电力电子技术在无功补偿自动控制中的应用

周学成，陈超鑫

（1.威胜电气有限公司，湖南 湘潭 411201；2.威胜信息技术股份有限公司，湖南 长沙 410006）

0 引 言

随着现代科技的发展，人们的用电需求逐渐增加，简单的供电系统已不能满足目前快速增长的电量需求。电力系统逐渐复杂化，输送线路也越来越复杂，由于输送关系越来越复杂，电力系统的稳定性受到影响，相关研究人员提出采用无功补偿自动控制来增加供电的稳定性。经过不断地研究和发展，可将电力电子技术与无功补偿相结合，保证供电的可靠性[1-3]。应用电力电子技术，可更好地满足现代社会对电能的需求，为电力传输提供坚实的基础，保证供电安全。

1 电力电子技术的应用现状及优势

电力电子技术在发展中逐渐进步，目前该技术应用了新型转化方式，可实现交直流的高速转换[4]。电子电气设备具有体积小、功耗低、响应速度快等优点，可有效提高电力系统的工作效率和控制能力。由于电力系统的发电联动与许多发电设施密切相关，这些设施的运行状况将会直接影响发电效率和质量，因此在无功补偿自动控制中可使用电力电子技术提高发电效率和发电质量。利用电力电子技术控制自动复合开关，可减小电路功率损耗，对电力系统的发展具有重要意义[5]。

2 无功补偿自动控制原理

在电力电子技术发展过程中，电网输送也越来越复杂。为保证大容量传输，研究人员研究无功补偿自动控制原理，控制电力稳定输送，目前无功补偿装置已广泛地应用于当前的电力系统中[6]。应用无功补偿装置可减轻电网负荷，保证系统安全可靠运行。此外，安装无功补偿器可有效减轻电力设备的磨损，使电力系统在安全可靠运行的前提下持续供电。在施加功率的过程中，不同的供电方式和电机会产生较大的功率差异。在日常生活中，常用电器如热水器、白炽灯等，电流和电压基本上是同相的，电流和电压的乘积等于用电的有功功率，增加了系统电压不稳定的问题[7]。为保证无功补偿原则，需要去除电路中的电流，平衡电路系统，根据该规律绘制了无功补偿装置的发展示意图，如图1所示。

图1 无功补偿装置发展示意图

由图1可知，无功补偿装置在发展中首先演变成静置同步补偿器和静置无功补偿装置，再由静止无功补偿装置演变成混合装置、无功补偿装置及ECRFC、SVC，在演变后可有效较少设备运行损耗[8]。通常情况下，可使用并联低高压混合法安装无功补偿装置，避免供电过程中出现高低压不稳定的情况。在某些实践课程中，电力电子技术可产生良好的应用效果。此外，为了最大限度地发挥无功补偿器的性能和优势，应合理设计无功补偿器的位置，充分发挥补偿作用。在目前的电力系统中，可将无功补偿分为3部分，即电力系统、负载设备以及补偿设备。单相电路如图2所示。

图2 单相电路

根据图2所示的单相电路图，可计算此时动态补偿电压为：

式中，U代表动态补偿电压，U0代表初始电压，ΔQ代表负载功率，Ssx代表电力装置容量。根据补偿电压，绘制动态补偿原理如图3所示。

图3 动态补偿原理

由图3可知，此时电压处于动态补偿状态，电压差为：

根据电压差计算公式，拟合电压具体变化情况，设计电力系统提供的电压比例，保证负载工作时能实现正常功率转换。在动态补偿过程中，为保证功率补偿的稳定性，可在负载功率发生变化时适当增加负载的数量，保证此时的功率值不变，使电网电压始终处于稳定状态，实现功率参数补偿[9]。

3 电力电子技术在无功补偿自动控制中的应用

3.1 控制机械式接触设备

无功补偿自动控制中最关键的就是自动化，自动化控制往往是通过并联电容器触发的，因此在控制中为保证自动化输入补偿的有效性，需要控制机械接触设备，保证并联电容的输入补偿稳定。如果在输入补偿时出现激增现象，则此时的电压几乎接近零，在电容器闭合时会发生浪涌，进而导致电容器损伤。在电力电子技术的基础上设计新的机械式接触设备，避免电压降低造成的短路现象，减小电路能源损耗，抑制此时产生的浪涌现象。除此之外，还可使用接触器增加电阻，避免能源损耗。

3.2 控制无触点晶闸管

电力系统中一个非常重要的设备是电容器，该设备在电力系统运行时会出现涌流故障。为避免涌流故障的发生，可使用电力电子技术控制无触点晶闸管。涌流现象会产生非常严重的后果，例如接触位置的接线盒损伤、供电线路中的接触器烧坏等都会在一定程度上影响电容器的使用寿命。随着电力电子技术的不断创新和进步，固态继电器和非接触晶闸管应运而生。非接触晶闸管的优点是当电网电压为零且晶闸管中的电流为零时，可实现自动关断，保证电容器安全工作，降低电容器损伤概率。无触点晶闸管的工作示意图如图4所示。

图4 无触点晶闸管工作示意图

由图4可知，在电容器的实际运行过程中，晶闸管内部会形成0.7 V左右的结构压降，并形成谐波电流，影响电容器的正常运行。此外，在此过程中会产生大量的热量，使周围的设备产生较高的温度，在一定程度上影响设备的正常运行。如果此时周围的设备热度超标，很有可能出现大范围设备故障，造成设备损伤。应用电力电子技术控制晶闸管，可避免使用电风扇造成的功耗超标现象，发挥良好的散热效果[10]。

3.3 控制复合开关

在无功自动补偿控制中，复合开关的控制决定整个无功补偿控制系统的性能。为保证电力系统实现有效控制，可使用电力电子技术，搭建可控开关接触关联通道。该通道可在自动控制中随时根据电路的状态控制开关的闭合，保证控制过程中的电流时刻处于稳定状态。此外，应用电力电子技术搭建的控制通道还能避免功率损耗，减小功率消耗总量，达到节约电能的目的。在使用电力电子技术控制复合开关时，还需注意部分特殊问题。例如控制三相复合开关时要注意降低补偿电压，避免出现开关损坏；在控制单相复合开关时需要采用功率因数相近的电网，保证自动控制的稳定性[11]。

3.4 进行电路仿真

电力电子技术在不断发展和创新中得到进步，尤其是在科技发展后，电子信息技术迅速进步也带动了电路设计的发展，应用计算机技术构建电力电子的仿真电路，取代传统电路，实现精确仿真。在进行仿真电路设计时可将其分成几个部分，第一部分为主电路，第二部分为控制电路。使用接触器等装置构成主电路，可保证主电路的稳定性。在进行电路仿真时，还可解决电路仿真中出现的交流接触器异常问题，保证交流接触器投切的稳定性。记录电路仿真中产生的波形，根据实际情况切实分辨此时电路的具体情况[12]。

为保证电路仿真的有效性，还可应用电力电子技术设计复合开关。普通的电路仿真在进行时往往由于电容容量不足产生各种各样的问题，为避免产生容量问题，可应用电力电子技术来扩大电路容量，当电压下降到0时开始扩容，在保证接触器闭合的条件下实现控制，避免波形出现异常波动。扩容后再将电容取出，进行下一次仿真，防止电网出现过度尖峰。

4 结 论

综上所述，电力电子技术在经济发展过程中占有非常重要的地位，对人们的生活发展具有重要作用。随着社会科技发展，供电稳定性越来越受到人们关注，为保证电力输出的稳定性，需要利用电力电子技术研究无功补偿自动控制。研究表明，该技术在控制机械接触设备、晶闸管、复合开关和电路仿真中都有重要意义，为后续自动控制技术提供参考。