无功混合补偿装置在配电网中的应用

王斌斌 郭亚男 武伟伟

（1.郑州经贸学院，河南 郑州 450000；2.河南费曼电力技术有限公司，河南 郑州 450000）

0 引言

电能是一种清洁能源，具有使用灵活、可以远距离传输等优点，在国民经济、社会发展和人民生活的各个方面都得到了广泛应用。电能质量的好坏不但会直接影响到发电、送电和用电等电气设备的安全可靠运行，同时也和人们的生产生活息息相关[1-2]。而随着电网规模的不断扩大，电网中用电设备的总容量也在不断增加，与此同时电网中的无功功率与日俱增。自然条件下，配电网络中的无功功率由上级电网提供，这样就会有大量的无功电流在输配电线路中流动，一方面会增加输配电线路的损耗，并使线路的末端电压降低，另一方面还降低了输配电线路传输有功功率的容量，降低了系统的利用率。进行合理有效的无功功率补偿可以减少因传输无功电流造成的能量损耗，最大限度发挥输配电线路传送电能的能力，同时也可以提高线路末端电压，进而提高终端电气设备的运行性能和利用率。因此，选择合理的无功补偿方式就显得非常重要。

1 补偿方式

目前常用的无源无功补偿装置有CSC（接触器投切电容器）和TSC（晶闸管投切电容器），这两种补偿装置都是采用分级投切电容器组或者是电抗器加电容器组的方式进行无功补偿。这种补偿装置结构简单，设备成本低，但由于电容器的额定容量固定，补偿时的无功容量是跳跃式的，会存在补偿不足或者过补偿的情况；其次，投切装置频繁动作也会缩短补偿设备的使用寿命；同时，当配电网的电压发生变化时，实际输出的无功功率也会发生相应的改变，这种变化是不可控的。

随着半导体技术、电力电子技术、控制理论和计算机技术的发展，一种新型的无功补偿装置应运而生：静止无功发生器（SVG）。SVG是一种有源的无功补偿装置，其输出极性可调。根据负载的变化情况，SVG可以实时调节变流电路交流侧输出电压或电流的相位和幅值，从而连续发出或者吸收无功功率，进而实现快速、动态、连续无功补偿的目的，无功补偿的效果好[3]，且补偿效果不受设备接入点系统电压的影响，也不会和负载阻抗或系统阻抗发生并联谐振。但受限于功率半导体器件容量和价格，大容量的SVG成本较高，所以当仅仅采用SVG对配电网进行无功补偿时，无功补偿的成本较高。

无功混合补偿装置采用TSC和SVG的组合方式进行无功补偿[4-5]，是一种结合了无源补偿和有源补偿的补偿装置。其利用TSC对配电网中的无功功率进行快速的分级补偿，再利用SVG对系统无功功率和TSC输出无功功率之间的差额以及系统中的动态无功功率进行跟踪，实现连续动态的补偿。采用无功混合补偿装置的无功功率补偿避免了单一无源补偿时的补偿不足或过补偿的情况，同时又降低了无功功率补偿的成本，提高了补偿的效果，性价比较高。合理设置TSC和SVG的容量比可有效降低无功补偿的成本，是无功补偿的一个发展方向，也是本文采用的无功补偿装置。

根据无功混合补偿装置的安装位置，补偿可以分为三种类型，分别是集中补偿、随机补偿和随器补偿[6]。

集中补偿是在变电站中进行的无功功率补偿，集中补偿可提高变电站中主变压器的功率因数，降低主变压器的无功损耗及其前级输电线路的无功损耗，但对减少配电网络整条线路的无功负荷和降低供电线路无功损耗的效果是有限的，集中补偿多采用的是高压补偿。

通常情况下，随机补偿是在用电设备处设置几组适当容量的电容器，采用分级投切的方式进行无功补偿。但由于电容器的额定容量是阶跃式变化的，即使采用不同容量的电容器组的形式进行无功功率补偿，也不能实现连续的无功功率补偿目标，会存在欠补偿或过补偿的情况；同时，执行投切操作时也会存在延时，导致无功补偿的效果不理想，并且频繁地执行投切操作会缩短无功补偿设备的使用寿命。当无功补偿装置设计合理时，随机补偿可以获得很好的无功补偿效果，随机补偿多采用的是低压补偿。

随器补偿是通过对配电变压器处供电质量的分析，经过综合判断后进行的无功补偿。随器补偿不但可以提高变压器的功率因数，降低配电网无功损耗，还可以释放变压器的容量，具有较高的性价比，随器补偿多采用的也是低压补偿。

无功补偿装置的实际安装位置需要根据无功补偿的具体目标要求来确定。

2 无功混合补偿装置设计

无功混合补偿装置采用TSC和SVG的混合配置方案，能根据用电现场的无功需求进行快速、无极差的无功功率补偿，在获得满意的补偿效果的同时降低无功补偿的成本。

2.1 无功混合补偿装置的结构

无功混合补偿装置的结构如图1所示，装置中SVG和TSC采用并联结构，其中SVG采用由绝缘栅双极型集体管（IGBT）组成三相桥式变流电路，通过LC滤波器接入配电网中，可以采用正弦脉宽调制技术（SPWM）或者空间电压矢量脉宽调制技术（SVPWM）控制IGBT的通断，使SVG发出或吸收无功功率。根据接收到的补偿指令信号，SVG在额定容量范围内可以快速连续地跟踪补偿负载的无功功率，输出无功功率不受系统电压的影响；TSC采用晶闸管投切电容器进行无功分级补偿：在电压过零时投入电容器，在电流过零时切除电容器，从而减少在投切电容器过程中对配电网和补偿装置带来的冲击影响。无功混合补偿装置集合了两种补偿方式的优点，可以根据负载无功功率的变化情况，适时做出合理的决策进行无功补偿，提高配电网络的功率因数。

图1 无功混合补偿装置结构

无功混合补偿装置中SVG和TSC的容量配比及TSC中电容器的容量分配是影响补偿效果及补偿成本的重要因素。通过分析系统在不同时间段的无功需求可以得到系统无功缺额中的平均静态容量及动态容量的最大值，利用公式（1）则可以求得TSC及SVG的补偿容量。

式中：QT为TSC的补偿容量；Qj为无功缺额的平均静态容量，Qj可通过公式（2）计算确定；QE为ESVG的补偿容量；Qdx为系统无功缺额的动态容量最大值；k为系数，由电容器的额定工作电压和系统电压比值的平方确定。

式中：P为平均有功功率；cos φ1为目标功率因数；cos φ2为系统自然功率因数。

TSC中电容器的容量分配由QT和系统无功缺额中的最小静态值共同决定，可在对配电网的无功功率进行检测分析后确定。

2.2 无功混合补偿装置的控制系统

控制系统采用TMS320F28335作为控制单元。TMS320F28335是高速的数字信号处理器，围绕该处理器设计相应的指令检测电路、信号调理电路、信号跟踪控制电路、IGBT驱动电路、晶闸管驱动电路、保护电路等。

控制系统中软件由主程序、中断服务程序及采样子程序构成，主程序的作用是完成系统初始化以及片上相关外设及引脚的初始化，如ePWM、AD、GPIO等，同时完成各级中断的功能设置。中断服务程序调用AD采样子程序，完成系统电压、系统电流、补偿电流和直流电压的采样，计算系统的相序、频率、功率因数及无功功率等参数，确定无功补偿容量，根据SVG和TSC的容量配比确定补偿方案。捕获中断的作用是计算电网a相的相位和电网电压的频率。故障中断具有最高的优先级，出现故障时，故障中断被触发，设备进入保护状态，闭锁输出。

无功混合补偿装置的工作程序流程如图2所示。

图2 工作流程图

在补偿装置投入运行前，先采集现场的电压信号和电流信号，分析配电网的电能质量，确定配电网的无功功率情况。如果配电网的功率因数已经处在一个较高水平，则不进行无功功率补偿，而补偿装置会继续监测系统的电压信号和电流信号，重新确定配电网的无功功率情况；如果配电网的功率因数低于标准值，则需要对配电网进行无功功率补偿。进行补偿时，补偿装置控制系统会先将每组电容器的补偿容量和配电网的无功缺额进行比较匹配，若无功缺额小于最小容量的电容器，则投入SVG进行无功补偿，否则投入一组或者几组合适的电容器进行无功补偿，剩下的无功差额则由SVG进行补偿，以达到完全补偿的效果。

2.3 无功混合补偿装置的安装位置

无功混合补偿装置采用并联方式接入配电网。采集电压信号和电流信号的互感器可以安装在图3所示的位置处。

图3 互感器安装位置

电压互感器安装在无功混合补偿装置接入配电网处，而电流互感器可以选择安装在不同的位置，分别如图3（a）和图3（b）所示。

2.4 无功补偿效果

费曼电力生产车间有一台容量为160 kVA的配电变压器，对变压器的负载情况进行分析后，采用45 kvar的无功混合补偿装置对其进行无功补偿，其中SVG容量为20 kvar，TSC容量为25 kvar。补偿效果如表1所示。

表1 补偿效果

由表1数据可知，进行无功功率补偿后，配电变压器的功率因数得到了有效提高，提升了变压器的供电质量，降低了变压器和配电线路的无功损耗，减少了力调电费。

3 结束语

随着配电网的规模不断扩大，无功功率的需求也在不断增加，选择合理的无功补偿方式既能提高配电网的供电质量，降低无功带来的电能损耗和变压器损耗，又可以提高配电变压器的有效容量，提升用电设备的运行效率。无功混合补偿装置集成了两种无功补偿方法的优点，可以进行分级连续可调的无功补偿，同时又降低了无功补偿的成本，是一种可靠的无功补偿方案。