基于电力电子技术的连续无功补偿控制分析

　　1．引 言
　　电力系统中，电能质量是评价电力系统运行性能优劣的重要指标，而电压又是衡量电能质量的一个重要指标，因此，电压的稳定性对电力系统运行性能来说显得尤为重要。电压稳定与否主要取决于系统中无功功率的平衡，如果用电负荷的无功需求波动较大，而电网的无功功率来源及其分布不能及时调控，就会导致线路电压超出允许极限；另外，对于负荷一侧，电力系统多由输配电线、变压器、发电机等构成，其内阻抗主要呈感性，使得负载无功功率的变化对电网电压的稳定性带来极为不利的影响。
　　无功功率补偿是涉及电力电子技术、电力系统、电气自动化技术、理论电工等领域的重大课题。由于电力电子技术装置的应用日益普及生产、生活各个领域，无功补偿问题引起人们越来越多的关注。据有关科学统计，如果全国都通过优化配置计算来安装无功补偿装置，在总投资不变的条件下，估计每年可以节省电量大约3亿千瓦时。因此，电力系统的无功补偿和电压调整是保证电网安全、优质、经济运行的重要措施。目前，由于电力电子技术的飞速进步，无功功率补偿方面也取得了突破性的进展。
　　2．连续无功补偿装置发展历史、现状和发展前景
　　工程上应用的无功补偿器主要包括旋转无功补偿器和静止无功补偿器，其具体分类见图1。

 

　　2.1　连续无功补偿装置的发展历史
　　旋转无功补偿器以同步调相机为代表，同步调相机实际上就是在过励或欠励状态下运行的同步电机，它既能发出容性无功，也能发出感性无功，因而同步调相机能对变化的无功功率进行动态补偿。由于其存在诸多缺点（见表1），70年代以来逐渐被静止无功补偿器取代。
　　静止无功补偿技术经历了图1所示的3代发展：
　　第Ⅰ代属于慢速无功补偿装置，在电力系统中应用较早，目前也仍在应用；
　　第Ⅱ代属无源、快速动态无功补偿装置，出现于 20 世纪 70 年代，国外应用普遍，我国目前有一定应用，主要用于配电系统中，输电网中应用很少，SVC 可以看成是电纳值能调节的无功元件，它依靠电力电子器件开关来实现无功调节。 SVC 作为系统补偿时可以连续调节并与系统进行无功功率交换；
　　第Ⅲ代属快速的动态无功补偿装置，国外从20世纪80年代开始研究，90年代末得到较广泛的应用。随着大功率全控型电力电子器件GTO、IGBT、及IGCT的出现，特别是相控技术、脉宽调制技术（PWM）、四象限变流技术的提出，使得电力电子逆变技术得到快速发展，以此为基础的无功补偿技术也得以迅速发展。静止同步补偿器，作为FACTS家族最重要的成员，在美国、德国、日本、中国相继得到成功应用。此外，SVG和SVC相比还拥有调节速度更快、调节范围更广、欠压条件下的无功调节能力更强等优点，同时谐波含量和占用空间都大大减少。3代无功补偿装置的优缺点见表1。

 

　　2.2　国内外电网动态无功补偿的现状
　　我国电网中目前使用最为广泛的补偿装置是机械投切的并联电容器组。为满足调压要求，在低压供电网络中装设了大量的并联电容器组，在中压配电网络中装设了少量的并联电容器组。牡丹江科海电气设备有限公司设计生产的G(X)JF1型电容器跟踪投切柜（箱）采用了KH－ZK电容器智能投切开关；G（X）JK1型接触器式电容器跟踪投切柜（箱）投切电容过程涌流小，整机使用寿命长, 维修量小,无功补偿响应快，可频繁投切，多级补偿一次到位。包括G（X）D1型电容投切产品都是该补偿装置的进步发展。
　　目前，我国输电系统中一共有5地 6套大容量SVC投入使用，它们分别被装设在广东江门、湖南云田、湖北凤凰山（2套）、河南小刘以及辽宁沙岭的500kV变电站中。此类SVC多为进口，其中有3套是ABB公司的产品。
　　SVC在大型工矿企业中的应用较为广泛，在钢铁企业中的应用尤为突出，武汉钢铁公、包头钢铁公司、宝山钢铁公司、济南钢铁公司、张家港沙钢铁公司、天津钢管公司等均装有该补偿装置，如济南钢铁公司中厚板厂二期工程在35kV母线上安装了由西门子公司设计制造的一套容量为25Mvar的SVC，2001年底带负荷一次投运成功。
　　从国际范围来讲，目前SVC与SVG都已得到普遍的应用。SVC出现早，应用时间长，仅ABB公司，其目前在全世界投运的SVC就已超过370套，ABB 与西门子两个公司已安装的SVC总容量约为9万Mvar（包括已退役装置）。SVG装置在20世纪主要以示范工程为主，从上世纪90年代末到本世纪初，SVG在日本及欧美得到了广泛应用，尤其是在冶金、铁道等需要快速动态无功补偿的场合。1999 年3月，我国第一台工业化STATCON在河南省洛阳市朝阳变电站成功并网运行，标志着我国掌握了高压大容量FACTS 设备的设计制造技术。
　　2.3　静止无功补偿装置的发展前景
　　随着电力电子技术的日新月异以及各门学科的交叉影响，静止无功补偿的发展趋势主要有以下几点：
　　（1）在城网改造中，运行单位往往需要在配电变压器的低压侧同时加装无功补偿控制器和配电综合测试仪，因此提出了无功补偿控制器和配电综合一体化的问题。
　　（2）快速准确地检测系统的无功参数，提高动态响应时间，快速投切电容器，以满足工作条件较恶劣的情况(如大的冲击负荷或负荷波动较频繁的场合)。随着计算机数字控制技术和智能控制理论的发展，可以在无功补偿中引入一些先进的控制方法，如模糊控制、微机控制等。
　　（3）目前无功补偿技术还主要用于低压系统。高压系统由于受到晶闸管水平的限制，是通过变压器降压接入的，如用于电气化铁道牵引变电所等。研制高压动态无功补偿的装置具有十分重要的意义，关键是要解决补偿装置晶闸管和二极管的耐压，即多个晶闸管元件串联及均压、触发控制的同步性等问题。
　　（4）由单一的无功功率补偿到具有滤波以及抑制谐波的功能。随着电力电子技术的发展和电力电子产品的推广应用，供电系统或负荷中含有大量谐波。研制开发兼有无功补偿与电力滤波器双重优点的晶闸管开关滤波器，将成为改善系统功率因数、抑制谐波、稳定系统电压、改善电能质量的有效手段。有源电力虑波器（APF）、统一潮流控制器（UPFC）正是既能补偿谐波，又能补偿无功的装置，虽然有电流中的高次谐波，单台容量低，成本较高等问题，但是其发展前景仍然看好。
　　（5）将一个由晶闸管换流器产生的交流电压串入并叠加在输电线相电压上，使其幅值和相角皆可连续变化，从而实现线路有功和无功功率的准确调节，并可提高输送能力以及阻尼系统振荡。目前综合潮流控制器（UPFC）发展较为迅速，美国西屋电气公司研制出串联潮流控制器（SPFC），其造价明显低于UPFC，功能可与之相比且优于SVG。[page]
　　3．无功功率补偿的根本目的
　　工程运用中，为了提高电网功率因数及稳定电网电压，通常引入无功补偿装置。对系统进行无功补偿，能够改变功率因数，降低系统损耗，大大提高电网功率的运行效率。另外，无功补偿还可以减少电压闪变、降低过电压以及提高电力系统的静止和动态稳定性等，就其经济价值而言，具有重要意义。
　　3.1　减少线路压降，提高电压的稳定性
　　无功补偿装置的引入，平衡了系统中无功功率，提高了电压的稳定性。由于线路传送电流小了，系统的线路电压损失也相应减小，有利于系统电压的稳定(轻载时要防止超前电流使电压上升过高)，有利于大电机装置的起动。
　　3.2　降低系统能耗，提高资源的利用率
　　功率因数的提高，能一定程度减少线路损耗及变压器的铜耗。
　　设

R

　　为线路电阻，

△P1

　　为原线路损耗，引入无功补偿装置后，线路损耗为

△P2

　　，则线路损耗减少：

 

　　引入补偿后，由于功率因数提高，

U2φU1

　　，为分析方便，可近似认为

U2≈U1

　　，则：

 

　　当功率因数从0.8提高至0.9时，通过上式计算，可求得有功损耗降低20.99％左右。
　　在输送

P=3UI*COSφ

　　不变情况下，功率因数提高，则I相对降低。设

I1、I2

　　分别为补偿前、后变压器的电流，铜耗分别为

△P1、△P2

　　，则：

(5)

 

　　由(5)式可知，功率因数从0.8提高至0.9时，铜耗相当于原来的79％。
　　3.3　改善功率因数，减少相应电费
　　根据国家水电部，物价局颁布的《功率因数调整电费办法》，规定三种功率因数标准值，相应减少电费：
　　(1)高压供电的用电单位，功率因数为0.9以上。
　　(2)低压供电的用电单位，功率因数为0.85以上。
　　(3)低压供电的农业用户，功率因数为0.8以上。
　　根据《办法》，补偿后的功率因数以分别不超出0.95、0.94、0.92为宜，因为超过此值，电费并没有减少，相反初次设备增加，是不经济的。
　　3.4　增加供电功率，减少用电投资
　　对于原有供电设备来讲，同样的有功功率下，功率因数提高，负荷电流减小，因此向负荷传输功率所经过的变压器、开关、导线等配电设备都增加了功率储备，发挥了设备的潜力。对于新建项目来说，降低了变压器容量，减少了投资费用，同时也减少了运行后的基本电费。
　　4．无功补偿的一般方法
　　无功功率补偿通常采用的方法主要有3种：低压个别补偿、低压集中补偿和高压集中补偿。
　　4.1　低压个别补偿
　　低压个别补偿就是根据个别用电设备对无功的需求，将单台或多台低压电容器组分散地与用电设备并接。它与用电设备共用一套断路器，通过控制、保护装置与电机同时投切，随机补偿适用于补偿个别大容量且连续运行(如大中型异步电动机)的无功消耗，以补励磁无功为主。低压个别补偿的优点：根据用电设备运行或者停运，无功补偿投入或者退出，不会造成无功倒送。具有投资少、体积小、安装容易、配置方便、操作灵活、维护简单、事故率低等优点。
　　4.2　低压集中补偿
　　低压集中补偿是指将低压电容器通过低压开关接在配电变压器低压母线侧，以无功补偿投切装置作为控制保护装置，根据低压母线上的无功负荷直接控制电容器的投切。电容器的投切是整组进行，做不到平滑的调节。低压集中补偿的优点：配置容易、维护简单、平衡迅捷，从而提高配变利用率，降低网损，具有较高的经济价值，是目前无功补偿常用手段之一。
　　4.3　高压集中补偿
　　高压集中补偿是指将并联电容器组直接接在变电所6～10kV高压母线上的补偿方式。适用于远离变电所或在供电线路末端的用户，用户本身又有一定的高压负荷时，可以减少对电力系统无功的消耗，起到一定的补偿作用；补偿装置根据负荷的大小自动投切，从而合理地提高了用户的功率因数，避免功率因数降低导致电费的增加。高压集中补偿的优点：配置灵活、维护简单，补偿效益高等。
　　5．无功功率补偿的基本原理
　　在电力系统中，无功功率的动态补偿，可以实现如下诸多功能，比如：
　　①对动态无功负荷的功率因数校正；②调整电压；③提高电力系统的动态和静态稳定性；④降低过电压；⑤减少电压闪烁；⑥阻尼功率振荡；⑦阻尼次同步振荡；⑧减少电压和电流的不平衡。
　　虽然以上八种功能相互关联，然而，实际的静止无功补偿装置往往只能以其中的某一条或某几条为直接控制目标，尽可能的兼顾其它功能，并且，在控制策略和控制方式有所侧重。本文仅以改善电压调整的基本功能做一介绍。[page]
　　补偿原理：
　　将电路具体分为系统、负载和补偿器三部分的等效电路，其动态补偿原理如图2所示。

 

系统的特性曲线可近似用下式表示：

 

　　由（7）式可以看出，无功功率的变化，引起系统电压成比例的变化，系统供给的无功功率为负载和补偿器无功功率之和，即：

Q=QL+QY

　　在电力工程运行过程中，负载无功功率

QL

　　变化时，补偿器的无功功率

QY

　　总能够弥补负载无功功率

QL

　　的变化，从而使得

△Q=Q1－Q2

　　，无功功率

Q

　　维持不变。由（7式）可知，

△U=0

　　，系统电压

U

　　维持恒定，这就是对无功功率进行动态补偿的基本原理。
　　图2b标绘出了动态的无功补偿，系统的工作点保

Q=QA

　　的 点处，即

U=UA

　　；当使系统的工作点保持在

Q=0

　　的C点处时，即

U=U0

　　，系统即实现了功率因数的完全补偿。

　　工程实际运用过程中，一般把负载包括在系统之内，进行总体等效，将图2a系统和负载部分等效为图 3a系统虚框内的部分。忽略内部阻抗中的电阻，电抗XS。由于补偿器具有维持连续点电压恒定的作用，可以将其视为恒定电压源，电压值取为等效前连接点处未接补偿器且负载无功不变时的供电电压Urd。

 

　　当

Xr

为零时，补偿器具有图3b中所示的水平的理想补偿器特性，而实际的静止无功补偿装置不设计成具有水平的电压－电流特性，而是该图中所示的倾斜特性，倾斜的方向是电压随吸收的感性电流的增加而升高，这种倾斜特性还可以兼顾补偿器容量和电压稳定的要求，可以改善并联补偿器之间的电流分配，并有利于预留稳定要求的无功备用。
　　投入补偿器后，补偿器所吸收的无功功率为：

 

　　因为实际补偿器中

Xr

不为零，所以补偿器吸收的无功功率相对理想补偿情况而言是减小了。连接点电压也并不像理想补偿器时保持原正常值不变，而是变化了：

 

　　因此，在具有倾斜特性的无功功率特性中，实际补偿器所需容量比理想补偿器所需容量有较大幅度的减小。当

Xr=Xs

时，能维持连接点电压变化为系统电源电压变化一半的补偿器，所需容量为理想补偿器的一半，这就是所谓的补偿器容量与电压调整之间折中的问题。
　　6．结合实例浅谈无功补偿的作用
　　以某大型项目能源中心为例，该项目供电电源的电压等级为10kV，设备装机容量约为21000多千瓦，其中高压电动机设备容量为5400多千瓦，其他低压设备容量为5000多千瓦。经过经济分析，采用10kV作为高压电动机的供电电压等级，投资较省，减少变电环节，同时亦减少了故障点。根据负荷计算，共采用六路10kV电源，分别对高压电动机直配。
　　该项目中，高压电动机主要用于中央空调机组、冷冻水循环泵和冷却水循环泵等多台设备。这些设备单机容量很大，离心机组单机最大达2810kW(共5台)，小的870kW(共4台)，冷冻水循环泵单机560kW(共9台)，冷却水循环泵单机380kW(共3台)，自然功率因数在0.8左右。如果在10kV配电室集中补偿电容，不采用高压无功自动补偿的话，如此大容量的电动机起、停会使10kV侧功率因数不稳定，有可能造成过补偿，引起系统电压升高。同时，从配电室至冷冻机房高压电动机的线路最近50m，最远140m，线路损耗相当可观，综合考虑到高压自动补偿元件、技术、价格均要求较高，因此采用高压电容器就地补偿，与电动机同时投切。高压电容器组放置在电动机附近，这些电动机采用自耦降压起动方式，高压就地补偿装置以并联电容器为主体，采用熔断器做保护，装设避雷器用于过电压保护，串联电抗器抑制涌流和谐波。这样做，不仅提高了电动机的功率因数，降低了线路损耗，同时释放了系统容量，缩小了馈电电缆的截面，节约了投资。
　　对于低压设备，由二台1000kVA及二台1600kVA变压器配出，低压电机配置较分散，因此，在变电所变压器低压侧采用电容器组集中自动补偿。虽然一些低压电动机的容量也不小，但这些设备主要用于锅炉房和给排水设备，锅炉房的设备不如冷冻机房集中，环境较差，管理不便，因此，在低压配电室采用按功率因数大小自补偿是较合适的。
　　7．结 语
　　随着电力电子技术的发展和电力电子器件的不断研制创新，无功功率补偿也处于不断发展之中，目前，国内外的研制成果发展迅速，出现了许多种类的SVC、SVG补偿装置。比如：牡丹江科海电气设备有限公司研制开发的G（X）JF1型、G（X）JK1型（接触器式）、G（X）D1型电容器跟踪投切柜（箱）以及VQCL—D12/J12无功补偿控制器；哈尔滨工大威翰科技开发有限责任公司研制开发的HVC高压自动无功电压综合调节装置和TSC系列可控硅动态无功功率补偿器；深圳市赛源电气技术有限公司研制开发的JKWA－15A型和JKWA—12J型低压无功补偿控制器等等。虽然兼顾价格、质量、体积、操作等一系列因素最优化配置的补偿装置目前还没有面世，但是，发展前景比较广阔。