相间能量平衡型无功补偿装置分析

徐彦

摘要：节能减排是世界性主题，对我国尤其意义重大。通过科学手段节约电能，减少电力输送的空载损失，已经势在必行。论述如何通过采用相间能量平衡型无功补偿装置，有效降低无功损失、提高供电设备效率，达到节约电能的目的。

关键词：无功补偿；节约电能

中图分类号：TM761 文献标识码：Adoi：10.14031/j.cnki.njwx.2016.10.002

Abstract：Energy saving and emission reduction is a worldwide theme， which is of great significance to our country. It is imperative to save energy by means of scientific method and reduce the no-load loss of power transmission. This paper discusses how to reduce the reactive power loss and improve the efficiency of power supply equipment by using the energy balance reactive power compensation device， which can achieve the goal of saving energy.

Key word：reactive power compensation；energy saving

0 引言

当前，全球经济的发展原则是节能减排，对我们处于发展中的国家，能源的节约尤其重要。电力工业最重要的节能措施就是“无功补偿”，如何最大限度地提高发电和输配电设施的利用率，是电力部门和用电单位都十分关心的问题，其中蕴涵着巨大的经济效益。

总体技术方案“相间能量平衡型无功补偿装置”是一种电力工业必须的调控设备，为电力无功功率补偿提供了更完善的方法。它可有效降低无功损失、提高供电设备效率、改善供电质量，在不平衡的三相四线制供电系统中节能效果明显，是当前电力工业主推的节能手段。

本装置用于供电系统的用户（负载）端，综合完成以下三种功能：（1）无功功率补偿功能；（2）相间有功能量自动平衡功能；（3）有源滤波功能。

第一个无功功率补偿功能的工作原理很简单，是在用户端并联适当大小的电容器，以抵消电感分量，这是常规的无功补偿柜采用的方法，也称之为静态无功补偿。

第二项相间有功能量自动平衡是创新项目，它针对供电系统的这种情况：供电系统总是用三相（ABC）供电，而大多用户端是分别使用三相中的一相（单相用户），因而三相系统各相用电的不平衡现象是绝对的，这种不平衡会造成严重的后果。首先是中性点偏移，使各相的供电电压改变，电压升高的相，会烧毁电器，电压降低的相，会使电器无法工作；其次是严重影响供电设备最大容量的发挥，比如变压器，它的最大容量对各个单相是一致的，因而任何一相达到最大容量时，变压器就处于危险的饱和状态，其它两相则发挥不出最大容量；最后，三相的不平衡，使得静态补偿失效，甚至取得的效果适得其反。可见本装置功能的重要性。

相间有功能量自动平衡功能是用图1所示的方法实现的：采用图1的三相移相电路，给连接在三相线路上的能量转移电容注入电流，依靠调节相位把电容电流调整与该相的有功电流同相，从而实现有功能量在相间的转移。依靠图1的控制器，调节能量转移大小，实现转移能量的三相平衡。

第三项是有源滤波功能。能量平衡后的三相电路的各相无功电能出现新的分布状态（不平衡状态），此时按新状态对各相单独实现分相式无功补偿。分相式无功补偿由两部分补偿完成：有源滤波（图2） 和静态无功补偿（图3）。

静态补偿部分是为减少有源滤波部分的最大容量，从而减少装置成本。有源滤波起到四个作用：一是对可能出现的感性无功的补偿作用；二是对静态无功补偿残留的无功部分进行补偿；三是对无功分量快速变化进行跟踪；四是对电流波形修正，实现高频滤波。

在本装置的静态补偿上也采用了新型电压过零接通、电流过零断开的无弧开关新技术，它们与有源滤波部分相迭加使用，可有效地提高开关寿命、提高补偿电容寿命、对网络无冲击、可快速通断、开关无能耗和反应灵敏等特点。

它的突出优点是：（1）提高补偿质量和效率，可对各单相实现完全补偿；（2）均衡相间负荷，降低变压器温升、提高负荷能力；（3）降低线损、设备损失和补偿装置的自身损失；（4）实现对快速变化负荷进行快速跟踪补偿；（5）完成各种设备保护和监控功能；（6）实现电气参量的自动检测、控制、传输和存储，具备联网功能；（7）应用新型电压过零接通、电流过零断开的无弧开关新技术，提高开关寿命、提高补偿电容寿命，对网络无冲击，可快速通断，开关无能耗。

1 装置主要技术指标

有功能量转移范围：小于100 kW/相；

静态无功补偿范围：100 kW/相；

有源滤波和无功补偿能力：100 kW/相；

有源响应速度：0.1 s/响应值；

工作温度：-40～75 ℃。

2 技术创新

相间能量自平衡式有源无功分相补偿装置是一种电力工业必须的调控设备，它为电力无功功率补偿提供更完善的方法。在不平衡三相四线制供电系统中用于快速无功功率补偿和能量平衡，其节能效果明显，是当前电力工业主要的节能手段，是一种新型的创新技术。其结构简图如图4所示。

综合完成无功功率补偿、相间有功能量自动平衡、有源滤波三种功能。

2.1 相间能量平衡电路的研发

其中两个关键环节，即移相技术和可控硅导通角控制。它们均采用DSP系统的编程信号，难度不大，主要是算法方面的软件问题。

2.2 静态无功补偿电路的研发

采用了新型电压过零接通、电流过零断开的无弧开关新技术，有效地提高开关寿命、提高补偿电容寿命、对网络无冲击、可快速通断、开关无能耗等特点。其中的技术关键是双向可控硅的耐压寿命以及双稳态触点开关的机械寿命，这主要决定硬件的可靠性，目前通过对产品筛选，已经获得解决。

2.3 有源功率因数校正和滤波功能

它是基于瞬时无功功率理论的控制算法完成的。这需要同时完成实时监测和实时控制两大任务，系统的监测包括系统的电压和电流的实时数据，调整前后的输出数据等。实时控制任务包括移相控制、能量转移控制、静态补偿控制和有源滤波控制等。这类任务的实时性很强，所以软件程序的优先级也较高，算法也越显得重要，所以采用瞬时无功功率理论的控制算法，化三维坐标A、B、C为二维坐标α、β，从而大大提高运算速度，各相无功电流按在坐标α、β中计算，可节约大量时间。坐标变换后的电压电流计算公式如下：

eαeβ=c32eaebec iαiβ=c32iaibic

之后，再依据三相瞬时无功和为零的原理，判定有源补偿器的输出，即实现了接近零差的开环随动控制。

3 理论创新

电力参数的立即测量：本装置采用交流周期参数的立即测量理论，采用先进的技术手段，实现了周期性的电力参数的立即测量。交流周期参数是全周期众多次测量结果的演算值，因而想得出这个演算值，最快也需一个周期的时间。传统的测量方法，电力参数的检测至少要经过一个周期25 ms之后，才能获得测量结果。而本项目要求立即得出这个测量结果的演算值，以便开环修正。这种把测量时间提高近25 ms的方法，对于必须进行实时控制的应用非常重要，因此可以把本系统成功运用到各种有实时性要求的环境中。

电力参数的立即测量是指导实时控制算法的重要理论依据，该理论与传统方法的结果具有完全的一致性。但本方法的有效性、简捷性、实用性和快速性使得交流电的调控成为可能，并在补偿装置上得到应用和验证。

这里所指的电力参数包括：电压、电流、功率、电能、频率、功率因数等全信息，它们是电力生产、输配供应和电力用户所必须测量的参数，也是电力电子设备必需的监控对象。

这些参数的基础量是正弦电压和正弦电流。它们在电工学中理论定义，均是以周期为依据的，如：

电流（有效值）I=1T∫T0i2dt

电压（有效值）U=1T∫T0u2dt

有功功率 P=1T∫T0iudt

功率因数cosθ=PUI等。

传统的测量方法，正是依据这些定义进行的。显而易见，电力参数的传统检测至少要经过一个周期之后，才能获得测量结果。

随着电力技术的发展，实现电力参数立即测量的要求越来越迫切。所谓的立即测量，就是指能立即对样品进行采样，而不是指测量的速度有多高。

该技术的理论突破，对电力电子技术的发展必将起到推动作用。

实现正弦交流量立即测量的困难是没有即时样本，各种量不断变化，只是在一个周期内才有完整定义。

所幸的是，作为表征正弦交流的矢量法中常用的旋转矢量，具备提供即时样本的条件：它在任意时刻，都能提供出它的模、幅角等全信息特性。因而在本文后述部分，称与正弦交流对应的旋转矢量为特征量。

显然，对特征量检测，可实现电力参量的立即测量，立即获得希望的各种信息。我们称这种针对特征量的检测技术为全信息立即测量。

在电工学中广泛使用矢量法，就是把正弦交流量的大小表示成一个旋转矢量在坐标轴上的投影（如图5）。在今后讨论中，我们采用余弦函数表示交流量，并且幅值用有效值表示，因为这会给问题的讨论带来意外的方便。

可以说，我们真正关心的，就是对特征量（旋转矢量）I·的检测技术。 特征量（旋转矢量）并不总是客观存在的，例如，为对交流电流i=Icos（ωt+φ）进行测量，实际上我们己知的条件，只是特征量I·在X轴上的一个坐标lx-l而已。

然而通过锁相和幅值跟踪技术，不难创造另外一个Y轴坐标iy=Icos（ωt+φ+π2）（如图6所示）。在己知的条件下，特征量I·变成己知ix、iy，故可对交流电流的任何参数实现立即测量。

利用图7的测量方案，可立即测得正弦交流的有效值，而不必等待一个工频周期之后。

功率的测量涉及到电压和电流两个特征量，分别构造完成它们的X、Y轴分量后（如图8），即可得到功率的即时样本，实现有功功率P的立即测量。

4 应用创新

本装置在国内率先提出相间能量平衡摡念，此功能解决了三相四线制供电系统最大的历史性技术障碍，消除因不平衡造成的相电压变化、中性点偏移和中线电流过大等危害，取得最大的节能效果，也使设备容量得到最大发挥。

5 结论

本装置已在企业得到实际应用，证明可以有效降低无功损失、提高供电设备效率、改善供电质量，达到了节约电能的目的，为节能减排作出了贡献。