無(wú)功補(bǔ)償自動(dòng)控制中電力電子技術(shù)的運(yùn)用

摘要：在電力系統(tǒng)應(yīng)用中，使用無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)能夠顯著提高供電效率、降低用電損耗。在一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜、規(guī)模較大的電力系統(tǒng)中，推廣使用無(wú)功補(bǔ)償自動(dòng)控制裝置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行功耗的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并利用機(jī)械式接觸器、無(wú)觸點(diǎn)晶閘管等電力電子設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓、電流以及投切方式的靈活調(diào)控，在保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，將電能消耗降至最低。本文首先介紹了電力系統(tǒng)中常見的幾種無(wú)功補(bǔ)償自動(dòng)控制裝置，如無(wú)功補(bǔ)償同步調(diào)相機(jī)、靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置、無(wú)功補(bǔ)償電力容器等。隨后概述了利用無(wú)觸點(diǎn)晶閘管、復(fù)合開關(guān)等電力電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償自動(dòng)控制的方式，為更好發(fā)揮無(wú)功補(bǔ)償實(shí)用效果提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：無(wú)功補(bǔ)償;電力電子技術(shù);無(wú)觸點(diǎn)晶閘管;復(fù)合開關(guān)

根據(jù)電能做功形式的不同，將電網(wǎng)輸出功率分為兩種：電能轉(zhuǎn)化為熱能、機(jī)械能并直接做功的，屬于有功功率;電能轉(zhuǎn)化后無(wú)法直接做功的，屬于無(wú)功功率。如果電網(wǎng)的無(wú)功功率太大，除了會(huì)造成電能的浪費(fèi)外，還會(huì)對(duì)電網(wǎng)中各類電氣設(shè)備造成損害，縮短其壽命。因此，必須要采取措施進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償。將電力電子技術(shù)與無(wú)功補(bǔ)償裝置相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行工況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并結(jié)合無(wú)功功率的大小自動(dòng)確定最佳補(bǔ)償狀態(tài)，使電力系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性達(dá)到最佳。在這一背景下，探究電力電子技術(shù)在無(wú)功補(bǔ)償自動(dòng)控制中的應(yīng)用策略，對(duì)進(jìn)一步提高無(wú)功補(bǔ)償效果、改善供電環(huán)境有積極幫助。

1.電力系統(tǒng)中無(wú)功補(bǔ)償自動(dòng)控制裝置

在電力系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，受到變壓器載荷變化、供電電壓波動(dòng)等因素的影響，無(wú)功功率也會(huì)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)變化。為了取得最佳的無(wú)功補(bǔ)償效果，切實(shí)降低無(wú)功功率對(duì)電力系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)、輸變電設(shè)備和線路的負(fù)面影響，必須要借助于自動(dòng)控制裝置，實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖詣?dòng)化。其中，像靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置、無(wú)功補(bǔ)償電力容器等，都是比較常用的無(wú)功補(bǔ)償自動(dòng)控制裝置。

1.1無(wú)功補(bǔ)償同步調(diào)相機(jī)

同步調(diào)相機(jī)本質(zhì)上是一種可以同步旋轉(zhuǎn)的發(fā)電機(jī)。接入電力系統(tǒng)并正常運(yùn)行的同步調(diào)相機(jī)，能夠在監(jiān)測(cè)到電力系統(tǒng)中電壓降低時(shí)，自動(dòng)增加無(wú)功輸出功率;同樣的，在監(jiān)測(cè)到電力系統(tǒng)的電壓升高時(shí)，又能吸收無(wú)功輸出功率。提供靈活的無(wú)功補(bǔ)償，以維持電壓始終處于相對(duì)恒定的狀態(tài)，達(dá)到保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的效果。除此之外，相比于常規(guī)的無(wú)功補(bǔ)償裝置，同步調(diào)相機(jī)也有自己的特殊優(yōu)勢(shì)。例如補(bǔ)償范圍廣、跟蹤速度快、電壓調(diào)整平滑等。在一些裝機(jī)容量超過(guò)10MVA的變電站、換流站，同步調(diào)相機(jī)的應(yīng)用效果良好。當(dāng)然，同步調(diào)相機(jī)也存在缺陷，例如結(jié)構(gòu)組成較為復(fù)雜，后期運(yùn)行維護(hù)難度較大。近年來(lái)，隨著SVC（靜止無(wú)功補(bǔ)償器）的大范圍推廣，同步調(diào)相機(jī)逐步被取代。

1.2靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置

作為現(xiàn)階段主流的無(wú)功補(bǔ)償自動(dòng)控制裝置，靜止無(wú)功補(bǔ)償器在各類電力系統(tǒng)中均有使用，既可以用于無(wú)功補(bǔ)償，也能提供電壓補(bǔ)償。除了穩(wěn)定電力系統(tǒng)的電壓外，安裝靜止無(wú)功補(bǔ)償器還會(huì)具有提高系統(tǒng)阻尼與維護(hù)暫態(tài)穩(wěn)定等特殊效用。根據(jù)電抗器調(diào)節(jié)方式的不同，具體又可以分為三種類型，即可控飽和電抗器型、自飽和電抗器型、相控電抗器型。相比于常規(guī)的電力容器，靜止無(wú)功補(bǔ)償器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)為：第一，調(diào)節(jié)速度快，尤其是在電力系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重的欠電壓或過(guò)電壓時(shí)，幾乎可以做到即時(shí)響應(yīng)、立刻動(dòng)作，提供無(wú)功補(bǔ)償使電壓盡快恢復(fù)至正常水平，從而減少對(duì)電力設(shè)備的損害;第二，組成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，后期維護(hù)難度低。靜止無(wú)功補(bǔ)償器內(nèi)部沒有旋轉(zhuǎn)部件，因此故障率和維護(hù)成本較低。此外，該裝置也有一定的缺陷，例如在無(wú)功補(bǔ)償過(guò)程中有可能產(chǎn)生諧波，需要在電力系統(tǒng)中額外采取諧波抑制措施，否則可能會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)造成污染。

1.3無(wú)功補(bǔ)償電力容器

電力補(bǔ)償電容器是一種較早應(yīng)用于無(wú)功補(bǔ)償?shù)难b置，但是隨著電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化、電力設(shè)備種類的多樣化，電力補(bǔ)償電容器的應(yīng)用弊端也變得較為明顯。例如，該裝置不支持持續(xù)性調(diào)節(jié)，因此補(bǔ)償效率不高;還有就是電力補(bǔ)償電容器只支持交流接觸器投切，頻繁投切會(huì)加速觸頭振動(dòng)、發(fā)生起弧現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致無(wú)功補(bǔ)償裝置被燒毀，增加了維護(hù)成本。隨著電力電子技術(shù)的成熟發(fā)展，近年來(lái)智能無(wú)功補(bǔ)償電容器開始得到推廣使用。該裝置集合了現(xiàn)代測(cè)控、電力電子、人工智能等若干先進(jìn)技術(shù)，具有體積小巧、功耗更低、補(bǔ)償效果更好、檢修維護(hù)方便等一系列優(yōu)勢(shì)。相比于常規(guī)的電力補(bǔ)償電容器，新一代的智能無(wú)功補(bǔ)償電容器工作環(huán)境溫度范圍擴(kuò)大至-25～55℃;測(cè)量精度方面，電壓、電流測(cè)量精度≤0.5%，功率因數(shù)測(cè)量精度≤±0.01;工作期間電壓總畸變≤5%。

2.無(wú)功補(bǔ)償自動(dòng)控制中電力電子技術(shù)的應(yīng)用

2.1利用機(jī)械式接觸器實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償自動(dòng)控制

在電力系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償自動(dòng)控制，需要將無(wú)功補(bǔ)償裝置與開關(guān)設(shè)備以并聯(lián)形式連接。由于電流輸入裝置的初始電壓為零，當(dāng)無(wú)功補(bǔ)償裝置動(dòng)作、控制開關(guān)閉合時(shí)，電力系統(tǒng)中的電壓會(huì)快速升高，電網(wǎng)中涌入瞬時(shí)大電流。這種電流會(huì)增加電力設(shè)備的運(yùn)行負(fù)載，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致電力設(shè)備被燒壞。為了保護(hù)電力系統(tǒng)中的各類電器元件，必須要安裝機(jī)械式接觸器。該裝置有鐵芯、彈簧、線圈等組成，當(dāng)監(jiān)測(cè)到電力系統(tǒng)中電壓過(guò)快升高時(shí)，機(jī)械式接觸器的鐵芯通電，并在電磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生磁力、吸合線圈，電路中電阻增大，達(dá)到降低瞬時(shí)大電流沖擊影響，進(jìn)而穩(wěn)定電壓、降低能耗的效果。另外，機(jī)械式接觸器還可以抑制電容器投切時(shí)產(chǎn)生的涌流，保護(hù)電路系統(tǒng)中的開關(guān)、互感器等設(shè)備不受損害，保證了無(wú)功補(bǔ)償自動(dòng)控制功能的實(shí)現(xiàn)。

2.2利用無(wú)觸點(diǎn)晶閘管實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償自動(dòng)控制

在一些投入使用年限較長(zhǎng)的無(wú)功補(bǔ)償電容器中，長(zhǎng)期、頻繁地合閘會(huì)導(dǎo)致接觸器的觸頭處保護(hù)層脫落，即便是合閘以后也無(wú)法正常發(fā)揮調(diào)解電壓的效果，此時(shí)電容器中產(chǎn)生較大的涌流，導(dǎo)致電容器發(fā)生故障。要想避免此類問題，一種方法是定期檢查接觸器的觸頭，如果發(fā)現(xiàn)有損壞要立即更換。另一種方法則是借助于電力電子技術(shù)，把無(wú)觸點(diǎn)晶閘管安裝到電力系統(tǒng)中，與無(wú)功補(bǔ)償自動(dòng)控制裝置并聯(lián)。在監(jiān)測(cè)到無(wú)功補(bǔ)償電容器的運(yùn)行電壓超過(guò)或低于正常范圍時(shí)，自動(dòng)投切進(jìn)行電壓調(diào)節(jié);如果電容器的電壓為零，則無(wú)觸點(diǎn)晶閘管斷開，形成斷路。這樣就防止在電容器合閘時(shí)出現(xiàn)涌流、燒毀裝置的情況。需要注意的是，無(wú)觸點(diǎn)晶閘管投入使用后，自身也會(huì)產(chǎn)生一定的諧波電流，進(jìn)而因?yàn)殡娏鳠嵝?yīng)引起電力設(shè)備升溫，因此還應(yīng)配備排風(fēng)扇加快熱量散失，保護(hù)電力設(shè)備。

2.3利用復(fù)合開關(guān)實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償自動(dòng)控制

基于電力電子技術(shù)的復(fù)合開關(guān)，使用微機(jī)控制，可以在電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償自動(dòng)控制中，自動(dòng)尋找最佳投切點(diǎn)，以更快的速度完成電壓調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償目的。在應(yīng)用效果上，復(fù)合開關(guān)與無(wú)觸點(diǎn)晶閘管有較高的相似性，此外還具有特定的優(yōu)勢(shì)：（1）復(fù)合開關(guān)在無(wú)功補(bǔ)償自動(dòng)控制中，不會(huì)產(chǎn)生諧波電流，從而避免了因?yàn)榘l(fā)熱而導(dǎo)致電力設(shè)備燒毀的情況。同樣的，不需要在電力系統(tǒng)中額外安裝散熱裝置，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，后期維護(hù)方便。（2）可提供多重保護(hù)功能，例如電壓缺相保護(hù)、欠壓保護(hù)、自診斷故障保護(hù)等。微機(jī)在實(shí)時(shí)采集電力系統(tǒng)中各類元件運(yùn)行參數(shù)的基礎(chǔ)上，判斷有無(wú)異常數(shù)據(jù)。若發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)并判斷故障類型后，復(fù)合開關(guān)拒絕閉合或自動(dòng)斷開，從而保護(hù)電力系統(tǒng)。除此之外，復(fù)合開關(guān)的使用壽命更長(zhǎng)，功耗更低，在很多場(chǎng)合下可代替無(wú)觸點(diǎn)晶閘管使用。

結(jié)語(yǔ)：在電網(wǎng)覆蓋范圍增加、電力設(shè)備數(shù)量增多的背景下，電力系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中無(wú)功功率也呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，造成了電能的浪費(fèi)，影響供電的質(zhì)量。因此，電力企業(yè)必須要采取無(wú)功補(bǔ)償措施來(lái)增加電網(wǎng)運(yùn)行功率、改善電能質(zhì)量，滿足電力用戶的用電需求。無(wú)功補(bǔ)償自動(dòng)控制裝置可以實(shí)現(xiàn)快速、靈活調(diào)節(jié)。在此基礎(chǔ)上，將電力電子技術(shù)應(yīng)用到無(wú)功補(bǔ)償裝置中，在進(jìn)一步提高無(wú)功補(bǔ)償效果的同時(shí)，還能延長(zhǎng)無(wú)功補(bǔ)償裝置的使用壽命，對(duì)保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行和維護(hù)電力企業(yè)的綜合效益也有積極幫助。

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作者簡(jiǎn)介：王榮華（1978.12—），男，籍貫：云南祥云，高級(jí)工程師，職務(wù)：研發(fā)總監(jiān)，研究方向：電力電子技術(shù)、電機(jī)系統(tǒng)、數(shù)字電源、光伏逆變、變頻器、電焊機(jī)等。