基于電力電子技術(shù)的連續(xù)無功補償控制分析

1　引 言

　　電力系統(tǒng)中，電能質(zhì)量是評價電力系統(tǒng)運行性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)，而電壓又是衡量電能質(zhì)量的一個重要指標(biāo)，因此，電壓的穩(wěn)定性對電力系統(tǒng)運行性能來說顯得尤為重要。電壓穩(wěn)定與否主要取決于系統(tǒng)中無功功率的平衡，如果用電負(fù)荷的無功需求波動較大，而電網(wǎng)的無功功率來源及其分布不能及時調(diào)控，就會導(dǎo)致線路電壓超出允許極限；另外，對于負(fù)荷一側(cè)，電力系統(tǒng)多由輸配電線、變壓器、發(fā)電機等構(gòu)成，其內(nèi)阻抗主要呈感性，使得負(fù)載無功功率的變化對電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性帶來極為不利的影響。

　　無功功率補償是涉及電力電子技術(shù)、電力系統(tǒng)、電氣自動化技術(shù)、理論電工等領(lǐng)域的重大課題。由于電力電子技術(shù)裝置的應(yīng)用日益普及生產(chǎn)、生活各個領(lǐng)域，無功補償問題引起人們越來越多的關(guān)注。據(jù)有關(guān)科學(xué)統(tǒng)計，如果全國都通過優(yōu)化配置計算來安裝無功補償裝置，在總投資不變的條件下，估計每年可以節(jié)省電量大約3億千瓦時。因此，電力系統(tǒng)的無功補償和電壓調(diào)整是保證電網(wǎng)安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟運行的重要措施。目前，由于電力電子技術(shù)的飛速進步，無功功率補償方面也取得了突破性的進展。

2　連續(xù)無功補償裝置發(fā)展歷史、現(xiàn)狀和發(fā)展前景

　　工程上應(yīng)用的無功補償器主要包括旋轉(zhuǎn)無功補償器和靜止無功補償器，其具體分類見圖1。

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2.1　連續(xù)無功補償裝置的發(fā)展歷史

　　旋轉(zhuǎn)無功補償器以同步調(diào)相機為代表，同步調(diào)相機實際上就是在過勵或欠勵狀態(tài)下運行的同步電機，它既能發(fā)出容性無功，也能發(fā)出感性無功，因而同步調(diào)相機能對變化的無功功率進行動態(tài)補償。由于其存在諸多缺點（見表1），70年代以來逐漸被靜止無功補償器取代。

　　靜止無功補償技術(shù)經(jīng)歷了圖1所示的3代發(fā)展：

　　第Ⅰ代屬于慢速無功補償裝置，在電力系統(tǒng)中應(yīng)用較早，目前也仍在應(yīng)用；

　　第Ⅱ代屬無源、快速動態(tài)無功補償裝置，出現(xiàn)于 20 世紀(jì) 70 年代，國外應(yīng)用普遍，我國目前有一定應(yīng)用，主要用于配電系統(tǒng)中，輸電網(wǎng)中應(yīng)用很少，SVC 可以看成是電納值能調(diào)節(jié)的無功元件，它依靠電力電子器件開關(guān)來實現(xiàn)無功調(diào)節(jié)。 SVC 作為系統(tǒng)補償時可以連續(xù)調(diào)節(jié)并與系統(tǒng)進行無功功率交換；

　　第Ⅲ代屬快速的動態(tài)無功補償裝置，國外從20世紀(jì)80年代開始研究，90年代末得到較廣泛的應(yīng)用。隨著大功率全控型電力電子器件GTO、IGBT、及IGCT的出現(xiàn)，特別是相控技術(shù)、脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM）、四象限變流技術(shù)的提出，使得電力電子逆變技術(shù)得到快速發(fā)展，以此為基礎(chǔ)的無功補償技術(shù)也得以迅速發(fā)展。靜止同步補償器，作為FACTS家族最重要的成員，在美國、德國、日本、中國相繼得到成功應(yīng)用。此外，SVG和SVC相比還擁有調(diào)節(jié)速度更快、調(diào)節(jié)范圍更廣、欠壓條件下的無功調(diào)節(jié)能力更強等優(yōu)點，同時諧波含量和占用空間都大大減少。3代無功補償裝置的優(yōu)缺點見表1。

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2.2　國內(nèi)外電網(wǎng)動態(tài)無功補償?shù)默F(xiàn)狀

　　我國電網(wǎng)中目前使用最為廣泛的補償裝置是機械投切的并聯(lián)電容器組。為滿足調(diào)壓要求，在低壓供電網(wǎng)絡(luò)中裝設(shè)了大量的并聯(lián)電容器組，在中壓配電網(wǎng)絡(luò)中裝設(shè)了少量的并聯(lián)電容器組。牡丹江科海電氣設(shè)備有限公司設(shè)計生產(chǎn)的G(X)JF1型電容器跟蹤投切柜（箱）采用了KH－ZK電容器智能投切開關(guān)；G（X）JK1型接觸器式電容器跟蹤投切柜（箱）投切電容過程涌流小，整機使用壽命長, 維修量小,無功補償響應(yīng)快，可頻繁投切，多級補償一次到位。包括G（X）D1型電容投切產(chǎn)品都是該補償裝置的進步發(fā)展。

　　目前，我國輸電系統(tǒng)中一共有5地 6套大容量SVC投入使用，它們分別被裝設(shè)在廣東江門、湖南云田、湖北鳳凰山（2套）、河南小劉以及遼寧沙嶺的500kV變電站中。此類SVC多為進口，其中有3套是ABB公司的產(chǎn)品。

　　SVC在大型工礦企業(yè)中的應(yīng)用較為廣泛，在鋼鐵企業(yè)中的應(yīng)用尤為突出，武漢鋼鐵公、包頭鋼鐵公司、寶山鋼鐵公司、濟南鋼鐵公司、張家港沙鋼鐵公司、天津鋼管公司等均裝有該補償裝置，如濟南鋼鐵公司中厚板廠二期工程在35kV母線上安裝了由西門子公司設(shè)計制造的一套容量為25Mvar的SVC，2001年底帶負(fù)荷一次投運成功。

　　從國際范圍來講，目前SVC與SVG都已得到普遍的應(yīng)用。SVC出現(xiàn)早，應(yīng)用時間長，僅ABB公司，其目前在全世界投運的SVC就已超過370套，ABB 與西門子兩個公司已安裝的SVC總?cè)萘考s為9萬Mvar（包括已退役裝置）。SVG裝置在20世紀(jì)主要以示范工程為主，從上世紀(jì)90年代末到本世紀(jì)初，SVG在日本及歐美得到了廣泛應(yīng)用，尤其是在冶金、鐵道等需要快速動態(tài)無功補償?shù)膱龊稀?999 年3月，我國第一臺工業(yè)化STATCON在河南省洛陽市朝陽變電站成功并網(wǎng)運行，標(biāo)志著我國掌握了高壓大容量FACTS 設(shè)備的設(shè)計制造技術(shù)。

2.3　靜止無功補償裝置的發(fā)展前景

　　隨著電力電子技術(shù)的日新月異以及各門學(xué)科的交叉影響，靜止無功補償?shù)陌l(fā)展趨勢主要有以下幾點：

　　（1）在城網(wǎng)改造中，運行單位往往需要在配電變壓器的低壓側(cè)同時加裝無功補償控制器和配電綜合測試儀，因此提出了無功補償控制器和配電綜合一體化的問題。

　　（2）快速準(zhǔn)確地檢測系統(tǒng)的無功參數(shù)，提高動態(tài)響應(yīng)時間，快速投切電容器，以滿足工作條件較惡劣的情況(如大的沖擊負(fù)荷或負(fù)荷波動較頻繁的場合)。隨著計算機數(shù)字控制技術(shù)和智能控制理論的發(fā)展，可以在無功補償中引入一些先進的控制方法，如模糊控制、微機控制等。

　?。?）目前無功補償技術(shù)還主要用于低壓系統(tǒng)。高壓系統(tǒng)由于受到晶閘管水平的限制，是通過變壓器降壓接入的，如用于電氣化鐵道牽引變電所等。研制高壓動態(tài)無功補償?shù)难b置具有十分重要的意義，關(guān)鍵是要解決補償裝置晶閘管和二極管的耐壓，即多個晶閘管元件串聯(lián)及均壓、觸發(fā)控制的同步性等問題。[!--empirenews.page--]

　?。?）由單一的無功功率補償?shù)骄哂袨V波以及抑制諧波的功能。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和電力電子產(chǎn)品的推廣應(yīng)用，供電系統(tǒng)或負(fù)荷中含有大量諧波。研制開發(fā)兼有無功補償與電力濾波器雙重優(yōu)點的晶閘管開關(guān)濾波器，將成為改善系統(tǒng)功率因數(shù)、抑制諧波、穩(wěn)定系統(tǒng)電壓、改善電能質(zhì)量的有效手段。有源電力慮波器（APF）、統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）正是既能補償諧波，又能補償無功的裝置，雖然有電流中的高次諧波，單臺容量低，成本較高等問題，但是其發(fā)展前景仍然看好。

　?。?）將一個由晶閘管換流器產(chǎn)生的交流電壓串入并疊加在輸電線相電壓上，使其幅值和相角皆可連續(xù)變化，從而實現(xiàn)線路有功和無功功率的準(zhǔn)確調(diào)節(jié)，并可提高輸送能力以及阻尼系統(tǒng)振蕩。目前綜合潮流控制器（UPFC）發(fā)展較為迅速，美國西屋電氣公司研制出串聯(lián)潮流控制器（SPFC），其造價明顯低于UPFC，功能可與之相比且優(yōu)于SVG。

3　無功功率補償?shù)母灸康?/p>

　　工程運用中，為了提高電網(wǎng)功率因數(shù)及穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，通常引入無功補償裝置。對系統(tǒng)進行無功補償，能夠改變功率因數(shù)，降低系統(tǒng)損耗，大大提高電網(wǎng)功率的運行效率。另外，無功補償還可以減少電壓閃變、降低過電壓以及提高電力系統(tǒng)的靜止和動態(tài)穩(wěn)定性等，就其經(jīng)濟價值而言，具有重要意義。

3.1　減少線路壓降，提高電壓的穩(wěn)定性

　　無功補償裝置的引入，平衡了系統(tǒng)中無功功率，提高了電壓的穩(wěn)定性。由于線路傳送電流小了，系統(tǒng)的線路電壓損失也相應(yīng)減小，有利于系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定(輕載時要防止超前電流使電壓上升過高)，有利于大電機裝置的起動。

3.2　降低系統(tǒng)能耗，提高資源的利用率

　　功率因數(shù)的提高，能一定程度減少線路損耗及變壓器的銅耗。
　　設(shè)600)this.width=600" border="0" />為線路電阻，600)this.width=600" border="0" />   為原線路損耗，引入無功補償裝置后，線路損耗為600)this.width=600" border="0" />

，則線路損耗減少： 

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　　引入補償后，由于功率因數(shù)提高，600)this.width=600" border="0" />

，為分析方便，可近似認(rèn)為                       600)this.width=600" border="0" />

，則：600)this.width=600" border="0" />

　　當(dāng)功率因數(shù)從0.8提高至0.9時，通過上式計算，可求得有功損耗降低20.99％左右。
在輸送             600)this.width=600" border="0" />

不變情況下，功率因數(shù)提高，則I相對降低。設(shè)600)this.width=600" border="0" />

分別為補償前、后變壓器的電流，銅耗分別為600)this.width=600" border="0" />

，則：600)this.width=600" border="0" />（5）

　　由（5）式可知，功率因數(shù)從0.8提高至0.9時，銅耗相當(dāng)于原來的79％。

3.3　改善功率因數(shù)，減少相應(yīng)電費

　　根據(jù)國家水電部，物價局頒布的《功率因數(shù)調(diào)整電費辦法》，規(guī)定三種功率因數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值，相應(yīng)減少電費：

　　(1)高壓供電的用電單位，功率因數(shù)為0.9以上。
　　(2)低壓供電的用電單位，功率因數(shù)為0.85以上。
　　(3)低壓供電的農(nóng)業(yè)用戶，功率因數(shù)為0.8以上。

　　根據(jù)《辦法》，補償后的功率因數(shù)以分別不超出0.95、0.94、0.92為宜，因為超過此值，電費并沒有減少，相反初次設(shè)備增加，是不經(jīng)濟的。

3.4　增加供電功率，減少用電投資

　　對于原有供電設(shè)備來講，同樣的有功功率下，功率因數(shù)600)this.width=600" border="0" />

提高，負(fù)荷電流減小，因此向負(fù)荷傳輸功率所經(jīng)過的變壓器、開關(guān)、導(dǎo)線等配電設(shè)備都增加了功率儲備，發(fā)揮了設(shè)備的潛力。對于新建項目來說，降低了變壓器容量，減少了投資費用，同時也減少了運行后的基本電費。

4　無功補償?shù)囊话惴椒?/p>

　　無功功率補償通常采用的方法主要有3種：低壓個別補償、低壓集中補償和高壓集中補償。

4.1　低壓個別補償

　　低壓個別補償就是根據(jù)個別用電設(shè)備對無功的需求，將單臺或多臺低壓電容器組分散地與用電設(shè)備并接。它與用電設(shè)備共用一套斷路器，通過控制、保護裝置與電機同時投切，隨機補償適用于補償個別大容量且連續(xù)運行(如大中型異步電動機)的無功消耗，以補勵磁無功為主。低壓個別補償?shù)膬?yōu)點：根據(jù)用電設(shè)備運行或者停運，無功補償投入或者退出，不會造成無功倒送。具有投資少、體積小、安裝容易、配置方便、操作靈活、維護簡單、事故率低等優(yōu)點。

4.2　低壓集中補償

　　低壓集中補償是指將低壓電容器通過低壓開關(guān)接在配電變壓器低壓母線側(cè)，以無功補償投切裝置作為控制保護裝置，根據(jù)低壓母線上的無功負(fù)荷直接控制電容器的投切。電容器的投切是整組進行，做不到平滑的調(diào)節(jié)。低壓集中補償?shù)膬?yōu)點：配置容易、維護簡單、平衡迅捷，從而提高配變利用率，降低網(wǎng)損，具有較高的經(jīng)濟價值，是目前無功補償常用手段之一。

4.3　高壓集中補償

　　高壓集中補償是指將并聯(lián)電容器組直接接在變電所6～10kV高壓母線上的補償方式。適用于遠(yuǎn)離變電所或在供電線路末端的用戶，用戶本身又有一定的高壓負(fù)荷時，可以減少對電力系統(tǒng)無功的消耗，起到一定的補償作用；補償裝置根據(jù)負(fù)荷的大小自動投切，從而合理地提高了用戶的功率因數(shù)，避免功率因數(shù)降低導(dǎo)致電費的增加。高壓集中補償?shù)膬?yōu)點：配置靈活、維護簡單，補償效益高等。

5　無功功率補償?shù)幕驹?/p>

　　在電力系統(tǒng)中，無功功率的動態(tài)補償，可以實現(xiàn)如下諸多功能，比如：

　　①對動態(tài)無功負(fù)荷的功率因數(shù)校正；②調(diào)整電壓；③提高電力系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)穩(wěn)定性；④降低過電壓；⑤減少電壓閃爍；⑥阻尼功率振蕩；⑦阻尼次同步振蕩；⑧減少電壓和電流的不平衡。

　　雖然以上八種功能相互關(guān)聯(lián)，然而，實際的靜止無功補償裝置往往只能以其中的某一條或某幾條為直接控制目標(biāo)，盡可能的兼顧其它功能，并且，在控制策略和控制方式有所側(cè)重。本文僅以改善電壓調(diào)整的基本功能做一介紹。

　　補償原理：

　　將電路具體分為系統(tǒng)、負(fù)載和補償器三部分的等效電路，其動態(tài)補償原理如圖2所示。[!--empirenews.page--]

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　　系統(tǒng)的特性曲線可近似用下式表示：

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　　由（7）式可以看出，無功功率的變化，引起系統(tǒng)電壓成比例的變化，系統(tǒng)供給的無功功率為負(fù)載和補償器無功功率之和，即：

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　　在電力工程運行過程中，負(fù)載無功功率 600)this.width=600" border="0" />

變化時，補償器的無功功率        600)this.width=600" border="0" />

總能夠彌補負(fù)載無功功率            600)this.width=600" border="0" />

的變化，從而使得    600)this.width=600" border="0" />

，無功功率                 600)this.width=600" border="0" /> 

維持不變。由（7式）可知，

，系統(tǒng)電壓                                   600)this.width=600" border="0" />    

                                                           600)this.width=600" border="0" />
維持恒定，這就是對無功功率進行動態(tài)補償?shù)幕驹怼?/p>

　　圖2b標(biāo)繪出了動態(tài)的無功補償，系統(tǒng)的工作點保 600)this.width=600" border="0" />

的 點處，即                                                                            600)this.width=600" border="0" />

；當(dāng)使系統(tǒng)的工作點保持在                                                600)this.width=600" border="0" />

的C點處時，即                                                                       600)this.width=600" border="0" />

，系統(tǒng)即實現(xiàn)了功率因數(shù)的完全補償。

　　工程實際運用過程中，一般把負(fù)載包括在系統(tǒng)之內(nèi)，進行總體等效，將圖2a系統(tǒng)和負(fù)載部分等效為圖 3a系統(tǒng)虛框內(nèi)的部分。忽略內(nèi)部阻抗中的電阻，電抗600)this.width=600" border="0" />。由于補償器具有維持連續(xù)點電壓恒定的作用，可以將其視為恒定電壓源，電壓值取為等效前連接點處未接補償器且負(fù)載無功不變時的供電電壓600)this.width=600" border="0" />。

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　　當(dāng)600)this.width=600" border="0" />   為零時，補償器具有圖3b中所示的水平的理想補償器特性，而實際的靜止無功補償裝置不設(shè)計成具有水平的電壓－電流特性，而是該圖中所示的傾斜特性，傾斜的方向是電壓隨吸收的感性電流的增加而升高，這種傾斜特性還可以兼顧補償器容量和電壓穩(wěn)定的要求，可以改善并聯(lián)補償器之間的電流分配，并有利于預(yù)留穩(wěn)定要求的無功備用。

　　投入補償器后，補償器所吸收的無功功率為：

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　　因為實際補償器中600)this.width=600" border="0" />   不為零，所以補償器吸收的無功功率相對理想補償情況而言是減小了。連接點電壓也并不像理想補償器時保持原正常值不變，而是變化了：

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　　因此，在具有傾斜特性的無功功率特性中，實際補償器所需容量比理想補償器所需容量有較大幅度的減小。當(dāng)600)this.width=600" border="0" />

時，能維持連接點電壓變化為系統(tǒng)電源電壓變化一半的補償器，所需容量為理想補償器的一半，這就是所謂的補償器容量與電壓調(diào)整之間折中的問題。

6　結(jié)合實例淺談無功補償?shù)淖饔?/p>

　　以某大型項目能源中心為例，該項目供電電源的電壓等級為10kV，設(shè)備裝機容量約為21000多千瓦，其中高壓電動機設(shè)備容量為5400多千瓦，其他低壓設(shè)備容量為5000多千瓦。經(jīng)過經(jīng)濟分析，采用10kV作為高壓電動機的供電電壓等級，投資較省，減少變電環(huán)節(jié)，同時亦減少了故障點。根據(jù)負(fù)荷計算，共采用六路10kV電源，分別對高壓電動機直配。

　　該項目中，高壓電動機主要用于中央空調(diào)機組、冷凍水循環(huán)泵和冷卻水循環(huán)泵等多臺設(shè)備。這些設(shè)備單機容量很大，離心機組單機最大達2810kW(共5臺)，小的870kW(共4臺)，冷凍水循環(huán)泵單機560kW(共9臺)，冷卻水循環(huán)泵單機380kW(共3臺)，自然功率因數(shù)在0.8左右。如果在10kV配電室集中補償電容，不采用高壓無功自動補償?shù)脑?，如此大容量的電動機起、停會使10kV側(cè)功率因數(shù)不穩(wěn)定，有可能造成過補償，引起系統(tǒng)電壓升高。同時，從配電室至冷凍機房高壓電動機的線路最近50m，最遠(yuǎn)140m，線路損耗相當(dāng)可觀，綜合考慮到高壓自動補償元件、技術(shù)、價格均要求較高，因此采用高壓電容器就地補償，與電動機同時投切。高壓電容器組放置在電動機附近，這些電動機采用自耦降壓起動方式，高壓就地補償裝置以并聯(lián)電容器為主體，采用熔斷器做保護，裝設(shè)避雷器用于過電壓保護，串聯(lián)電抗器抑制涌流和諧波。這樣做，不僅提高了電動機的功率因數(shù)，降低了線路損耗，同時釋放了系統(tǒng)容量，縮小了饋電電纜的截面，節(jié)約了投資。

　　對于低壓設(shè)備，由二臺1000kVA及二臺1600kVA變壓器配出，低壓電機配置較分散，因此，在變電所變壓器低壓側(cè)采用電容器組集中自動補償。雖然一些低壓電動機的容量也不小，但這些設(shè)備主要用于鍋爐房和給排水設(shè)備，鍋爐房的設(shè)備不如冷凍機房集中，環(huán)境較差，管理不便，因此，在低壓配電室采用按功率因數(shù)大小自補償是較合適的。

7　結(jié) 語

　　隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和電力電子器件的不斷研制創(chuàng)新，無功功率補償也處于不斷發(fā)展之中，目前，國內(nèi)外的研制成果發(fā)展迅速，出現(xiàn)了許多種類的SVC、SVG補償裝置。比如：牡丹江科海電氣設(shè)備有限公司研制開發(fā)的G（X）JF1型、G（X）JK1型（接觸器式）、G（X）D1型電容器跟蹤投切柜（箱）以及VQCL—D12/J12無功補償控制器；哈爾濱工大威翰科技開發(fā)有限責(zé)任公司研制開發(fā)的HVC高壓自動無功電壓綜合調(diào)節(jié)裝置和TSC系列可控硅動態(tài)無功功率補償器；深圳市賽源電氣技術(shù)有限公司研制開發(fā)的JKWA－15A型和JKWA—12J型低壓無功補償控制器等等。雖然兼顧價格、質(zhì)量、體積、操作等一系列因素最優(yōu)化配置的補償裝置目前還沒有面世，但是，發(fā)展前景比較廣闊。