電氣自動(dòng)化中無功補(bǔ)償技術(shù)及其應(yīng)用探究

韓冬

（國網(wǎng)山東省電力公司東營供電公司，山東 東營 257100）

近年來，隨著中國電氣技術(shù)水平的提高，供電能力與供電質(zhì)量顯著提升。與此同時(shí)，隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大以及設(shè)備接入數(shù)量的增多，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)受到電壓波動(dòng)、諧波增大等因素的影響，穩(wěn)定性較差。在這一背景下，無功補(bǔ)償是改善供電環(huán)境與提高供電效率的重要技術(shù)舉措，也為諧波治理等問題提供了可行的解決途徑。

1 無功補(bǔ)償技術(shù)概述

1.1 無功補(bǔ)償原理

在電氣自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行期間，輸出功率由無功功率、有功功率2 部分組成，受到諸多因素影響，有功功率比例常數(shù)有所降低，導(dǎo)致功率因數(shù)隨之下降，產(chǎn)生超過預(yù)期的線損量。而無功補(bǔ)償則是在系統(tǒng)中加裝潮流控制器、有源濾波器等裝置，持續(xù)補(bǔ)償無功功率，以此來提高有功功率輸送比例，維持穩(wěn)定的功率因數(shù)[1]。

1.2 無功補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)方式

在電氣自動(dòng)化系統(tǒng)中，常用的無功補(bǔ)償方式分為集中補(bǔ)償、分組補(bǔ)償、單臺(tái)電動(dòng)機(jī)就地補(bǔ)償3 種，具體如下。

集中補(bǔ)償。把并聯(lián)電容器組在高壓或是低壓配電線路中進(jìn)行布置，根據(jù)配電線路實(shí)時(shí)無功負(fù)荷來提供無功補(bǔ)償。這一方式有著裝置布置集中、易于維護(hù)、成本低廉的優(yōu)勢(shì)，但大功率電氣設(shè)備的實(shí)際補(bǔ)償效果有限，還有可能在設(shè)備斷開時(shí)出現(xiàn)無功倒送現(xiàn)象，當(dāng)前多用于小型電氣自動(dòng)化系統(tǒng)。

分組補(bǔ)償。在變壓器低壓側(cè)端配置并聯(lián)補(bǔ)償電容器，按照負(fù)荷變化情況進(jìn)行分組，在電氣自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行期間，根據(jù)負(fù)荷實(shí)際變化情況來調(diào)整電容器投切組數(shù)，投入適當(dāng)?shù)碾娙萑萘?，以此來維持無功平衡狀態(tài)。此項(xiàng)補(bǔ)償方法有著電容器自動(dòng)跟蹤負(fù)載變化、無人工干預(yù)條件下自投切補(bǔ)償電容器的優(yōu)勢(shì)，但對(duì)分組數(shù)量有著較高要求，在分組數(shù)量過少時(shí)會(huì)形成過大容量變化梯度，進(jìn)而影響到無功補(bǔ)償效果，需要在條件允許的前提下，通過增加分組數(shù)量來減小容量變化梯度。

單臺(tái)電動(dòng)機(jī)就地補(bǔ)償。把并聯(lián)電容器布置在單臺(tái)電動(dòng)機(jī)部位，保持電容器、電動(dòng)機(jī)二者相互連接狀態(tài)，負(fù)責(zé)吸收感性設(shè)備無功量并轉(zhuǎn)化至有功能量后提供給電感設(shè)備。此項(xiàng)方式有著可隨時(shí)啟停補(bǔ)償裝置、裝置易于安裝、明顯降低線損量的優(yōu)勢(shì)，但對(duì)控制器響應(yīng)能力有著嚴(yán)格要求，補(bǔ)償電容容量精度較低。

1.3 無功補(bǔ)償作用

無功補(bǔ)償技術(shù)主要起到減少線損量、減少電氣設(shè)備容量2 項(xiàng)作用。其中，減少線損量是通過補(bǔ)償無功功率、增加有功功率比例常數(shù)來調(diào)整功率因數(shù)，功率因數(shù)與線損率密切相關(guān)，功率因數(shù)越高，則實(shí)際線損率越低，避免電能在線路輸送期間產(chǎn)生過大損耗，這對(duì)降低系統(tǒng)運(yùn)行成本有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。而減少電氣設(shè)備容量則是因電路功率因數(shù)的增大而節(jié)省一部分設(shè)備容量，放寬對(duì)電氣設(shè)備設(shè)計(jì)容量的要求，進(jìn)而起到減少系統(tǒng)建設(shè)成本的作用。例如，在某電氣自動(dòng)化項(xiàng)目中，通過應(yīng)用無功補(bǔ)償技術(shù)，功率因數(shù)由0.8cosФ提升至0.98cosФ，原有配置1 kvar 電容器的容量節(jié)省0.52 kW，間接上增加了已配置電氣設(shè)備的容量[2]。

2 無功補(bǔ)償技術(shù)在電氣自動(dòng)化中的具體應(yīng)用

2.1 真空斷路器投切電容器

此項(xiàng)方法屬于自動(dòng)補(bǔ)償方式的一種，多用于向高壓線路以及高壓母線前主變壓器提供無功補(bǔ)償，在變壓器低壓側(cè)端部位安裝電容器組并接入FU 熔斷器。在系統(tǒng)運(yùn)行期間，隨著負(fù)荷變化，電容器組執(zhí)行分閘等控制指令來調(diào)整電容投入量，利用電壓互感器一次繞組電阻進(jìn)行放電，實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償目的。此方法有著補(bǔ)償過程簡單、無需在系統(tǒng)中加裝專門放電裝置的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)實(shí)際補(bǔ)償情況來看，真空斷路器投切電容器方法存在著明顯局限性，包括短路器無法實(shí)現(xiàn)精確控制、無法在短時(shí)間內(nèi)頻繁投切開關(guān)、合閘時(shí)易出現(xiàn)串聯(lián)諧振現(xiàn)象等，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償效果有待改善，還有可能引發(fā)斷路器炸裂、電容器損壞等電氣故障。對(duì)此，需要采取額外串聯(lián)電抗器、選用新型雙動(dòng)式真空斷路器等措施來改善無功補(bǔ)償效果。例如，對(duì)電抗器的串聯(lián)，將起到預(yù)防串聯(lián)諧振現(xiàn)象出現(xiàn)、減小合閘時(shí)電容器組形成沖擊涌流等多重作用。

2.2 有源濾波器

有源濾波器是在提供電源條件下，由電流互感器采集線路電流信號(hào)，對(duì)信號(hào)加以諧波分離計(jì)算后獲取諧波參考信號(hào)與開關(guān)信號(hào)，再通過信號(hào)控制單相橋，獲取與線上諧波信號(hào)相匹配的諧波電流，這一諧波電流與負(fù)序電流方向正好相反，起到抵消線上諧波電流的作用。在電氣自動(dòng)化系統(tǒng)中，這類補(bǔ)償裝置有著不易出現(xiàn)諧振現(xiàn)象、調(diào)節(jié)速度快、完全吸收系統(tǒng)內(nèi)諧波的優(yōu)勢(shì)，但裝置價(jià)格較為高昂，且單套裝置容量有限，不適用于大容量場景。

2.3 靜止無功發(fā)生器

靜止無功發(fā)生器屬于有源形補(bǔ)償裝置的一種，應(yīng)用到脈沖寬度調(diào)制、電壓電源逆變等新型技術(shù)，采取并聯(lián)方式或經(jīng)由電抗器把自換相橋式電路接入到系統(tǒng)當(dāng)中，對(duì)電路交流側(cè)端所輸出的電壓幅度、電壓相位等參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，或是調(diào)整交流側(cè)輸出電流值，從而起到吸收以及提供無功功率的作用。根據(jù)實(shí)際情況來看，在電氣自動(dòng)化領(lǐng)域，靜止無功發(fā)生器具備快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)、雙向補(bǔ)償、占地面積小、無級(jí)調(diào)節(jié)、電容電抗容量要求寬泛的優(yōu)點(diǎn)，可以跟蹤負(fù)載沖擊電流和跟蹤補(bǔ)償諧波電流，綜合性能遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)無功補(bǔ)償裝置。例如，從無級(jí)補(bǔ)償角度來看，傳統(tǒng)補(bǔ)償裝置普遍采取有級(jí)補(bǔ)償方法，設(shè)立3～10個(gè)級(jí)別，各級(jí)別的無功千伏安波動(dòng)較大，每增減一級(jí)時(shí)變動(dòng)數(shù)十無功千伏安，而靜止無功發(fā)生器可以從0.1 無功千伏安起進(jìn)行補(bǔ)償，在實(shí)質(zhì)意義上做到了精確補(bǔ)償。而從響應(yīng)速度角度來看，靜止無功發(fā)生器可以在5 ms 內(nèi)完成響應(yīng)動(dòng)作，由額定容性無功迅速轉(zhuǎn)換到額定感性無功[3]。

2.4 磁控電抗器

磁控電抗器本質(zhì)上屬于一類具備容量可調(diào)節(jié)功能的并聯(lián)電抗器，由本體、控制機(jī)構(gòu)2 部分所組成，在運(yùn)行期間通過0.3%額定功率左右的直流功率來調(diào)節(jié)鐵芯磁飽和度，電抗器容量與鐵芯磁飽和度一同變化，進(jìn)而起到改變感抗值、調(diào)節(jié)電抗電流值與調(diào)節(jié)無功功率的作用。一般情況下，對(duì)磁控電抗器的使用，可以把功率因數(shù)控制在0.9 及以上，起到消除諧波污染、減少異步電機(jī)對(duì)電網(wǎng)沖擊、消除電壓閃變等多重作用。

2.5 并聯(lián)混合有源濾波器

根據(jù)使用情況來看，早期型號(hào)的有源濾波器存在容量小、難以抑制大功率非線性負(fù)載所形成諧波的局限性，實(shí)際補(bǔ)償效果并不理想，應(yīng)用場景有限。對(duì)此，可選擇在電氣自動(dòng)化系統(tǒng)中配置新型的并聯(lián)混合有源濾波器，由DSP 電路模塊、信號(hào)采樣電路、無源濾波電路等部分組成，把有源電力濾波器視為受控電流源，在附加電感流入基波無功電流中時(shí)，僅在有源濾波器中通過諧波電流，確保有源濾波器不承受諧波電壓，使并聯(lián)混合有源濾波器可以被應(yīng)用于大容量場景中提供無功補(bǔ)償。同時(shí)，為維持穩(wěn)定運(yùn)行工況，也可選擇在并聯(lián)混合有源濾波器中加裝熔斷器，在檢測到過電流等故障問題時(shí)，在短時(shí)間內(nèi)脫離有源濾波器，由剩余的附加電感、無源濾波器繼續(xù)執(zhí)行補(bǔ)償動(dòng)作，避免在有源濾波器在脫離時(shí)對(duì)電網(wǎng)或電氣自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行造成劇烈沖擊。

2.6 同步電機(jī)

同步電機(jī)多用于電力調(diào)度場景，在系統(tǒng)中配置發(fā)電機(jī)、同步調(diào)相機(jī)與電動(dòng)機(jī)等設(shè)備。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，憑借同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶機(jī)械負(fù)載的特性，采取調(diào)整勵(lì)磁電流的方法來帶動(dòng)所發(fā)出無功功率的變化，在線路功率因數(shù)偏低時(shí)提高勵(lì)磁電流起到無功補(bǔ)償作用，在線路功率因數(shù)偏高時(shí)通過降低勵(lì)磁電流來吸收系統(tǒng)內(nèi)多余無功功率，始終把無功功率因數(shù)保持在0.9～0.95 區(qū)間內(nèi)，避免因功率因數(shù)過低而加大線損量，或是因功率因數(shù)過高而相互抵消容性無功與感性無功。相比于其他無功補(bǔ)償技術(shù)，同步電機(jī)法有著同時(shí)具備提供/吸收感性無功功能的優(yōu)點(diǎn)，但卻存在裝置結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、不易安裝維護(hù)、技術(shù)難度大、響應(yīng)速度慢的缺點(diǎn)，僅在發(fā)電廠等少數(shù)場景中得到應(yīng)用。

3 無功補(bǔ)償技術(shù)在電氣自動(dòng)化中的應(yīng)用策略

3.1 制定合理的無功補(bǔ)償方案

對(duì)象不同無功補(bǔ)償目的有所不同，為取得理想補(bǔ)償效果，需要嚴(yán)格遵循差異補(bǔ)償原則，針對(duì)不同對(duì)象來定制無功補(bǔ)償方案，以變電站、配電線路和電力用戶為例，具體如下。

首先，面向變電站時(shí)，以補(bǔ)償變壓器所產(chǎn)生無功損耗為首要目的，在變電站內(nèi)安裝2 組及以上的無功補(bǔ)償裝置，旨在充分滿足各臺(tái)主變壓器投退要求。同時(shí)，根據(jù)變電站等級(jí)來計(jì)算最佳的無功補(bǔ)償容量，如把10%～15%主變壓器容量設(shè)定為35 kV 變電站無功補(bǔ)償容量，把15%～20%主變壓器容量設(shè)定為110 kV變電站無功補(bǔ)償容量。而對(duì)于主變壓器長時(shí)間處于輕負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)與重負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)的變電站，則分別適當(dāng)調(diào)低和調(diào)高無功補(bǔ)償容量[4]。

其次，面向配電線路時(shí)，以補(bǔ)償分支線路無功損耗和維持功率表平衡狀態(tài)為首要目的，避免主干線路在運(yùn)行期間持續(xù)被分支線索取無功。需要對(duì)線路配套變壓器空載無功損耗情況進(jìn)行調(diào)查，根據(jù)調(diào)查結(jié)果來設(shè)定分組數(shù)量及補(bǔ)償容量，在大負(fù)荷分支線上設(shè)定無功補(bǔ)償點(diǎn)，安裝電容器組作為無功補(bǔ)償裝置，選擇安裝可投切式或固定式電容器組進(jìn)行補(bǔ)償[5]。一般情況下，優(yōu)先配置可投切式電容器組，在檢測到運(yùn)行負(fù)荷低于或是超過整定值時(shí)，電容器組將自動(dòng)執(zhí)行投入與退出動(dòng)作。

最后，面向電力用戶時(shí)，以降低線損率和達(dá)到功率因數(shù)標(biāo)準(zhǔn)作為首要目的，幫助電力用戶減少用電成本和爭取電費(fèi)獎(jiǎng)勵(lì)。而對(duì)于無功補(bǔ)償方式的選擇，需要視用戶供電規(guī)模、供電方式而定，主要分為個(gè)別補(bǔ)償、集中補(bǔ)償與分組補(bǔ)償3 種。其中，個(gè)別補(bǔ)償是在電動(dòng)機(jī)等單個(gè)用電設(shè)備上并接電容器，按照設(shè)備空載無功損耗來計(jì)算最佳無功補(bǔ)償容量，根據(jù)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)與實(shí)際負(fù)荷來執(zhí)行電容器投入、退出動(dòng)作。集中補(bǔ)償是在變電站等區(qū)域低壓側(cè)母線中安裝電容器組，也可選擇在配電變壓器高壓側(cè)端安裝電容器組，采取就地補(bǔ)償方式，根據(jù)無功負(fù)荷檢測值來實(shí)時(shí)調(diào)整補(bǔ)償容量，可以最大程度地降低線損率，但需要安裝大量的電容器組，且無法減少內(nèi)部功率損耗。分組補(bǔ)償則是在各車間配電母線中分別安裝多組電容器組，各器組負(fù)責(zé)維持所處區(qū)域內(nèi)無功電力就地平衡狀態(tài)[6]。

3.2 應(yīng)用新型潮流控制器

在早期電氣自動(dòng)化項(xiàng)目中，主要配置無源濾波器、有源濾波器、真空斷路器等作為無功補(bǔ)償裝置，實(shí)際無功補(bǔ)償效果與預(yù)期效果存在出入。例如，無源濾波器存在通帶內(nèi)信號(hào)能量損耗、偶爾引起電磁感應(yīng)、不適用低頻域、負(fù)載效應(yīng)明顯的缺點(diǎn)。有源濾波器存在可靠性差、不適用于高壓與大功率場景、通帶范圍受有源器件限制的缺點(diǎn)。對(duì)此，可選擇配置綜合潮流控制器作為無功補(bǔ)償裝置，控制器由2個(gè)電壓源變換器所組成，保持共用直流側(cè)電容關(guān)系，首臺(tái)變換器經(jīng)由第二臺(tái)變換器并聯(lián)接入電氣自動(dòng)化系統(tǒng)，負(fù)責(zé)向系統(tǒng)提供無功功率和向第二臺(tái)變換器提供有功功率。相比于傳統(tǒng)無功補(bǔ)償裝置，綜合潮流控制器同時(shí)具備串聯(lián)補(bǔ)償以及電壓調(diào)節(jié)等多項(xiàng)使用功能，即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)線路無功功率和有功功率的迅速、精準(zhǔn)、獨(dú)立控制，起到預(yù)防系統(tǒng)振蕩和強(qiáng)化線路輸送能力的作用，同時(shí)，所提供無功功率由裝置本身產(chǎn)生，不會(huì)在系統(tǒng)運(yùn)行期間消耗額外的有功功率。

4 結(jié)語

綜上所述，無功補(bǔ)償是保證電氣自動(dòng)化系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，也是有效治理諧波污染問題的重要舉措。電力企業(yè)與用電用戶都需要認(rèn)識(shí)到無功補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值，根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況來選擇恰當(dāng)?shù)臒o功補(bǔ)償方式，采納制定合理無功補(bǔ)償方案、應(yīng)用新型潮流控制器2 項(xiàng)策略，推動(dòng)中國電氣事業(yè)的健康發(fā)展。