基于电气自动化的无功补偿装置在电源系统中的协调控制研究

郭玉倩

（河南化工技师学院，河南 开封 475000）

0 引 言

电源系统正常运行的过程中，由于感性和容性负载元件的存在会引发电压与电流之间相位差的产生，该种相位差被称为无功功率，用于维持电磁场能量。但这种无功功率会引发电源系统电压波动、线损增加、电能质量下降等一系列问题。我国电源系统通常采用无功装置来进行电源电压的调整，以达到降低损耗、提升电能质量的目的。无功补偿装置在应用的过程中能够根据系统需求提供感性无功功率或吸收容性无功功率，这样便能进一步控制调整系统中的功率因数或电压相位关系。基于电气自动化的无功补偿装置能够实现电源系统的自动化采样、运算，进而实现智能判断，注入无功功率，有效减少电压的波动影响，促进电网的稳定运行。

1 电气自动化应用概述

电气自动化基于电子技术与计算机技术，有着较高的信息化程度和和自动化程度，应用更为便捷且维修难度更低。将其应用在电源系统中可以保证各种设备之间的连接更为紧密，且在智能技术的辅助下提升故障诊断和处理效率，在保证系统精度的同时降低人工消耗，为电源系统的高效稳定发展提供了全新的支撑。电气自动化中的计算机技术实现了电网调度技术、智能电网技术以及信息综合技术的融合，能够通过全面信息的收集完成电源系统数字模型的构建，在实时运行情况监控的基础上实现智能化的调度和控制。此外，电气自动化中可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）技术的应用更是实现了继电控制技术与计算机技术的结合，既具备良好的抗干扰能力和逻辑性，又能够在高灵敏的操作中减少电源系统的功率损失。在可编程控制器的辅助下进行信号识别、运算和记录，进而达到协调控制、优化控制的目的。

2 无功补偿原理

在电源系统中，无功功率起到维持电磁场能量的作用。然而，感性负载的存在会导致功率因数的降低，进而引发系统中无功功率的累积，对电源稳定性产生影响，并导致电力消耗增加。为解决此问题，可通过并联电容器的方式，提供容性无功功率，以抵消感性无功功率，从而确保功率因数的提升。容性负载通常指具备电容性质的负载，其在充放电过程中电压保持恒定，对应的功率因数为负值。若电源系统中存在容性负载，则可以串联电抗器进行感性无功功率的吸收，实现无功功率补偿。

功率因数cosφ是有功功率与视在功率的比值，cosφ=1 时为理想状态。当电源系统中存在感性或容性负载时，会产生感性或容性无功功率，导致功率因数低于理想值。通过引入合适的无功补偿设备（如电容器或电抗器）进行无功补偿能够减少或消除无功功率，从而提高功率因数，减少能源损耗，提高系统效率。

无功补偿不仅能够提高系统的功率因数，减轻电源和设备的负荷，降低线损和压降，提高电能质量，还能够稳定电压水平，减少电压波动对设备的影响，提高系统的稳定性和可靠性，减少故障和停电的风险，降低系统的运行成本，提高电源系统的经济效益。常见的无功补偿形式有集中补偿、分组补偿以及单台电动机就地补偿等，不同补偿方式的实现过程及补偿特点如表1 所示[1]。

表1 不同补偿方式的实现过程及补偿特点

3 基于电气自动化的无功补偿装置在电源系统中的协调控制应用

3.1 技术功能分析

电源系统中电气自动化技术的应用实现了电源系统的自动化和智能化控制，通过对继电保护装置的保护，实现自动化管理效率的提升，并及时发现电源系统故障。在此控制过程中，务必充分展现差异性的基本特质。在集中补偿和分散补偿的结合中有效实现补偿的调节与控制，结合电源系统的基本运行特征以及电力设备的参数和功能特征实现功率荷载的精准掌控。

电源系统无功补偿的过程中应以无功补偿原理为基础，结合实际电源系统需求，选择合适的补偿方式。在动态补偿与静态补偿相结合的过程中，通过灵活的技术应用，确保故障设备检测的有效性，实现无功功率的动态跟踪[2]。其中，静态补偿的投切装置为电容器，在延时投切方式的应用下有效防止频繁操作而造成的电容器损坏。而动态补偿则是通过控制器实现指令的发送，包括无功功率型、无功电流型以及功率因数补偿型3 种方式。

3.2 无功补偿装置在电源系统中的协调控制应用

3.2.1 构建自动化无功补偿控制模型

在电源系统自动化运行的过程中，设备波动可能导致性能下降。为提高系统性能，可从无功补偿方面着手，需要构建一个可控的无功功率补偿模型。模型构建中首先应完成开关电容器到无功补偿器的连接，再将无功补偿器并联到电器设备中。另外，在自动化无功补偿控制模型建立的过程中应以全面的设备参数为基础，通过三相电路瞬时无功功率的检测和无功补偿技术的融入获取科学精准的设备参数。随后，结合电容量投入后电源系统电压、电流数据的变化来确定设备运行状态，进而为后续的协调控制应用奠定基础。

3.2.2 选择无功补偿技术

技术选择是电源系统中协调控制的基础，目标是解决电网与电力设备之间三相交流电不平衡问题。针对电源系统的基本特征、自动化的运行情况以及设备的差异特征合理进行无功补偿技术的选择。技术选择时须结合供电形式进行综合性考虑，若电源线路中采用高压电机供电则可以选择分组无功补偿方式；若采用小容量设备供电，当负荷保持稳定时，可选择低压集中补偿。当前，随着电力负荷的增长，电源结构发生了重大变化，电源系统变得复杂多变。分布式电源的并网使用导致无功分布不尽合理，局部地区出现无功严重不足的现象。因此，依据动态补偿与静态补偿相结合的原则，可以精准确定补偿位置和具体容量，确保电网无功传输的就地平衡，进而降低电压损耗和电能损耗[3]。

3.2.3 无功补偿电容投切开关选择

投切开关和电容器是重要的无功补偿装置，其中投切开关的性能直接影响电容器的使用寿命和补偿效果。无功补偿电容投切开关包括固态继电器、智能一体化开关、电容器投切开关3 种选择。其中，固态继电器无功补偿投切开关具备运行速度快、无触点、负载端和控制端分离的基本特征。在实践过程中，该应用的效果相对较为单一，且操作流程方便，但有明显的噪音和谐波存在。电容器投切开关能够实现固态继电器和接触器的联合，且具备较快的运行速度，但需要投入较高的使用和维护成本。在自动化的基础上，智能一体化开关成为了电源系统无功补偿的首要选择，其在应用过程中可结合自动化系统的判断结果完成电源系统的智能化无功优化，通过对“自动”档位的投切，根据实际情况合理配置所需电容数量，避免过多的无功输送到电网中。

值得注意的是，在选取投切开关时，务必确保其与电容器时间并联，从而实现无功功率平衡，进一步提高电源系统协调控制的质量。另外，该过程须通过传感器装置和信号接收发送装置的引入有效监控整个电源系统的设备运行参数。结合参数变化提升无功补偿效率，此方法在自动化技术的支持下可实现远程操控，确保运行稳定。

3.2.4 无功补偿控制器选择

无功补偿控制器是无功补偿自动化控制实现的关键，为确保无功补偿自动化的高效运作，选择补偿器时应充分考虑其合理性[4]。无功补偿控制器在使用过程中能够精准检测电源系统中所输入的某一项电流和电压，进而完成功率因数的计算，并以此为基础进一步判断是否需要进行电容器投切。目前，常见的无功补偿控制器有静止无功补偿器（Static Var Compensator，SVC）、静止同步补偿器（Static Synchronous Compensator，STATCOM）等多种选择。典型的SVC 是晶闸管控制电抗器+固定电容器的组合，其在补偿的过程中可以通过调节晶闸管控制电抗器（Thyristor Controlled Reactor，TCR）中晶闸管的触发延迟角来进行补偿装置无功功率的连续调节。

STATCOM 在应用过程中能够实现无功功率的连续双向快速跟踪和调节，有效解决电源系统中电压三相不平衡、电压波动等问题。但电源系统比较复杂，功率波动和电压不稳的现象十分普遍，因此可在STATCOM 中加入BESS，便能够通过一套双向变流器的使用来进行单一STATCOM 无法调节有功功率、单一BESS 无法补偿无功功率的弥补。

3.2.5 无功补偿容量确定和补偿级数选择

补偿容量是电源系统中无功补偿的关键性参数指标，合理的容量选择能够保证电源系统的正常运转，因此应根据电源系统的运行实际和应用实际完成补偿容量的计算。一方面，寻求合适补偿点，结合最优化结果来确定最佳补偿点。另一方面，综合考虑补偿的级数。在电源系统中，虽然级数越多可以实现更高的补偿精度，但相应的成本和设备体积也会有所增加[5]。因此，为同时保证投入成本和补偿效果，须对线路的有供电量和无供电量进行计算，进而确定线路中的功率因数，再确定无功补偿容量和补偿级数。

4 结 论

电源系统的复杂性让无功补偿装置的应用成为了一种必然选择，传统无功补偿技术不仅效率低下，难以实现配电监测，而且需要消耗较大的人力和物力。在依托自动化技术进行无功补偿的设计应用时，可通过合理选择技术方案、投切开关、控制器，并结合科学容量与补偿级数选择，实现高效监测和有效补偿。借助多样化技术手段和设备，降低电能损耗，提升电网稳定性。随着物联网和大数据等新技术的不断进步，合理运用这些技术将使无功补偿更加智能化和高效化。