基于半控器件的靜止無功補償技術控制策略研究

張霞

【摘 要】根據(jù)控制物理量選擇的不同，TSC所采取的控制方法也多種多樣。較為合理的補償裝置應最大限度提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，且不發(fā)生過補償，無投切振蕩，無沖擊投切，控制過程反應靈敏、迅速。按照控制物理量的不同無功補償裝置分為：無功功率補償、無功電流補償、功率因數(shù)補償及綜合型補償。

【關鍵詞】配電系統(tǒng);電能質量;半控器件;無功補償;功率因數(shù);電壓控制;技術先進;經(jīng)濟合理

0 引言

電力系統(tǒng)由發(fā)電系統(tǒng)、輸電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)和用電系統(tǒng)四大部分構成，由于電能不能大量存儲，所以發(fā)電、輸電、配電和用電必須同時進行，即電力系統(tǒng)必須保持平衡。然而來自電力線路、電力變壓器以及用電設備的無功負載大量存在，使電力系統(tǒng)的功率因數(shù)降低。

電力系統(tǒng)網(wǎng)絡元件的阻抗主要是感性的，因此在實際電力系統(tǒng)中，包括異步電動機在內的絕大多數(shù)電氣設備的等效電路可看作電阻 R 和電感 L 的串聯(lián)電路。網(wǎng)絡元件和大多數(shù)用電設備工作時將消耗無功功率。這些無功功率必須從網(wǎng)絡中某個地方獲得。合理的方法是在需要消耗無功功率的地方產生無功功率，這就是無功補償。

1 單一物理量的控制方式

時間控制法是最常用的控制方式之一，這種方法根據(jù)電網(wǎng)中用電設備24小時無功功率變化情況，繪出全天無功變化負荷曲線，由無功變化的時間規(guī)律決定定時投入或切除一定容量的補償電容。例如主要負荷在上午8點投入運行，到下午5點退出運行，而這期間負荷變化不大，調整策略可整定為上午8點投入電容器組，下午5點切除。

顯然這種控制方式簡單，但只適用于負荷穩(wěn)定且變化規(guī)律一定、功率因數(shù)變化不大的場合。

無功電流控制方式是把負荷無功電流作為控制變量進行電容投切調節(jié)的一種控制策略。假設電網(wǎng)無功缺額為ΔQ，電網(wǎng)線電壓為U，其額定值為UN，線電流分量為IQ，則：

ΔQ=U·I·■=U·I■·■

令實際運行電壓U與額定電壓UN之比為k則：

I■=ΔQk·U■·■

當電容器組為星型聯(lián)結時：

ΔQ=ω·C·（k·U■）■

為補償無功電流IQ應投入電容器組的容量為：

C=■·I■k·ω·U■

當電容器組為三角型聯(lián)結時：

ΔQ=3ω·C·（k·U■）■

應投入的電容器組的容量為：

C=I■k·ω·U■·■

依據(jù)無功電流分量的大小控制調節(jié)電容器組，使電容器提供的容性電流補償電網(wǎng)中的感性電流，補償效果更精確。這種控制方式比較理想，補償效果很直觀，但無功電流的快速、精準檢測有一定難度。

電壓控制方式是檢測電網(wǎng)電壓信號，當電網(wǎng)電壓降至某給定值的下限時檢測裝置發(fā)出信號，控制電容器組投入運行，當電網(wǎng)電壓超出某給定值的上限時，切除電容器組。電壓控制方式以保證安裝點電壓在一定范圍內為目的，多用于電業(yè)部門集中負荷點的電壓調整。

早期無功補償?shù)目刂品绞绞且怨β室驍?shù)作為控制變量，通過檢測負荷的功率因數(shù)或者功率因數(shù)角，再經(jīng)過對檢測數(shù)據(jù)的處理，由執(zhí)行元件實現(xiàn)對電容器組的投切，維持功率因數(shù)處于最佳値，若cosφ1cosφ2為功率因數(shù)的上次限，被控量應在cosφ1

這種控制方式存在兩大缺點，一是當負荷輕載時，可能產生投切振蕩。如圖1所示，按功率因數(shù)投切電容器組，其穩(wěn)定區(qū)域收斂于原點0，當負荷減小時，存在一區(qū)域如S1點所處區(qū)，此時若投入一組電容器，系統(tǒng)功率因數(shù)補償至S2點處，系統(tǒng)處于過補償狀態(tài)，自動裝置馬上切除電容器組，這時系統(tǒng)又回到S1點處，這樣系統(tǒng)投切重復往返，形成“投切振蕩”。這種振蕩對電容器、TSC投切裝置的壽命及電網(wǎng)電壓質量產生不良影響。

圖1 功率因數(shù)控制方式穩(wěn)定性

其二缺點是當負荷很重時，功率因數(shù)或功率因數(shù)角的微小變化能引起無功補償量需求的巨大變化。若系統(tǒng)采樣數(shù)據(jù)A/D轉換的精度不高，或采樣時間間隔不準確，則計算出的功率因數(shù)波動較大，從而可能導致電容器組的頻繁誤投切。

無功功率控制方式就是直接把系統(tǒng)的無功作為被控物理量來控制電容器組的投切。它的控制原理是根據(jù)檢測到的電網(wǎng)電壓、電流、功率因數(shù)，計算出應投入的電容容量，在電容器分組方式中選出最接近補償量但不會發(fā)生過補償?shù)囊唤M電容器投切，投切一次到位。若計算值小于最小一組電容器的容量，則系統(tǒng)應保持原補償狀態(tài)不變。只有當所需容量大于或等于下限値時，才執(zhí)行相應的投切。

采用無功功率補償方式在設置補償范圍時，應合理設置補償目標上下限，即上下限的范圍應大于基本電容器組的容量。若設置不當將會產生“投切振蕩”。如圖2（a）所示，電網(wǎng)實際無功缺額在切區(qū)S1處，系統(tǒng)指令切除一組電容器后，電網(wǎng)實際無功缺額落在投區(qū)S2處，隨即系統(tǒng)又投入一組電容器，這樣循環(huán)往復，形成投切振蕩。圖2（b）所示電網(wǎng)從切區(qū)S1處切除一組電容器后落在穩(wěn)定區(qū)S2點處，則系統(tǒng)不再發(fā)生投切振蕩。

（a） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （b）

圖2 無功功率補償上下限設置示意圖

2 TSC綜合控制方式及其策略

對單一物理量進行控制，有其不足之處。如把功率因數(shù)作為投切電容器的唯一判據(jù)，不能滿足實際電網(wǎng)運行的需要，當負荷低谷時，有功功率和無功功率都很小，功率因數(shù)也很低，常有投切振蕩發(fā)生，影響設備的安全使用壽命。

若系統(tǒng)以某一物理量作為控制主判據(jù)，另一物理量作為輔助判據(jù)，實現(xiàn)多變量的綜合控制。如按功率因數(shù)控制，電壓校正;按無功電流控制，電壓校正;按無功功率控制，電壓校正;按時間控制，按負荷無功校正;按電壓控制，按負荷無功校正等。

3 “九域圖法 ”控制策略

現(xiàn)階段多參量綜合控制通常以無功功率為基礎電網(wǎng)電壓上限値和負載電流下限値作為控制電容器組投切的約束條件，實現(xiàn)電容器組的智能綜合控制。

“九域圖法 ”以控制器接入側電壓為主要控制目標，以無功功率（或功率因數(shù)）為參考條件，通過界定電壓和無功功率的上下限，將平面分為九個區(qū)，規(guī)定不同區(qū)域內的控制方式，實現(xiàn)對電容器組和主變分接開關的聯(lián)合控制。目前在線運行的電壓無功綜合控制裝置大多基于此法。

圖 3 投切區(qū)間圖

“九域圖法 ”如圖 3所示，根據(jù)電壓、無功功率兩個物理量作為判據(jù)預置電壓上下限値和無功功率的上下限値，便得到投切區(qū)間圖。其中 2b、4b 為防止投切振蕩區(qū)，其寬度由投切一組電容器負荷側相電壓的變化量決定。當實測無功功率、電壓處于控制區(qū)間的某一區(qū)域時，可以實施不同的控制策略，在保證不出現(xiàn)過補、欠補、過壓、欠壓的情況下，可以一次投切多組電容器，各區(qū)間動作情況如下：

1 區(qū)：欠壓區(qū)，強投電容，使電壓升高到合格區(qū);

2a 區(qū)：無功欠補償，需投入電容器;

2b 區(qū)：防止投切振蕩，不動作或投入小容量分補電容器;

3 區(qū)：電壓越過上限値，切除電容器;

4a 區(qū)：無功過補償，切除電容器;

4b 區(qū)：防止切除電容器后振蕩，不動作或切除小容量分補電容器;

5 區(qū)：電網(wǎng)無功功率及電網(wǎng)電壓値處于合理區(qū)間，不動作。

如果用電設備本身沒有防諧波措施或不具備較強的抗諧波干擾的能力，有可能造成已安裝無功自動補償控制器的用戶不能進行電容器組的正常投切，嚴重時會造成設備的損壞。因此把電壓和電流的畸變度作為投切電容器組的另一判據(jù)，在投切前檢測電壓和電流的諧波程度，若超過額定限制，則閉鎖系統(tǒng)，從而避免諧波對設備的危害。

4 結束語

總之，對于配電系統(tǒng)來說，為數(shù)眾多的異步電動機、變壓器等設備要消耗大量的無功功率，對配電網(wǎng)絡的安全穩(wěn)定運行產生不良影響。保持電力系統(tǒng)的平衡，解決配電系統(tǒng)功率因數(shù)低的有效途徑就是對配電系統(tǒng)進行無功補償，提高功率因數(shù)。

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[責任編輯：楊玉潔]