淺談無功補償設計與裝置

李連尉 程宣瑋 李漢孟

摘 要：無功補償裝置因其自身優(yōu)點被越來越多的變電站工程項目應用。本文將對無功補償設計進行研究，并重點從無功補償電容器和無功補償發(fā)生器兩方面對無功補償裝置進行論述。

關鍵詞：無功補償;電容器;諧波

無功補償裝置能夠有效提升變電站的功率因數(shù)，并消除諧波，革新舊有的調節(jié)方式。這使其成為提升供電質量的優(yōu)質選擇，在越來越多的變電站建設工程中被推廣應用。

1 無功補償設計

無功補償應采用分區(qū)和分層補償?shù)姆椒ㄟM行有效平衡，防止無功電力出現(xiàn)越級傳輸和長途輸送的問題;其中，分區(qū)為分地區(qū)，分層為按電壓等級分層。依照中華人民共和國能源部1989年發(fā)布的《電力系統(tǒng)電壓和無功電力技術到則》，應依照以下原則進行無功補償和電壓調節(jié)：集中補償和分散補償相結合;用戶補償和電力補償相結合;總體平衡和局部平衡相結合;電壓調節(jié)和降低損耗相結合，以降損為主。其中的集中補償和分散補償相結合原則以分散補償為主，集中補償是集中將大容量的補償電容器安裝設置在變電所;分散補償在配電電壓器、用戶電力設備和配電線路較為分散的負荷取區(qū)域進行無功補償。集中補償通過集中補償主變壓器的損耗，降低其輸電線路上的無功電力，減少供電網絡的無功。

無功補償設計具體需遵循以下兩個原則：以220kV變電站的無功補償設計為例。

其一，無功補償設計應秉承著最大容性無功量原則，針對變電站初始負荷極限值所產生的功率進行細致分析，由此保證變電站獲得無功補償。通常情況下，經過無功補償后，變電站輸電線路將呈現(xiàn)較為顯著的經濟性特征。根據相關數(shù)據可知：當輸電線路的電能輸送距離低于100km時，功率因素可確定為0.92，而在達到200km時，功率因素可選取096，這樣才能實現(xiàn)無功補償?shù)暮侠砘O計。

其二，輕載容性無功補償，在這種原則的驅使下，變電站負荷屬于輕載負荷，此時理應明確變電站處于輕載負荷狀態(tài)下所形成的功率因數(shù)，之后再根據有功功率計算出變電站實際運行最低負荷，若無法通過計算得到準確結果，可將20%極限負荷值當成最低負荷值，最終可結合變電站負荷得出輕載容性無功設計容量。

其中在計算變電站負荷時，為了得到可靠的無功補償設計容量，還應保證變電站負荷數(shù)據的真實性。一般在無功補償設計環(huán)節(jié)，可根據下述標準對其設計容量加以預估：針對500kV變電站，其設計容量應為10%或20%主變容量，而220kV變電站應取10%到25%范圍內的主變容量，由此可知曉無功補償設計容量，也能為后續(xù)無功補償裝置正常運行提供重要參考依據。

2 無功補償裝置

2.1 無功補償電容器

當前，我國無功補償電容器的應用廣泛。補償無功功率的傳統(tǒng)方法為設置無功補償電容器。并聯(lián)無功電容補償器的優(yōu)勢明顯，其維護簡便，結構簡單，成本低廉。當連接電容C時，經過電感L的電流為IL，經過電阻R的電流為IR，電源產生的電流為I1，此時功率因數(shù)為cosφ1，其相位角為φ1。若并聯(lián)電容器C同負載或電源設備相連（并聯(lián)），則負載或電源設備的無功功率或將全部來自并聯(lián)電容器，其負載由并聯(lián)電容器消耗的感性無功功率補償[1]。當接入電容C后，由于電感電流IL同電容電流IC的方向相反，電源提供的電流從I1變?yōu)镮2，相角由φ1變?yōu)棣?，其功率因數(shù)從cosφ1提升為cosφ2。由于并聯(lián)電容器成本低廉、安裝簡便、原理簡單，目前大多數(shù)變電站都使用10kV、35kV和66kV等級的并聯(lián)電容器。并聯(lián)電容器只能供給固定容量的無功，其裝置體積與無功補償容量正相關。并聯(lián)電容器作為無功補償裝置，借助斷路器將電容器與電網相連，在當前配電網絡中得到了最為廣泛的應用。電容器產生的感性電流落后電網電壓的數(shù)值與容性電流超過電網電壓的數(shù)值相同，同時電網中的負荷為感性，感性電流同容性電流相互抵消，實現(xiàn)無功補償。為防止浪涌電流時的電容輸入，在反應器的一段設置容量一定的電容器以減弱開關過電電流和開關電壓的影響。無功補償電容器容易受到電網和電網諧波的影響，其原因可能是電感的諧振放大諧波產生過電電壓。

2.2 無功靜止發(fā)生器

將SVC動態(tài)高壓無功補償裝置接入系統(tǒng)中，通過補償電抗器的電流影響補償電抗器產生感性無功的大小，電容器產生固定的容性無功QC，容性無功和感性相抵消，只要實現(xiàn)QN=QV-QC+QTCR=0，能夠實現(xiàn)電壓波動、電網功率因數(shù)為常數(shù)。關鍵在于準確把控晶閘管的出發(fā)，確保得到補償電流。收集電壓無功電流價值，設置恒定無功功率值，無功功率的綜合值，觸發(fā)角的數(shù)值，計算晶流過晶閘管的電流值。采用STEINMETS理論階段性調整不對稱負載，實現(xiàn)三相電網平衡。

將電抗器和兩個反并聯(lián)的晶閘管串聯(lián)形成TCR。若晶閘管的控制角α處于90°至180°時，晶閘管的受控導通。以基礎網絡電壓不變?yōu)榛A，加強相應控制，則角度將變少，以此減弱無功功率設備的感性。以上每條變化曲線表示TCR在特定角度下的伏安特性。SVC（靜止無功補償）裝置主要分為三種，晶閘管投切電容器型、晶閘管相控電抗器和晶閘管相控電抗器和晶閘管投切電容器混合型。晶閘管投切電容器型依照負載感性變化。在系統(tǒng)的實際運行過程中，各電容器連接相應的阻尼反應堆，減弱晶閘管電流的影響，防止出現(xiàn)共振和系統(tǒng)阻抗的現(xiàn)象。電容器組可控硅的優(yōu)勢在于電容器數(shù)值為零電流和諧波電流，因此不會產生諧波。由于TSC在運轉過程中不會產生諧波且損耗較少，其在電力系統(tǒng)的應用較為廣泛。TCR的晶閘管觸發(fā)角波動范圍為90°到180°[2]。若擴大觸發(fā)角，則TCR的等效納變大，進而減少其基波分量;同時，電抗器電路由額定值向零值進行變動。因此借助觸發(fā)角的變動更改TCR吸收的無功分量，以達到無功補償?shù)男Ч?。SVC由TCR與固定電容器（FC）并聯(lián)而成，其運轉可靠性強，能夠調節(jié)無功功率，具備成熟的分相控制技術，應用范圍廣，成本低廉。這種類型的靜止無功補償裝置的應用最為廣泛，各地配電網絡總是采用這種形式?；旌闲偷幕驹頌?，向對應的電容器組供電，并提供少量補償，進而使系統(tǒng)電壓達到預期水平。但是，此類型反應速度慢，感知條件會產生諧波缺陷。

2.3 無功補償控制器

目前，許多電力系統(tǒng)在實際運行期間都會產生無功功率，由此造成功率因數(shù)下降，不利于提供高質量供電服務。對此，為了實現(xiàn)無功補償，應在設計無功補償裝置時應用無功補償控制器，通過有效把控電容器切入情況達到最優(yōu)化無功補償效果。

具體包括以下是四個部分：

第一，采集信號，在信號采集階段，應先行通過互感器進行信號轉化，使其成為高速供電信號，這樣才能在無功補償控制器的支持下實現(xiàn)良好的無功補償。其中在每個信號輸入通道中都設有16為信號寄存裝置，并按照100000次/s的轉換率保證采集信號傳遞足夠及時。

第二，同步采樣，當采集信號經過濾波處理后將產生同步方波，此時可對其進行時間間隔的調整，以此掌握電力信號的采集規(guī)律，并且實現(xiàn)同步采樣，以免形成頻譜，引發(fā)無功補償無效現(xiàn)象。

第三，驅動器件，在無功補償控制器中所采用的驅動器件是指線性光耦，通過該驅動器件可在觸發(fā)電平情況下實現(xiàn)電能的順利輸送，這種方法能夠幫助電力企業(yè)節(jié)約一定投入成本，且操作簡單。

第四，通信技術，無功補償控制器作為無功補償裝置設計過程中的重要部分，它還應當應用通信技術實現(xiàn)數(shù)據實時傳輸。以RS-485端口為例，在通信技術實際應用期間可保證1219m范圍內的電力數(shù)據得到有效傳遞，故而值得在無功補償控制器中積極應用。

2.4 智能空心電抗器

空心電抗器的應用較為普遍，但就目前實際情況來看，空氣電抗器散熱性仍有待加強。為了保證無功補償裝置免受電源監(jiān)測不到位的侵擾，可在原有空心電抗器基礎上提高智能化水平，促使電力系統(tǒng)在運行期間獲得良好的繼電保護。其中應針對空心電抗器實施直流電供應，這樣可隨時觀測到電源數(shù)據變化情況。從空心電抗器中可知曉：該裝置存在多個電磁體，可通過電磁體的電磁感應對空心電抗器性能加以優(yōu)化，這樣才能促使無功補償裝置在空心電抗器協(xié)助下發(fā)揮出真正的無功補償效用。

具體方法如下：

（1）消除電磁干擾。一般情況下，可將鐵芯變換成“X”形狀，但由于空心電抗器中并沒有鐵芯，故而可采用調整鐵磁材料擺位的方式，保證空心電抗器能夠獲得穩(wěn)定的電源供應，由此促使無功補償裝置具有較強的抗干擾性。

（2）安裝智能溫控系統(tǒng)，空心電抗器要想在無功補償裝置設計期間展現(xiàn)出真正的價值，還應依據智能溫控系統(tǒng)針對空心電抗器產生的溫度變化值予以監(jiān)控，一旦超溫將立即發(fā)出預警，以免燒毀器件，影響無功補償裝置的正常使用效果。

2.5 自動補償系統(tǒng)

在無功補償裝置設計期間應借助自動補償系統(tǒng)增強該裝置實用性，以免影響供電質量。其中應從軟件與硬件設施兩部分著手：

其一，其中軟件設施可通過安裝主控程序對三相電壓信號予以控制，并且還應設有人機交互界面，保證電力信號的順利轉換。同時，還應設置信號識別模塊，進而增加信號傳遞的精準度。此外，還應在無功補償裝置中放置自帶定時功能的芯片，可對自動補償系統(tǒng)的運行性能起到強化作用，實現(xiàn)無功補償裝置的自動化控制。

其二，在硬件設施部分，設計者可選用與自動補償系統(tǒng)對應的控制器，并通過編程操控的方式保證無功補償裝置在信號采集等多個模塊精準控制電力信號。當電容較大時，可通過分時通斷法對直流電流進行合理轉換，促使電網運行期間能夠及時消除諧波，實現(xiàn)無功補償。只有無功功率得到有效處理，才能促進電網運行的高質量發(fā)展，為人們帶來優(yōu)質用電體驗。

3 結語

綜上所述，無功補償設計和無功補償裝置包含的無功補償電容器和無功靜止發(fā)生器能夠有效提升變電站的功率因數(shù)，并消除諧波，更改原有的調節(jié)方式。通過對無功補償設計與裝置的研究能夠更好地促進配電網絡的發(fā)展。

參考文獻：

[1]毛海龍.SVC自動無功補償系統(tǒng)裝置的設計[J].機械管理開發(fā)，2020，35，01：54-55+93.

[2]高三策.SVG無功補償裝置的設計與實現(xiàn)[D].東北農業(yè)大學，2019.