智能開關技術在電力系統無功補償裝置中的應用探究

許家寶

（安徽工程大學，安徽蕪湖 241000）

電網電能質量涉及面很廣，主要包括無功補償、抑制諧波、降低電壓波動和閃變以及解決三相不平衡等方面，在這些方面無功補償系統無疑是保證電網高質量、穩(wěn)定運行的一種主要手段。

1 無功補償裝置的現狀及其發(fā)展趨勢

就無功補償而言，隨著技術進步，無功補償裝置的發(fā)展經歷了從簡單到復雜，從手動到自動的發(fā)展過程，更加符合無功功率補償要求的新的技術裝備不斷涌現。如靜止無功補償裝置（SVC）就是一種綜合治理電壓波動和閃變、諧波以及電壓不平衡的重要設備

無功補償技術的發(fā)展，經歷了從同步調相機→開關投切固定電容→靜止無功補償器（SVC）→直到今天引人注目的靜止無功發(fā)生器SVG（STATCOM）的幾個不同階段。

同步調相機相當于空載運行時的同步電動機。至今在無功補償領域中這種裝置還在使用，但是旋轉運行損耗和噪聲都比較大，響應速度慢，維護復雜，價格較高，技術上己顯落后。靜止無功發(fā)生器SVG（STATCOM），是一種更為先進的新型靜止型無功補償裝置。目前技術上有局限性，具體應用少，但SVG是靈活柔性交流輸電系統（FACTS）技術和定制電力（CP）技術的重要組成部分，它代表著現代無功功率補償裝置的發(fā)展方向。

2 傳統投切開關

由于電力系統中感性負載居多，為了補償無功，低成本的電容器并聯作為無功補償裝置無疑是個好選擇。在無功補償裝置中，非常重要的是電容器組投切過程。

傳統的并聯電容器組的投入運行，最早其投切主要采用刀閘開關，人工手動切換的。電容器采用這種的投切方式，必然導致無功補償實時性非常差，不能平滑的對電網進行無功功率的補償，功率因數和電壓質量波動很大。

采用接觸器投切電容器時，響應時間較手工方式短些，且接觸器觸點開關導通容量大，無波形畸變的；但存在投切中出現嚴重的沖擊電流，造成電網劇烈的波動，接觸器觸頭易出現電弧燒毀等問題。這種方式任然屬于傳統開關投切的范疇，是種機械式投切補償電容器的方式，必然存在響應慢，連續(xù)可控能力差等問題。

3 晶閘管開關

伴隨電力電子技術的發(fā)展，在無功補償領域里，一些新型的電力電子器件得到應用，在無功補償裝置中開始采用電子開關作為投切開關。

用于投切電容器的開關閥采用雙向晶閘管的無觸點開關電路（又稱固態(tài)繼電器）原理接線如圖1（a）所示。取代了傳統的交流接觸器投切開關，其優(yōu)點是投切動作時無拉弧，動作時間短，可做到任意時刻投入，特別適合于繁投切的場合；這個器件在導通狀態(tài)下存在較大的壓降，器件自身功率損耗導致與溫升，易產生晶閘管損壞，造成無功補償裝置可靠性下降，這是它的不足。

有時出于成本的考慮也可以用二極管替代其中的一個晶閘管，這時晶閘管和二極管反向并聯。這種開關電路與雙晶閘管電路相比，技術性能相近，可制造成本較低，如圖.1（b）。

圖1 投切開關的結構

4 機電復合開關

通過上述比較分析，作為控制投切補償電容器的開關部件。在工程應用中，為了揚長避短，可以由晶閘管和接觸器并聯構成復合開關。復合開關其基本思想是以快速動作的晶閘管來控制補償電容器投切瞬間，實現了快速投切，避免接觸器等機械觸點投切瞬間，產生較大沖擊電流與拉弧等問題；補償電容器投入補償穩(wěn)定運行后，由接觸器機械觸點來通過連續(xù)電流，這樣就避免了晶閘管的導通損耗問題。由于既使用了電力電子器件又使用了機械接點，因此稱為復合開關。

如圖1（c）所示，對于集合了交流接觸器于晶閘管（固態(tài)繼電器）二者優(yōu)點的機電一體化復合開關是一種新型的補償電容器投切開關，擁有較好的性能優(yōu)勢。

5 過零投切

對于并聯無功補償電容器來說，過零投切是指電壓過零投入和電流過零切除。復合開關的基本工作原理是將晶閘管開關與磁保持繼電器并接，原理上能實現電壓過零導通和電流過零切斷，

在電源電壓與電容器電壓相等的瞬間將電容器接入系統，這樣就不會產生涌流；電容器的電壓與電流有90度的相位差，因此在某相電壓的峰值時刻（某相電流為零）斷開，就可以實現電容器電流過零切除。從而實現開關接點的無電弧分斷

電壓過零投入，電流過零切除的好處：無過電壓、無火花、無干擾。過零投切使復合開關在接通和斷開的瞬間具有晶閘管開關的優(yōu)點，而在正常接通期間又具有接觸器開關無功耗的優(yōu)點。其實現方法是：投入時是在電壓過零瞬間晶閘管先過零觸發(fā)，穩(wěn)定后再將磁保持繼電器吸合導通；而切出時是先將磁保持繼電器斷開，晶閘管延時過零斷開，從而實現電流過零切除。

6 智能開關技術

智能開關的基本定義可以理解為利用控制開關和電子元器件的組合及編程構成的，可以實現電路智能化導通與關斷的相關設備的總和。具有開關功能與控制動作等基本功能的設備都可以認為是控制開關的范疇。

在無功補償裝置中，投切開關控制著低壓無功補償電容器的導通與關斷，對在高性能的動態(tài)實時無功補償起著關鍵作用。為了實現機電復合開關控制補償電容器時的過零投切，可以在復合開關的基礎上，增加自動控制，過零觸發(fā)電路等電路，對復合開關實現智能化控制。

智能復合開關的基本原理就是利用了電力開關器件通斷是可控的無觸點通斷，以及電磁式交流接觸器觸點接觸電阻小，負載能力強，無保持損耗的優(yōu)點。是在普通復合開關的基礎上，綜合機電特性，具有一定智能的新一代低壓無功補償裝置中的電容投切開關。

嚴格的講，智能復合開關還不是嚴格意義上的“智能開關”，但它已具智能開關的雛形，智能開關在無功補償裝置中適用于無功補償中的電容投切，以及自動化控制。智能可實現無需等待電容放電，在短時間內無沖擊電流投入補償電容，快速頻繁投切不影響補償電容的使用壽命，可做到無涌流投切，可靠性高、響應速度快，使用壽命長。同時具備完善的保護功能，能夠智能監(jiān)控可控部件，電源和負載的運行狀況，具有較為完善的護功能。

電力系統無功補償裝置中智能開關技術是一種智能化的新型控制執(zhí)行部件，與無功補償系統聯系密切。在無功補償控制領域，它的開發(fā)與研究，可以結合無功補償控制器進行。二者有機結合，將使智能開關更具生機與活力。

適用于無功補償電容的通斷控制，智能電容投切開關原理簡如圖.3所示。主要是機電復合開關的基礎上，檢測電網參數，通過嵌入式微處理器（MCU）對電網數據處理，通過邏輯判斷，自動尋找電壓過零點投入和電流過零點切除。還可同時具有電壓異常保護，運行指示等功能。

7 結語

智能開關技術的研究是無功補償裝置領域發(fā)展趨勢之一。電力可控開關器件（如晶閘管）是智能復合開關的重要易損器件。以智能測控為核心的MCU系統智能控制系統，起著指揮與協調作用，決定著智能開關在無功補償裝置中的發(fā)展方向。

圖3 智能開關原理見圖

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