电气自动化控制中无功补偿技术的运用

张文斌

（陕西涌鑫矿业有限责任公司）

0 引言

如今，人们生产生活对电能需求量不断增加，电力系统建设规模不断扩增，复杂度也随之增加，电气设备运行中面对更为复杂的环境及本体非线性因素增多，直接增加了电气控制难度，电气设备自动化发展情况得到全社会的关注。无功补偿技术作为基于无功功率理论发展起来的一种全新补偿办法，主要是运用容性及感性功率负荷变化情况及有关控制装置并联在电路内，通过能量转换的过程调整运行条件，实现对被控对象的有关管控。电气设备运行中合理运用无功补偿技术，能有效控制无功损耗、谐波等问题给输电效率带来的影响，为电气自动化发展提供可靠的技术支持。

1 电气自动化中运用无功补偿技术的意义

（1）提升电压质量

长期以来，人们格外关注电力企业电压质量的实现情况，电压质量也是影响电气自动化发展水平的一个主要因素。为了能使电气设备电压质量符合规范要求，就要明确电压损失的重要意义。若电气设备运行过程中电压损失很少，就代表着电压质量较高。合理运用无功补偿技术，能有效控制电路内无功功率的传输过程，减少电压损失，提升功率，使电压质量得到一定保障。

（2）减少成本投入

现代电力企业在日常运营管理时，电气自动化处于重要地位，加大资金投入力度是实现电气自动化的基础。在无功补偿技术的协助下，企业在发展电气自动化时能减少成本投入，主要得力于该项技术能降低电路内的无功功率，这不仅能显著增加电路功率的转化率，还能增加功率因数。当功率因数提高时，变压器的实际运转效率也会有很大提升[1]。在这样的工况下，电气设备不会对变压器提出过高的要求，提升设备运转效率。设备在这种情况下进行运输变电装置方面的支出。

（3）减少用电费用方面的支出

关于功率因数的确定问题，我国相关部门早已出台了较精准的标准规范。若用户端的整个功率因数与规定值相比很低时，就要结合实际情况，采用适宜的方法对用户进行处罚。为了节省费用支出，将电气运行损耗降到最低，就要使功率因数的科学性及合理性得到保障。运用无功补偿技术，一方面能明显提升电路的功率因数，另一方面还能规避不必要的电路损耗状况。

（4）保证电力系统运行效率

电气自动化运行期间，主客观多种因素会影响设备的运行功率，例如电力系统可能出现能源损耗、电压与负荷增加等情况，若不能及时处理，则易导致电气使用寿命明显缩短。运用无功补偿技术，一方面使电力系统整体运行效率得到保障，另一方面也能科学部署电网内的无功功率，提升系统运行有效性，减少或规避不必要的损耗现象。另外，既往供电时电网功率因数被调低，此时输电线路与变压器损耗的风险会增加，而运用无功补偿技术能有效规避以上情况，确保输电过程的稳定性，提升电力输送效率。

2 无功补偿技术的应用

（1）自动化无功补偿控制模型

为了能自动化管理控制电气设备，引进并运用无功补偿技术，在电气设备上连接无功补偿器与自带开关的电容器，实现对设备运行状态的精准控制。无功补偿器内有高、低压接点。无功补偿器投用过程中，为了维持一个相对稳定的状态，会自动生成一个容性极限值及感性极限值。晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管投切电容器（TSC）均是当前常用的无功补偿装置，具体应用时均可以将其视为可调节式的并联电容，其性能明显优于传统并联电容器，主要作用是维持端电压的恒定性，连续调节电力系统的转换功率，均能较好地满足现实需求。并且这种装置的响应速度也显著好于传统装置，在20世纪80年代时研发出一种新型并联无功补偿装置，这种装置以变换器技术为支撑，整体结构和电压源很相似，通过调控电压相位及赋值的形式去调控无功功率，德、美等国家将这种装置叫做静止同步补偿器（STATCOM），有研究发现，STATCOM的响应速度是TSC的2～5倍，大概是20ms，当电力系统运行期间突发故障问题时，电压快速降低，通过控制响应电流以使无功功率始终处于平衡状态，确保电力系统暂时的稳定性[2]。实践中把无功补偿器补偿方式布置成静止式补偿，电气设备正常运行过程中，无功补偿器全程处于在线性控制范畴中，由高压节点至静止无功补偿可以把其看成是串联一个电压源与一个斜率阻抗的形式。当电气设备运转期间逐渐抵达无功补偿器的容性极限时，可以把其视为一个低压节点与固定的容性电纳相连。综合以上分析内容，建设出自动化无功补偿控制模型，如下图所示[3]。

图 自动化无功补偿控制模型

图中，Lu、Hu分别代表低压、高压节点，M即为虚节点，U1、U2均表示电压。运用图模型表示无功补偿，若无功补偿器运行过程中始终处在线性控制范畴中，则可以运用该模型表示电气的等效电路，不管是哪种运行状态，当抵达无功极限时补偿器都可以被看成是一个小变电纳。

（2）自动采集电气设备的电流电压参数

电气自动化控制过程中，在构建出补偿控制模型后，可以实时自动采集设备电压与电流，通过观察电压及电流参数改变情况明确电力设备的运行状态，为后期电容投切方式控制提供可靠依据。既往多通过测量电压与电流之间的相位差去表示电气设备的功率因数，以上这种传统采样方式具有一定局限性，仅能在电压与电流都是正弦基波的情况下才能确保采集数据的高精准度。为规避以上问题，本课题运用三相电路瞬时无功功率检测法去测量电气设备运行中的电压及电流值。具体采集时要合理运用无功补偿器，其能及时、精准地获得无功功率数据，利用该数据阐述投入电容容量[4]。电容容量被投入后，若电气设备的功率因数出现改变，则电流与电压均会改变，基于以上变化，能较客观地呈现出电气设备的实际运行状态。采集参数时，将工业标准的RS-485通信接口及DL·T645通信协议引进无功补偿器内，建立健全组网结构，提升电气设备运行中的电流、电压参数的采集及传输效率。

（3）电气电容投切开关控制

在获得电气设备运行电流、电压数据后，结合设备实际运行需求，合理控制其电容投切开关。具体是并联电容投切开关与电容器组，对电气设备运行调压管理，借此方式获得无功功率平衡效果。对电气设备采用电压补偿策略之前，先要计算其电压损耗△U，公式是[5]：

式中，U′为运用以上方式采集到的设备电压；R为电阻；X为补偿之前的线路电抗。

运用以上运算出电气设备正常运转时的电压损耗量，以此为基础，应用无功补偿技术进行补偿，且在无功补偿容量和设备自身的容量值相等时，就可以认定是达到对无功的完全补偿。为确保现实操作中电气设备始终能维持稳定运转状态，要在建设好无功补偿模型后，增设数个具备检测电流电压的传感器设备及收发电容投切开关信号的装置。具体控制时对比电气设备各项实际运行参数与设计好的控制当量，据此判断电气设备控制效果是否符合预期。另外，当前国内很多电气设备运行环境复杂，故而在部分情景下还要采用远程操控电容投切开关形式去管理设备的启停动作，实现远程自动化控制，进一步提升设备运行的安全性、可靠性。

3 提升无功补偿技术在电气自动化领域应用效果的措施

（1）运用并联混合有源滤波器

纵观国内外电气自动化系统运作情况，并联混合滤波器是控制无功补偿体系的最先进形式，这种无功补偿最大的作用在于处理因电力负荷改变导致的滤波补偿偏差等问题。新时期，我国电力系统已进入到新的发展阶段，并联混合补偿方法聚集了多种传统技术的优越性，更好地完善了电气自动化的运行工况，提升功率补偿工作效率[6]。这种无功补偿模式能更加明显减少额定功率损耗量，协助电力企业降低电网建设成本，提升资金调配与利用效率，使电气自动化运行稳定性得到更大保障。

实际使用并联混合的无功补偿方案时，能更好地管理输电网的电容装置与组装方案，使无功补偿体系充分发挥自身的功能作用，维持补偿体系及输电体系运行的稳定性。并联混合补偿已经是电力自动化系统内的关键技术，逐渐实现普及化，其能明显减少输电成本投入，提升系统运行速率，延长设备使用寿命。

（2）参照地区用电状况确定无功补偿方案

我国国土辽阔，不同地区气候环境有明显差异，故而电能需求程度也参差不齐。社会经济较发达且人口密度大的区域对无功补偿提出的要求较高，偏僻且人口稀疏地区的要求较低，可以将其作为无功补偿技术用于电气自动化领域提供参照[7]。实际工作中要综合各地区的用电状况，比选出适宜度最高、实用性最强的无功补偿方案，确保电能需求较高的地区能顺利构建出配网无功补偿体系，在配电设备的低压系统内安装电容装置，为无功补偿技术创造相对稳定的运行条件。以上措施还能使电气系统稳定性与周期性得到更大的保障，减少输电过程中的能耗量，实现真正意义上的降本增效。

（3）加强用户端的管理

新时期下，无功补偿方案的应用不仅要连续提升自身技术的应用水平，也要加强用户端的管理力度，帮助更多的电力用户明确无功补偿技术应用的优势，循序渐进确立无功补偿观念，能进一步完善无功补偿的应用性能，使电力自动化系统运行稳定性得到更大保障。为达成以上目标，管理人员应加大无功补偿技术理念的宣传传播力度，全面提升用户对该项技术的认可度，进而更有效、便捷地应用无功补偿方案为广大用户提供可靠电能。另外，结合无功补偿技术的应用现状，在技术层面上再进行突破，进一步提升其成熟度、先进性，使其在电气自动化系统内表现出更大的作用。整体来说，通过加强用户端管理，能为无功补偿技术有效应用创造更好的环境条件。

4 结束语

新时期，我国提出了节能降耗的发展理念，将无功补偿技术用在电气自动化领域，十分契合以上理念。合理应用无功补偿技术，能显著提升电力系统的功率因数，减少供电变压器及输电线路的损耗，进而提升电能资源的利用效率，极大地改善了供电环境。后续发展中要不断完善无功补偿技术的应用过程，提升其发展水平及实际应用的稳定性，辅助增加电力系统运行效率，为社会经济发展做出更大的贡献。