无功补偿技术在电气自动化中的应用

张利剑

摘要：无功补偿，就其概念而言早为人所知，它就是借助于无功补偿设备提供必要的无功功率，以提高系统的功率因数，降低能耗，改善电网电压质量。交流电在通过纯电阻的时候，电能都转成了热能，而在通过纯容性或者纯感性负载的时候，并不做功。也就是说没有消耗电能，即为无功功率。反之，如选择或使用不当，可能造成供电系统，电压波动，谐波增大等诸多因素。

关键词：无功补偿;电气自动化

前  言

无功功率补偿装置在电力供电系统中所承担的作用是提高电网的功率因数，降低供电变压器及输送线路的损耗，提高供电效率，改善供电环境。所以无功功率补偿装置在電力供电系统中处在一个不可缺少的非常重要的位置。合理的选择补偿装置，可以做到最大限度的减少网络的损耗，使电网质量提高。

一、无功补偿的意义

实际负载，不可能为纯容性负载或者纯感性负载，一般都是混合性负载，这样电流在通过它们的时候，就有部分电能不做功，就是无功功率，此时的功率因数小于1，为了提高电能的利用率，就要进行无功补偿。电网中的电力负荷如电动机、变压器等，大部分属于感性电抗，在运行过程中需要向这些设备提供相应的无功功率。在电网中安装并联电容器、同步调相机等容性设备以后，可以供给感性电抗消耗的部分无功功率小电网电源向感性负荷提供无功功率。也即减少无功功率在电网中的流动，因此可以降低输电线路因输送无功功率造成的电能损耗，改善电网的运行条件。这种做法称为无功补偿。

二、提高功率因数的主要方法是采用无功补偿技术，我们通常采用的方法主要有三种：随机补偿、随器补偿、跟踪补偿

1.随机补偿

随机补偿就是将低压电容器组与电动机并接，通过控制、保护装置与电机，同时投切。随机补偿适用于补偿电动机的无功消耗，以补励磁无功为主，此种方式可较好地限制用电单位无功负荷。随机补偿的优点：用电设备运行时，无功补偿投入，用电设备停运时，补偿设备也退出，而且不需频繁调整补偿容量。具有投资少、占位小、安装容易、配置方便灵活，维护简单、事故率低等。

2.随器补偿

随器补偿是指将低压电容器通过低压保险接在配电变压器二次侧，以补偿配电变压器空载无功的补偿方式。配变在轻载或空载时的无功负荷主要是变压器的空载励磁无功，配变空载无功是用电单位无功负荷的主要部分，对于轻负载的配变而言，这部分损耗占供电量的比例很大，从而导致电费单价的增加。随器补偿的优点：接线简单、维护管理方便、能有效地补偿配变空载无功，限制农网无功基荷，使该部分无功就地平衡，从而提高配变利用率，降低无功网损，具有较高的经济性，是目前补偿无功最有效的手段之一。

3.跟踪补偿

跟踪补偿是指以无功补偿投切装置作为控制保护装置，将低压电容器组补偿在大用户0.4kv母线上的补偿方式。适用于100kVA以上的专用配变用户，可以替代随机、随器两种补偿方式，补偿效果好。跟踪补偿的优点是运行方式灵活，运行维护工作量小，比前两种补偿方式寿命相对延长、运行更可靠。应优先选用跟踪补偿方式。总结：经过实践，无功补偿技术的应用为电力企业和客户带来了双赢的局面。对客户来讲，合理进行随机补偿，可以降低电流，减少内线损耗，提高设备出力;对供电企业来说，无功补偿技术改造后，配变可以降低损耗，使得配变利用率提高，满足了更多动力客户的供电需求。从一定程度上缓解农村综合变容量不足的矛盾，可以将有限的电网建设资金用得更为合理。

三、无功补偿技术到目前已经经历了几个发展阶段

1）静止无功补偿，此种方式为将所有电容器一次性投入电网，完全依靠人工进行投切操作。优点;设备简单，维护费用低成本低。缺点：补偿精度差，易产生过补。2）自动投切;利用智能控制系统，将电容器分为若干组，根据负荷变化情况，自动增减电容量。优点：能够自动跟踪系统的功率因数变化，适时调整投切电容器，补偿精度高，缺点：响应速度慢，造价相对前者高，电容器投切易产生震荡，对系统冲击大，系统稳定性不好。3）调压式无功补偿：利用调整电容器端电压的方式，调节无功功率。优点：电容器一次性投入，对系统无涌流冲击，补偿精度高，电容器寿命长。缺点：不适宜于频繁操作的场合。4）SVC补偿方式，又分为MCR和TCR两种形式。优点：动态响应速度快，在瞬变负荷状态下使用，效果极佳。主要用于补偿用户母线上的无功功率，其通过连续调节其自身无功功率来实现的，一般SVC由并联电感和电容两个回路组成，其中感性回路为动态回路，其感性无功功率可连续分相调整，使得整个装置无功功率的大小和性质发生变化，分相控制的依据为三相平衡原理。补偿装置中的电容器组提供固定的容性无功QC，一般情况下后者大于前者，多余的容性无功由TCR平衡。当用户负荷QF变化时，SVC控制系统调节TCR电流从而改变QL值以跟踪，实时抵消负荷无功，动态维持系统的无功平衡。TCR的基本结构是两个反并联的晶闸管和电抗器串联。晶闸管在电源电压的正负半周轮流工作，当晶闸管的控制角α在90°～180°之间时，晶闸管受控导通（控制角为90°时完全导通，180°时完全截止）。

在系统电压基本不变的前提下，增大控制角将减小TCR电流，减小装置的感性无功功率;反之减小控制角将增大TCR电流，增大装置的感性无功。就电流的基波分量而言，TCR装置相当于一个可调电纳。其等效电纳为：式中，α为晶闸管导通角;L为电抗器电感值;ω为网压的角频率。对于不对称负荷，应采用分相调节，根据瞬时电压和电流求出所需的补偿电纳。TCR分相调节的理论基础为司坦麦兹理论，在此理论指导下，SVC能够将负荷补偿为纯有功的三相平衡系统。司坦麦兹理论有多种表达形式，本文给出一种常用的补偿电纳公式：r分别为△连接的补偿电抗器电纳值;V为系统电压有效值为系统电压（线电压）瞬时值;ia（I），ib（I），ic（I）为系统电流瞬时值;T为采样周期，一般为10ms。根据以上补偿理论，将一个理想的补偿网络与负荷相连就可以把任何不平衡的三相负荷变换成一个平衡的三相有功负荷，而不会改变电源和负荷间的有功功率交换，能够取得良好的电能质量治理效果。

四、配电综合测控仪和无功补偿自动控制器一体化

无功补偿自动控制器和配电综合测控仪的一体化问题是城网改造提出的配电网自动化问题，运行单位往往要求在配电变压器的低压侧同时加装无功补偿的低压电容器和配电综合测控仪。以北京首电科技研制的SDPD-2000配电综合测控仪为例，兼具配电变压器运行参数的数据采集、显示和记录以及无功补偿的智能控制和保护等两大功能。数据采集的范围包括：电压、电流、功率因数、有功及无功功率、有功及无功电量、谐波电压、谐波电流，每日电压和负载电流的最大值和最小值，停电时刻、来电时刻及累计停电时间，每相过电压、欠电压及缺相时间等参数，数据储存期为2个月。且具有RS232/485通讯接口，可采用现场或远程采集的方式。显示方面采用液晶显示器，全中文直观显示配电变压器运行的有关参数。无功补偿智能化控制方面取样的物理量为负载的无功功率Q;可对Δ-Y电容器组的任意组合方式进行调节;防止无功投切震荡及补偿呆区;当电网中发生过电压、欠电压、缺相、谐波或零序电流超标及电容器温升超标时，快速切除补偿电容器。

参考文献：

[1]戴朝波，雷林绪，林海雪.晶闸管投切电容无功补偿角型接线方案研究[J].电工技术杂志，2001（3）.

[2]陈允平等.微机控制的晶闸管开关型低压配电网基波无功分相补偿[J].电网技术，1999（4）.