电气自动化中无功补偿技术及其应用探究

2022-11-15韩冬

科技与创新 2022年18期

韩冬

（国网山东省电力公司东营供电公司，山东东营 257100）

近年来，随着中国电气技术水平的提高，供电能力与供电质量显著提升。与此同时，随着电力系统规模的扩大以及设备接入数量的增多，系统运行状态受到电压波动、谐波增大等因素的影响，稳定性较差。在这一背景下，无功补偿是改善供电环境与提高供电效率的重要技术举措，也为谐波治理等问题提供了可行的解决途径。

1 无功补偿技术概述

1.1 无功补偿原理

在电气自动化系统运行期间，输出功率由无功功率、有功功率2 部分组成，受到诸多因素影响，有功功率比例常数有所降低，导致功率因数随之下降，产生超过预期的线损量。而无功补偿则是在系统中加装潮流控制器、有源滤波器等装置，持续补偿无功功率，以此来提高有功功率输送比例，维持稳定的功率因数[1]。

1.2 无功补偿实现方式

在电气自动化系统中，常用的无功补偿方式分为集中补偿、分组补偿、单台电动机就地补偿3 种，具体如下。

集中补偿。把并联电容器组在高压或是低压配电线路中进行布置，根据配电线路实时无功负荷来提供无功补偿。这一方式有着装置布置集中、易于维护、成本低廉的优势，但大功率电气设备的实际补偿效果有限，还有可能在设备断开时出现无功倒送现象，当前多用于小型电气自动化系统。

分组补偿。在变压器低压侧端配置并联补偿电容器，按照负荷变化情况进行分组，在电气自动化系统运行期间，根据负荷实际变化情况来调整电容器投切组数，投入适当的电容容量，以此来维持无功平衡状态。此项补偿方法有着电容器自动跟踪负载变化、无人工干预条件下自投切补偿电容器的优势，但对分组数量有着较高要求，在分组数量过少时会形成过大容量变化梯度，进而影响到无功补偿效果，需要在条件允许的前提下，通过增加分组数量来减小容量变化梯度。

单台电动机就地补偿。把并联电容器布置在单台电动机部位，保持电容器、电动机二者相互连接状态，负责吸收感性设备无功量并转化至有功能量后提供给电感设备。此项方式有着可随时启停补偿装置、装置易于安装、明显降低线损量的优势，但对控制器响应能力有着严格要求，补偿电容容量精度较低。

1.3 无功补偿作用

无功补偿技术主要起到减少线损量、减少电气设备容量2 项作用。其中，减少线损量是通过补偿无功功率、增加有功功率比例常数来调整功率因数，功率因数与线损率密切相关，功率因数越高，则实际线损率越低，避免电能在线路输送期间产生过大损耗，这对降低系统运行成本有着十分重要的现实意义。而减少电气设备容量则是因电路功率因数的增大而节省一部分设备容量，放宽对电气设备设计容量的要求，进而起到减少系统建设成本的作用。例如，在某电气自动化项目中，通过应用无功补偿技术，功率因数由0.8cosФ提升至0.98cosФ，原有配置1 kvar 电容器的容量节省0.52 kW，间接上增加了已配置电气设备的容量[2]。

2 无功补偿技术在电气自动化中的具体应用

2.1 真空断路器投切电容器

此项方法属于自动补偿方式的一种，多用于向高压线路以及高压母线前主变压器提供无功补偿，在变压器低压侧端部位安装电容器组并接入FU 熔断器。在系统运行期间，随着负荷变化，电容器组执行分闸等控制指令来调整电容投入量，利用电压互感器一次绕组电阻进行放电，实现无功补偿目的。此方法有着补偿过程简单、无需在系统中加装专门放电装置的优势。根据实际补偿情况来看，真空断路器投切电容器方法存在着明显局限性，包括短路器无法实现精确控制、无法在短时间内频繁投切开关、合闸时易出现串联谐振现象等，动态补偿效果有待改善，还有可能引发断路器炸裂、电容器损坏等电气故障。对此，需要采取额外串联电抗器、选用新型双动式真空断路器等措施来改善无功补偿效果。例如，对电抗器的串联，将起到预防串联谐振现象出现、减小合闸时电容器组形成冲击涌流等多重作用。

2.2 有源滤波器

有源滤波器是在提供电源条件下，由电流互感器采集线路电流信号，对信号加以谐波分离计算后获取谐波参考信号与开关信号，再通过信号控制单相桥，获取与线上谐波信号相匹配的谐波电流，这一谐波电流与负序电流方向正好相反，起到抵消线上谐波电流的作用。在电气自动化系统中，这类补偿装置有着不易出现谐振现象、调节速度快、完全吸收系统内谐波的优势，但装置价格较为高昂，且单套装置容量有限，不适用于大容量场景。

2.3 静止无功发生器

静止无功发生器属于有源形补偿装置的一种，应用到脉冲宽度调制、电压电源逆变等新型技术，采取并联方式或经由电抗器把自换相桥式电路接入到系统当中，对电路交流侧端所输出的电压幅度、电压相位等参数进行调节控制，或是调整交流侧输出电流值，从而起到吸收以及提供无功功率的作用。根据实际情况来看，在电气自动化领域，静止无功发生器具备快速动态响应、双向补偿、占地面积小、无级调节、电容电抗容量要求宽泛的优点，可以跟踪负载冲击电流和跟踪补偿谐波电流，综合性能远超过传统无功补偿装置。例如，从无级补偿角度来看，传统补偿装置普遍采取有级补偿方法，设立3～10个级别，各级别的无功千伏安波动较大，每增减一级时变动数十无功千伏安，而静止无功发生器可以从0.1 无功千伏安起进行补偿，在实质意义上做到了精确补偿。而从响应速度角度来看，静止无功发生器可以在5 ms 内完成响应动作，由额定容性无功迅速转换到额定感性无功[3]。

2.4 磁控电抗器

磁控电抗器本质上属于一类具备容量可调节功能的并联电抗器，由本体、控制机构2 部分所组成，在运行期间通过0.3%额定功率左右的直流功率来调节铁芯磁饱和度，电抗器容量与铁芯磁饱和度一同变化，进而起到改变感抗值、调节电抗电流值与调节无功功率的作用。一般情况下，对磁控电抗器的使用，可以把功率因数控制在0.9 及以上，起到消除谐波污染、减少异步电机对电网冲击、消除电压闪变等多重作用。

2.5 并联混合有源滤波器

根据使用情况来看，早期型号的有源滤波器存在容量小、难以抑制大功率非线性负载所形成谐波的局限性，实际补偿效果并不理想，应用场景有限。对此，可选择在电气自动化系统中配置新型的并联混合有源滤波器，由DSP 电路模块、信号采样电路、无源滤波电路等部分组成，把有源电力滤波器视为受控电流源，在附加电感流入基波无功电流中时，仅在有源滤波器中通过谐波电流，确保有源滤波器不承受谐波电压，使并联混合有源滤波器可以被应用于大容量场景中提供无功补偿。同时，为维持稳定运行工况，也可选择在并联混合有源滤波器中加装熔断器，在检测到过电流等故障问题时，在短时间内脱离有源滤波器，由剩余的附加电感、无源滤波器继续执行补偿动作，避免在有源滤波器在脱离时对电网或电气自动化系统运行造成剧烈冲击。

2.6 同步电机

同步电机多用于电力调度场景，在系统中配置发电机、同步调相机与电动机等设备。在系统运行过程中，凭借同步电动机转轴不带机械负载的特性，采取调整励磁电流的方法来带动所发出无功功率的变化，在线路功率因数偏低时提高励磁电流起到无功补偿作用，在线路功率因数偏高时通过降低励磁电流来吸收系统内多余无功功率，始终把无功功率因数保持在0.9～0.95 区间内，避免因功率因数过低而加大线损量，或是因功率因数过高而相互抵消容性无功与感性无功。相比于其他无功补偿技术，同步电机法有着同时具备提供/吸收感性无功功能的优点，但却存在装置结构较为复杂、不易安装维护、技术难度大、响应速度慢的缺点，仅在发电厂等少数场景中得到应用。

3 无功补偿技术在电气自动化中的应用策略

3.1 制定合理的无功补偿方案

对象不同无功补偿目的有所不同，为取得理想补偿效果，需要严格遵循差异补偿原则，针对不同对象来定制无功补偿方案，以变电站、配电线路和电力用户为例，具体如下。

首先，面向变电站时，以补偿变压器所产生无功损耗为首要目的，在变电站内安装2 组及以上的无功补偿装置，旨在充分满足各台主变压器投退要求。同时，根据变电站等级来计算最佳的无功补偿容量，如把10%～15%主变压器容量设定为35 kV 变电站无功补偿容量，把15%～20%主变压器容量设定为110 kV变电站无功补偿容量。而对于主变压器长时间处于轻负荷运行状态与重负荷运行状态的变电站，则分别适当调低和调高无功补偿容量[4]。

其次，面向配电线路时，以补偿分支线路无功损耗和维持功率表平衡状态为首要目的，避免主干线路在运行期间持续被分支线索取无功。需要对线路配套变压器空载无功损耗情况进行调查，根据调查结果来设定分组数量及补偿容量，在大负荷分支线上设定无功补偿点，安装电容器组作为无功补偿装置，选择安装可投切式或固定式电容器组进行补偿[5]。一般情况下，优先配置可投切式电容器组，在检测到运行负荷低于或是超过整定值时，电容器组将自动执行投入与退出动作。

最后，面向电力用户时，以降低线损率和达到功率因数标准作为首要目的，帮助电力用户减少用电成本和争取电费奖励。而对于无功补偿方式的选择，需要视用户供电规模、供电方式而定，主要分为个别补偿、集中补偿与分组补偿3 种。其中，个别补偿是在电动机等单个用电设备上并接电容器，按照设备空载无功损耗来计算最佳无功补偿容量，根据设备运行状态与实际负荷来执行电容器投入、退出动作。集中补偿是在变电站等区域低压侧母线中安装电容器组，也可选择在配电变压器高压侧端安装电容器组，采取就地补偿方式，根据无功负荷检测值来实时调整补偿容量，可以最大程度地降低线损率，但需要安装大量的电容器组，且无法减少内部功率损耗。分组补偿则是在各车间配电母线中分别安装多组电容器组，各器组负责维持所处区域内无功电力就地平衡状态[6]。

3.2 应用新型潮流控制器

在早期电气自动化项目中，主要配置无源滤波器、有源滤波器、真空断路器等作为无功补偿装置，实际无功补偿效果与预期效果存在出入。例如，无源滤波器存在通带内信号能量损耗、偶尔引起电磁感应、不适用低频域、负载效应明显的缺点。有源滤波器存在可靠性差、不适用于高压与大功率场景、通带范围受有源器件限制的缺点。对此，可选择配置综合潮流控制器作为无功补偿装置，控制器由2个电压源变换器所组成，保持共用直流侧电容关系，首台变换器经由第二台变换器并联接入电气自动化系统，负责向系统提供无功功率和向第二台变换器提供有功功率。相比于传统无功补偿装置，综合潮流控制器同时具备串联补偿以及电压调节等多项使用功能，即可以实现对线路无功功率和有功功率的迅速、精准、独立控制，起到预防系统振荡和强化线路输送能力的作用，同时，所提供无功功率由装置本身产生，不会在系统运行期间消耗额外的有功功率。