时产生倍数较高的涌流，容易在接触器的触点处产
生火花，烧损触头。

甚至形成接地故障；
(2)切断电容时，容易粘住触头，造成拉不开；
(3)涌流过大对电容器本身有害，会影响使用寿命。

虽采用适当选择额定容量较大的接触器，如用额定电流40A接触器投切15 kvar三相电容器，每台电容器加装串联小电抗器，用以抑制涌流等措施，但仍统计故障率较高。

3.2 双向晶闸管开关电路
采用双向晶闸管的无触点开关电路取代交流接触器用于投切电容器的接线。

其优点是零电压投零电流切，无拉弧，动作时间短，可大幅度地限制电容器合闸涌流，特别适合于频繁投切的场合。

但也存在以下缺点：
(1)采用双向可控硅制造成本高，晶闸管开关电路的补偿柜价格要比采用接触器的补偿柜贵70%-80%左右。

(2)晶闸管开关电路运行时有较大的压降，运行中的电能损耗和发热较高，同时有功消耗的发热量还会增加整个补偿装置的温升。

(3)晶闸管电路本身也是谐波源，大量的应用对低压电网造成谐波污染。

因此除了对晶闸管开关电路加以改进外，还应使之在完成开合闸操作后退出。

仍由与之并联的接触器维持电容器的正常运行。

3.3 晶闸管和二极管反并联的开关电路
1只晶闸管和1只二极管反并联的接线方案与4.2中的接线方案对比，由于相同容量的功率二极管的价格低于晶闸管，故用1只晶闸
管和1只二极管反并联的无触点开关电路制造成本较低，而技术性能相近。

但反应时间则较慢些，切除电容器时，如采取两个晶闸管反并联，从切除指令的输出到工作任务的完成，可以半周波内完成(即时间(t≤10ms)。

如采用下图的方案，由于二极管的不可控性，通常其切除时间t≤120ms。

3.4 等电压投、零电流切的新型无触点开关电路
电路的接线如图7所示。

图中K为交流接触器。

其运行操作顺序说明如下：当投入电容器时，微机发出信号给开关电路，使之在等电压时投入电容器，紧接着又发出信号给接触器，使其触点也闭合，将晶闸管开关电路短路，由于K闭合后的接触电阻远小于开关电路导通时的电阻，达到了节能和延长开关电路使用寿命的目的。

当需要切除电容器时，微机先发出信号给K，使K触点断开，此时开关电路处于导通状态，并由开关电路在电流过零时，将电容器切除。

该方案的优点是：运行功耗低、涌流小、制造成本低，且开关电路和接触器的使用寿命长。

4 总结
本文对现在无功补偿技术的应用情况作了简单的概述，并从无功
补偿用到的一些新技术、补偿控制器、补偿电容接线方式、并联电容的投切开关等方面做了简单分析。

随着新型电力电子器件的应用以及电力电子技术的发展，将会出现更多无功补偿及滤波的新技术。

而且随着单片机以及DSP等微处理器的应用，无功补偿的响应速度更快，控制方式越来越灵活，控制策略也越来越先进。

现在很多精密的电子设备对电源的质量要求很高，所以相信在将来无功补偿技术及电源滤波技术将会得到更大的发展。

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