混合型無功補償裝置在配電網中的應用

凌鵬飛

（上海交通大學電氣工程系，上海 200240）

0 引言

電能是影響我國工業發展的關鍵因素之一，電力節能降損在我國建設節約型社會的進程中將占有越來越重要的地位。由于電網容量的增加，對電網的無功需求也相應地與日俱增。低壓電網消耗的無功功率主要靠上級電網遠距離輸送，如果供電線路中存在大量無功功率流動，勢必造成線損、壓降增大，降低了電能質量與電網的經濟效益。因此，無功補償是電力系統節能降損的必要措施，對于減少無功功率在電網中流動，降低輸電線路因無功輸送造成的電能損耗，改善電網的運行條件都有著極為重要的意義。如何科學、合理地選擇無功補償方式，是減少配電網電能損耗、改善系統動態和靜態的關鍵。

1 傳統無功補償存在不足

電力電子技術的迅猛發展和廣泛應用，使得電力系統的無功負荷構成發生了很大的變化，軋鋼機、電弧爐、各種整流裝置、電力機車、空調等非線性負荷比例增長很快，同時還具有很強的沖擊性和波動性。這些負荷不僅給電網帶來諧波、電壓波動、閃變等電能質量問題，也使得負荷節點處綜合負荷的動態特性和非線性特性更為突出。

目前，配電網中常用的無功補償設備為直接并聯電容器或采用接觸器、復合開關或晶閘管等方式投切電容器與電抗器進行無功補償，改善系統的電壓水平和負荷的功率因數。但此種方式無法滿足負荷無功需求的快速變化，同時因為每組投切的電容器組容量固定，所以只能階梯式投切無功補償容量，補償精度差，無法提供較好的補償效果，而且頻繁的投切操作導致電容器的壽命不長。若使用晶閘管投切電抗器（TCR）的補償裝置，則又會產生大量低次諧波，需要增加額外的濾波器。而能夠實現快速動態連續無功補償，并達到很高補償精度的靜止無功功率發生器（SVG），目前由于技術、工藝及元器件的限制，大容量SVG的成本十分昂貴難以在配電電網中廣泛應用。

2 混合型無功補償方法

針對上述問題，對于10 k V及0.4 k V配電網，提出一種混合式的無功補償方案，即采用SVG與投切型電容器相結合的配置方案，根據現場的需求實現快速、高效、平滑、低成本的無功補償，達到成本和效果的最佳化。

2.1 設計思路

由于無功補償裝置在配電系統中的使用量非常大，所以采用的無功補償裝置要求補償速度快、補償精度高、補償平滑、成本較低等特性。考慮到實際電網對無功補償的容量和特性的要求各不相同，單一的補償設備不能很好地滿足需求，而混合型SVG將各種并聯補償模塊組合起來，使用高效、合理的投切策略協調各單元工作，可以最大限度地滿足實際需求。

投切無功補償模塊成本較靜止無功發生模塊低很多，但后者的動態補償性能更好，故決定在滿足電網所需動態性能的前提下，將部分動態無功發生模塊的無功補償容量用投切電容器模塊取代，并且在電網實際運行時進行最優投切無功補償模塊和動態無功發生模塊的組合配置，從而最大限度優化成本和提高運行的靈活性。

2.2 裝置結構

混合型無功補償裝置包括有源無功發生模塊、多組晶閘管或接觸器投切電容器模塊、多組無源無功補償模塊（電容器與電抗器），即SVG＋晶閘管投切電容器（TSC）或SVG＋MSC。混合型無功補償裝置結構圖，如圖1所示。

圖1 混合型無功補償裝置結構

混合型無功補償裝置將電容器投切無功補償模塊和動態無功發生模塊組合使用，當系統無功需求在q組和q＋1組TSC之間時，投切q組TSC，再由SVG補償小容量的無功功率，從而在較低成本的前提下實現無級連續無功補償。

動態無功補償裝置在投切無功補償裝置前需要提供無功輸出，使得補償裝置能夠實現快速動態響應。動態無功補償裝置在投切無功補償容量的基礎上進行平滑、無級的無功輸出，并且根據電網的實際負荷進行最優配置。

2.3 控制方法

混合型無功補償程序控制流程圖如圖2所示。

圖2 混合型無功補償控制流程圖

混合型無功補償裝置中基于數字信號處理器（DSP）的系統控制器對設備所需要的各種信號進行采集，系統瞬時交流電流、電壓等，快速計算模塊對采集來的系統瞬時電流、電壓數據，計算系統側的功率因數和無功功率，獲得系統各部分的無功輸出情況和補償效果，確定無功分配基準。

無功功率優化分配模塊生成無功補償最優策略，確定電容器組的投切控制和SVG功率模塊的無功功率輸出容量。根據SVG功率模塊輸出的無功功率大小，通過控制策略確定脈寬調制（PWM）波形，控制絕緣柵雙極晶體管（IGBT）變換動作，就可以改變逆變器的輸出，就達到所需要的補償效果。

2.4 接線方式

混合型無功補償裝置采用并聯方式，需要采集系統電流和電壓量，安裝示意圖如圖3所示。

圖3 混合型無功補償裝置安裝

表1 補償前后的各項參數平均值

3 混合型無功補償裝置的應用

3.1 技術優勢

3.1.1 提高電壓質量

電網在進行功率傳輸時，電流會在線路等值阻抗上產生電壓損耗ΔU＝［PR＋Q（X－XC）］U，影響ΔU的是有功功率P、無功功率Q、線路電阻R和電抗X。如果保持有功功率恒定，線路X、R為定值，無功功率Q越小，則電壓損失就越小；如果通過容抗XC來補償，則線路傳輸的無功功率減小，相應的線路電壓損耗ΔU也減小，改善了電能質量。

3.1.2 降低線路損耗

無功功率不僅影響配電系統的電壓質量，還導致配電系統供電線損的增加。功率因數是電力系統的綜合經濟運行指標，功率因數的提高可以降低線損。如果在某一額定電壓下，有功功率恒定不變，由于功率因數的變化，當將原有功率因數由0.7提高到補償后的0.9時，線路中的功率損耗可以減少39.5%。

3.2 選擇補償容量

中低壓配電系統具有負荷較為集中，但是負荷設備容量不同、線路短、分支多的特點。對其中設備容量較大的應采用分散補償（就地補償），容量偏小的采用集中補償。因此，在低壓配電系統中，補償方式一般以集中補償、就地補償相結合的綜合補償方式最為合理。這樣不僅可取得較好的降損效果，而且投資合理，方便日常維護。

1）配電站 根據配電站的無功需求特點和負荷特性，分為沖擊性強的工業客戶和低（或無）沖擊性的普通客戶。

沖擊性強的工業客戶對無功的需求是瞬時的、非穩定的，推薦使用SVG＋TSC，快速補償容量為150 kvar、240 kvar，相比純SVG，在成本上得到了良好的控制。對于低（或無）沖擊性的普通客戶，由于對無功的需求量不大，而且具有一定的持續性、規律性，推薦使用TSC、MSC無功補償裝置，既能滿足無功補償的需求又能節約成本，安裝維護也較為方便。

2）箱變客戶 一般為大型新建住宅區、商務樓宇、大型商場等，其負荷特點是對無功需求量并不是很大，故推薦小容量的混合補償裝置SVG＋TSC或SVG＋MSC，補償容量為45 kvar、75 kvar或90 kvar。此補償裝置投入成本相對較低，補償效果良好。

3.3 應用效果

三林港水閘變壓器容量為100 k VA，最高負載率為35%，專門為水閘供電，負荷變大后功率因數降到0.5左右，考慮到該臺區最大負荷月的平均有功功率，確定加裝混合型無功補償裝置的補償容量為20 kvar。

表1為1天24個點的各參數平均數額，通過無功補償前后數據對比，可以看出進行無功補償后，三相功率因數每相都達到0.97以上，功率因數明顯提高，并且諧波畸變率得到了顯著的降低，保障了電網的安全穩定運行，取得了良好的經濟效益。

4 結語

針對電網無功需求的增長，合理地選擇無功補償裝置，不但能提高設備運行效率，提高電網的穩定性，減少電能損耗，而且還能降低設備的投入成本。在中低壓配電網中，混合型無功補償裝置SVG＋TSC（MSC）可以實現對負荷進行分級、快速連續的無功功率補償，在快速高效和低成本中間找到了平衡，是中低壓配電網的一種理想的無功補償裝置方案。