低壓無功補(bǔ)償技術(shù)概述

廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山供電局 張 寧

國網(wǎng)吉林省電力有限公司培訓(xùn)中心 張 遠(yuǎn) 王 佳

0.引言

隨著工業(yè)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，非線性負(fù)載大量接入電力系統(tǒng)，使得諧波電流、無功功率增加，給電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)平衡性能帶來了嚴(yán)重影響。如何補(bǔ)償無功功率、抑制非線性諧波，是當(dāng)今電力行業(yè)亟待解決的重大問題。

無功功率的平衡能夠提高功率因數(shù)、增加輸電能力、減少線路損耗、提高電壓穩(wěn)定性、保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定可靠運(yùn)行。如果無功功率不能及時(shí)補(bǔ)償，就需要線路和變壓器增大容量，這就增大了線損、降低了供電效率。因此，目前廣泛采用的方法是在消耗無功處產(chǎn)生無功功率，即無功功率就地補(bǔ)償。

1.無功補(bǔ)償技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

無功補(bǔ)償技術(shù)實(shí)現(xiàn)原理是將容性功率設(shè)備與感性功率裝置并聯(lián)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，將容性設(shè)備發(fā)出的無功補(bǔ)償感性負(fù)荷所需無功。近年來，無功補(bǔ)償裝置不斷發(fā)展前進(jìn)，從同步調(diào)相機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)等機(jī)械旋轉(zhuǎn)無功功率補(bǔ)償裝置，到并聯(lián)電容器、晶閘管控制電抗器（Thyristor Controlled Capacitor，TCR）、晶閘管投切電容器（Thyristor Switching Capacitor，TSC）等靜止無功補(bǔ)償裝置（Static Var Compensator，SVC），再到有源電力濾波器（Active Power Filter，APF）+SVC等混合型有源電力濾波器（Hybrid Active Power Filter，HAPF）和配電網(wǎng)靜止同步補(bǔ)償器（Static Synchronous Compensator，STATCOM）等新型無功補(bǔ)償裝置，無功補(bǔ)償技術(shù)不斷向前發(fā)展。

（1）傳統(tǒng)裝置補(bǔ)償方式

同步調(diào)相機(jī)的工作原理是通過勵(lì)磁狀態(tài)，向電網(wǎng)提供感性無功功率。此方法的優(yōu)點(diǎn)是能為電網(wǎng)提供一定電壓支撐，缺點(diǎn)是勵(lì)磁電流較大、損耗較大、發(fā)熱較嚴(yán)重、維護(hù)較復(fù)雜，調(diào)相機(jī)目前很少使用。

同步電動(dòng)機(jī)擅長于提高配電網(wǎng)功率因數(shù)，無功調(diào)節(jié)連續(xù)平滑，可以有針對性的平衡大型感性裝置的擾動(dòng)，但投資高、維護(hù)復(fù)雜。

早期的并聯(lián)電容器補(bǔ)償無功功率的方法能夠直接提供感性負(fù)載消耗的無功功率，降低線路的電能損耗，但不適用于無功功率負(fù)載變化的環(huán)境，容易引發(fā)諧振。

（2）靜止無功補(bǔ)償器SVC裝置

SVC通過電力電子器件，調(diào)節(jié)輸出感性電流或容性電流進(jìn)行動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償。典型代表包括TCR和TSC。TCR是感性電抗無級調(diào)節(jié)的晶閘管控制電感，能夠在90度～180度之間改變觸發(fā)角，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償容量的變化。TSC在雙向晶閘管導(dǎo)通時(shí)發(fā)出容性無功，限流電抗器除了可以限制涌流之外，還可以控制部分諧振[7]。TSC分為帶和不帶電抗器2種方式，帶電抗器有一定的抑制諧波的功能。與同步調(diào)相機(jī)相比，SVC取消了旋轉(zhuǎn)部件，運(yùn)行維護(hù)簡單。具有連續(xù)平滑調(diào)節(jié)、響應(yīng)速度快、效率高、自動(dòng)化程度較高等優(yōu)勢；但缺點(diǎn)是本身產(chǎn)生諧波。

（3）HAPF和STATCOM

有源無功補(bǔ)償就是通過實(shí)時(shí)檢測非線性負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流，將大小相等方向相反的補(bǔ)償電流注入系統(tǒng)，完成諧波消除。該方法成本高，一般將動(dòng)態(tài)濾波與無功補(bǔ)償裝置結(jié)合使用。

隨著有源無功補(bǔ)償和諧波抑制技術(shù)的提升，混合型有源電力濾波器（HAPF）綜合了無源電力濾波器（Passive Power Filter，PPF）成本較低以及有源電力濾波器（APF）能夠快速平滑實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償，并能夠抑制諧波的特點(diǎn)。而且降低了無源元件與電網(wǎng)阻抗間發(fā)生振蕩的概率。

STATCOM是智能型無功補(bǔ)償裝置，由全控電力電子元器件構(gòu)成，能夠發(fā)出感性電流或容性電流，并具有一定的控制策略以調(diào)控電力系統(tǒng)，是一種動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置。若輸入端接入電源，輸出端發(fā)出或吸收有功功率、無功功率。不僅能夠補(bǔ)償無功功率、穩(wěn)定電壓，還能兼顧諧波補(bǔ)償和三相負(fù)載不平衡補(bǔ)償。與傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償裝置相比，STATCOM具有精度高、可靠性好、調(diào)控速度快、諧波小等優(yōu)勢。STATCOM元件比SVC中更小，進(jìn)而使得裝置成本降低、體積大大縮小。

隨著無功補(bǔ)償和智能電網(wǎng)的研究發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)通信傳輸調(diào)節(jié)無功補(bǔ)償、人機(jī)優(yōu)化操作、芯片集成、控制策略綜合多樣等無功功率補(bǔ)償技術(shù)層出不窮，對提高系統(tǒng)電能質(zhì)量、保障安全穩(wěn)定運(yùn)行起著重要作用。

2.低壓無功補(bǔ)償技術(shù)

目前，雖然HAPF和STATCOM發(fā)展迅速，但是高性能的數(shù)字控制器、電力電子器件等關(guān)鍵元件的成本依然高居不下，應(yīng)用并不普及。在低壓配電網(wǎng)無功補(bǔ)償場合，仍然以TSC為代表的無功補(bǔ)償裝置為主。

2.1 并聯(lián)電容器補(bǔ)償無功原理

并聯(lián)電容器與晶閘管等電容器投切開關(guān)、電容器組合，形成可變的超前無功功率，為系統(tǒng)中異步電動(dòng)機(jī)、變壓器等阻感負(fù)載提供動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償。阻性電力負(fù)載設(shè)備可等效為電阻R與電感L的單相串聯(lián)電路，即阻感負(fù)載RL，此時(shí)的功率因數(shù)為：

2.2 主回路接線

由于星形、三角形電容器接線方式的不同、投切開關(guān)位置的差別等，使得低壓無功補(bǔ)償裝置的主回路具有多種接線方式。

當(dāng)系統(tǒng)中有較大的諧波電流時(shí)，大電流流經(jīng)電容器，嚴(yán)重的話會(huì)燒毀電容器。為防止上述情況發(fā)生，可以在電容器上串聯(lián)具有濾波功能的電抗器，接線方式如圖1、2所示。

圖1 帶電抗器三相共補(bǔ)主回路接線方式

圖2 帶電抗器三相分補(bǔ)主回路接線方式

2.3 國標(biāo)中低壓無功補(bǔ)償規(guī)定

針對額定交流電壓小于等于1000V、頻率小于1000HZ條件下的低壓無功補(bǔ)償裝置，國標(biāo)對其技術(shù)和試驗(yàn)要求作出了詳細(xì)規(guī)定，為設(shè)計(jì)低壓無功功率補(bǔ)償裝置提供依據(jù)。規(guī)定的要點(diǎn)如下：

（1）裝置分類

根據(jù)安裝部位可分為：集中補(bǔ)償、分組補(bǔ)償、末端補(bǔ)償；根據(jù)補(bǔ)償相數(shù)可分為：單相補(bǔ)償、三相補(bǔ)償、混合補(bǔ)償?shù)取?/p>

（2）技術(shù)要求

過壓、過流、過溫保護(hù)：并聯(lián)電容器在運(yùn)行過程中應(yīng)設(shè)置過壓、過流和過溫保護(hù)，防止并聯(lián)電容器在運(yùn)行過程中，電壓、電流和溫度超過規(guī)定值，發(fā)生故障或降低使用壽命。同時(shí)該保護(hù)要確保故障切除準(zhǔn)確，防止多次投切發(fā)生事故。

涌流抑制：利用半導(dǎo)體電子開關(guān)、符合投切電容器開關(guān)、機(jī)電開關(guān)等措施，限制電容器投入的瞬間產(chǎn)生的涌流。

對于具備抑制諧波或?yàn)V波功能的無功補(bǔ)償裝置：根據(jù)國標(biāo)中關(guān)于公用電網(wǎng)諧波電流允許值的規(guī)定，應(yīng)與用戶協(xié)商無功補(bǔ)償裝置的技術(shù)參數(shù)，滿足不同場合用戶的需求。電力系統(tǒng)規(guī)定的諧波電流值如表1所示。

表1 諧波電流允許值

3.總結(jié)

本文首先簡要介紹了電力系統(tǒng)中無功功率補(bǔ)償?shù)南嚓P(guān)概念和無功功率補(bǔ)償?shù)闹匾裕信e了無功功率補(bǔ)償方法的相關(guān)背景和發(fā)展現(xiàn)狀，然后詳細(xì)梳理了無功補(bǔ)償裝置的發(fā)展歷程，并概述了多種無功補(bǔ)償裝置的原理。最后詳細(xì)分析了低壓無功功率補(bǔ)償技術(shù)的原理及國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。通過本文的介紹，對無功功率補(bǔ)償裝置有了系統(tǒng)的了解，為進(jìn)一步研發(fā)改進(jìn)無功補(bǔ)償裝置奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1]朱桂萍,王樹民．電能質(zhì)量控制技術(shù)綜述[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2002,26(19)∶28-31．

[2]王兆安,楊軍,劉進(jìn)軍等．諧波抑制和無功功率補(bǔ)償[M]．第二版．機(jī)械工業(yè)出版社,2006．

[3]李勇,程漢湘,方偉明等．無功補(bǔ)償裝置在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用綜述[J]．廣東電力,2016,29(6)∶87-92．