智能无功补偿技术在电力自动化中的应用

2022-07-29毕圆圆张柏杨孙文宇

光源与照明 2022年4期

关键词：投切滤波器补偿

毕圆圆，张柏杨，孙文宇

国网冀北电力有限公司承德供电公司，河北承德 067000

0 引言

自改革开放以来，我国经济快速发展，各种电子产品在各行各业得到了广泛应用。根据国家能源局统计的2018—2019年度全国用电量数据（见表1）可知，我国对电力的需求量与日俱增。

表1 2018—2019年全社会用电量统计

为了确保供电的及时、高效，各电力企业纷纷采用自动控制技术，以提高输电容量。电力自动化控制系统以先进的网络通信技术、自动化控制技术、微机继电保护技术和可靠的产品为基础，确保了电网的安全和供电的可靠、稳定。由于单相牵引负载变化的复杂性，使得电网整体无功功率增大。在电网运行中，电力损失通常不会超过总负载的10%，而无功损失约为电力损失的30%～50%。可见，无功功率是影响电网电压稳定性的重要因素，其产生的电能损失直接影响电网的稳定和安全。

对此，电力企业在电力系统中采用智能无功补偿技术，可以有效解决电力系统稳定性不足、无功损耗大等问题。

1 电力自动化概述

电力自动化可以有效地推动我国电力工业的发展，在电网中应用先进的计算机网络技术，可以实现自动化的目标[1]。

在输电过程中，可以通过计算机网络技术实时监测各种电力设备，以确保电网的正常运转；同时，在电力自动化中应用可控电子部件，可以提高电网的运行稳定性[2]。

2 智能无功补偿技术概述

2.1 无功补偿的理论基础

电力系统无功补偿是指将具有阻抗性的设备与电力系统结合，其连接形式可以是串联或并联[3]。具有电容阻抗性能的器件与具有感应阻抗性能的器件的充电、放电性能相反，在感应器件吸收能量时，电容器件输出能量；反之，感应器件输出能量。因此，为了确保电网负载正常工作，电容式补偿设备必须满足电网的感性负载要求[4]。

在配电网络中，有相当大的负荷是感性的；在电力系统中，电容起着重要作用。在研究无功补偿时，应充分考虑并联电容器的最佳配置，以防止因补偿引起的电压过高而对负荷及变压器产生影响。为了减小配电网电压波动对负荷损失和无功损失的影响，应考虑无功补偿的电压限制等。

2.2 无功补偿模式

根据补偿设备的安装位置，配电网络的无功补偿可分为集中补偿、就地补偿和分散补偿[5]。在选择补偿模式时，要注意以下两个原则：（1）减少配电网中的无功，在选择补偿方案时要注意就地补偿；（2）要把集中、就地、分散三种方法结合起来，并以分散补偿为主。在三种方法中，最合理的方法是就地补偿，其能降低线路损耗。就地补偿装置安装在负载附近，并根据负载的具体情况对其进行补偿，这样可以有效降低线路的损失[6]。就地补偿示意图如图1所示，图中，T表示装置额定容量；C1、C2、C3均表示无功自动补偿点。通过减少配电线路及配电变压器的容量，可以降低中压网络、配电变压器和低压配电线路的功耗，使C1、C2、C3各补偿点具有最大的无功经济等值。但由于电力负荷、变压器、线路均需要无功，因而在实际应用中就地补偿最不经济、最不安全。集中补偿模式下的补偿设备位于变电所的低压母线上，当线路端负载容量大、稳定、集中，且所占比例较大时，可采用集中补偿的方式。分散补偿是指在相应的节点上安装无功补偿设备，根据无功负载分布的实际情况建立多个分布式补偿系统，从而实现更大的经济效益。

图1 就地补偿示意图

3 电力自动化中应用的无功补偿装备

当前，我国的电力工业由于科学技术的进步而迅速发展。无功补偿技术是我国电网发展的一项重要技术，它的作用是减轻电网的不稳定性，降低电网的损失，提高电网的经济效益。在新的时代背景下，无功补偿技术装备是电力系统中广泛应用的一种新型装备，包括以下几种。

3.1 可控饱和电抗器

装置的主要作用是降低电能损失，在电力输送的各个环节得到了广泛的应用。可控饱和电抗器的“饱和”是指电力的饱和，在实际的输电线路调节过程中，通常会根据电网的饱和程度输送功率，以避免因电网饱和导致的电能输送增大，从而降低电能损失。可控饱和电抗器在实际应用中可以控制电能传输，应用效果很好，但是存在噪声，必须对进行降噪，以提高其实用价值。

3.2 真空断路投切电容器

在电网中，可通过真空断路投切电容器进行智能监控，从而使相关工作人员及时掌握电网的电力运输情况，一旦出现故障，真空断路器会自动响应，切断线路，保证电网的供电不会出现任何损失。真空断路投切电容器的成本低，操作简单，是实现无功补偿技术智能化的重要装置。但在实际应用中，一旦发现有问题，就会立即断开线路，从而造成用电装置受到很大压力，导致用电装置的损坏和电能的损失。

3.3 有源滤波器

在电网中一般会出现负极电流，负极电流会对电网和供电设备造成很大影响，为了确保电网的安全，必须采用有源滤波器。但由于其造价昂贵，安装过程也比较烦琐，有源滤波器一般用于干线。在使用有源滤波器前，必须对电网进行详细的研究，以保证其满足电网的要求。

3.4 固定滤波器

固定滤波器的主要作用是通过调整电压减少功率损耗，在使用固定滤波器时，要在电路中安装整个滤波器，以实现对线路的无功补偿。

4 智能无功补偿技术在电力自动化中的应用措施

4.1 合理设计无功补偿系统结构

无功补偿是电力自动化领域的一个重要组成部分，为了保障电网的安全，减少电网的能源消耗，必须对其进行合理的结构设计，以促进其充分发挥作用。

4.2 合理选取智能无功补偿技术

合理选用智能无功补偿技术是确保其真正发挥作用的基础。在选用无功补偿技术时，要结合电厂的实际工作状况合理选用智能无功补偿技术。在实行集中补偿和分散补偿的同时，以分散补偿为主要内容；将调整和固定补偿相结合，以固定补偿为主；将高压和低压补偿相组合，以低压补偿为主。

（1）分散补偿。在进行分散补偿时，主要采用电容装置实现对电力设备的无功补偿，而电容器通过转换充电、放电状态对电网进行补偿。实际上，分散补偿的使用费用较高，对电容的要求也较高，因此目前国内还没有大规模应用。

（2）固定补偿。固定补偿是一种不考虑线路的补偿，具有很高的稳定性。但是，如果补偿的数量太少，会造成补偿的不稳定；如果补偿的数量太多，会造成补偿资源浪费，而且很容易造成电器设备的故障。可见，合理地控制固定补偿量非常重要。总体上，对补偿量的控制主要通过适当调整功率比来实现，随着功率比的改变，补偿量发生变化。

（3）低压补偿。这一补偿技术是通过降低输电线路的损耗实现对电网的无功补偿，既节省了运行费用，又简化了运行流程。而且由于低压补偿产生的电流很小，对电器的运行安全起到了很好的保障作用。

4.3 合理选取智能无功补偿投切开关

真空断路投切电容器是影响电网整体安全的重要因素，因为其在合闸时会产生很高的电压，造成电力设备的损坏。目前，可用于真空断路投切电容器的智能无功补偿投切开关有固态继电器、智能集成开关和电容开关三类。其中，智能集成开关一般采用低压真空技术和水磁场技术，造价低廉，但工作效率低；电容开关的工作效率高，可以和固态继电器一起使用。

4.4 合理选取智能无功补偿控制器

智能无功补偿控制功能比较复杂，而且各功能特性也不相同。要使无功补偿更好地发挥功能，就必须选择合适的智能无功补偿控制器。智能无功补偿控制器直接影响自动装置的运行效率，并对其运行的安全性、稳定性和可靠性产生一定的影响。智能无功补偿控制器的作用是调整电网的无功补偿，要确保智能无功补偿控制器的稳定运行，必须选用具有保护机制的控制器。

总体来说，智能无功补偿控制器的应用功能较强，但操作难度较大，而且在使用时经常发生振动，使其使用范围不断缩小；智能无功补偿控制器的使用费用低廉，但使用寿命很短，必须定期对其进行检修和更换，以确保其控制效果。

目前，智能无功补偿控制器的研究主要集中在智能无功控制和智能无功因数控制两个方面。同时，智能无功补偿控制器还具有监测功能，内置的感应器可以监视智能控制器，一旦发现传感器发送的运行数据有异常，可以及时对其进行检修。

4.5 加强对智能无功补偿的控制

在电力自动化领域，利用微机进行无功补偿是一项非常有效的技术手段。目前，电力系统的自动控制系统一般都采用微机系统，通过自动采集系统自动收集电网的电压、电流、有功、无功等数据，并采用智能无功补偿技术作为控制管理的一部分，根据投切开关的数量、有功功率的大小，结合自动选择及功率系统的选择确保无功补偿的准确度，使系统的运行能量消耗达到最小。只有如此，电力系统的自动化系统才能发挥出最大的作用。

4.6 进行压降补偿

在发电机输送电能时，必须在电网的外部设置电流变压器和单相整流桥。在电网输送电能时，通过变压器及电压整流桥可以将通过的电流转换成直流电，通过发电机的直接反馈信号，可以使发电机输出端的电压下降，从而提高发电机输出端的电压。通过调整电位器，对发电机进行压力降的补偿，使得电缆端的电压基本保持在额定值，提高了补偿的效率，促进了发电机的正常运转。