淺談無功補償自控方案在電力設計中的應用

鄭智甫

（常德紡織機械有限公司，湖南常德 415000）

淺談無功補償自控方案在電力設計中的應用

鄭智甫

（常德紡織機械有限公司，湖南常德 415000）

在經濟發展的帶動下，企業對于電力的需求不斷增加，異步電動機和各種新的電氣設備不斷得到應用和普及，大量的感性負荷和大功率沖擊性負荷的存在以及可控硅裝置的使用，導致了整個電力系統功率因數的下降，電壓波動巨大。本文結合無功補償的內涵和特點，對其補償方式進行了簡單分析，同時對幾種常見的無功補償自控方案進行了闡述和比較，希望可以為電力設計工作提供一定的參考。

無功補償自控方案 電力設計 應用

在經濟發展的帶動下，企業對于電力的需求不斷增加，為了保證供電的穩定性和安全性，提高電網的負載能力，一般會采用無功補償的方式，以降低功率的損耗，保證供電質量。

1 無功補償的特點

無功補償，是指將具有容性功率負荷的設備與感性功率負荷并接在同一電路中，使得能量可以在兩種負荷之間相互交換，感性負荷吸收的無功功率可以從容性負荷輸出的無功功率中得到補償。簡單來說，無功補償就是為了提高電能的利用率，對無功功率進行的補償。在大的系統中，無功補償可以對電網的電壓進行調整，以提高電網的穩定性；而在小的系統中，通過恰當的無功補償方法，可以對三相不平衡電流進行調整，將各相的功率因數補償至0.9～1.0，使得各相的有功電流達到平衡狀態。根據補償方式的不同，無功補償可以分為以下三種：

（1）就地補償：就地補償裝置多安裝在電感性用電設備附近，可以有效提高設備供電回路的功率因數，提高電壓質量。（2）集中補償：集中補償裝置包括并聯電容器、靜止補償器和同步調相機等，一般安裝在企業或者地方總變電所的6-35kV母線上，其主要目的，在于對輸電網的功率因數進行改善，以提高變電所的電壓，同時對主變壓器的無功損耗進行補償。（3）分散補償：分散補償與集中補償具有相同的優勢，只是其無功容量相對較小，其補償設備一般安裝在車間或者村鎮變電所的低壓或者高壓母線上，多采用低壓側補償，可以實現降損升壓的效果。這種無功補償方式補償效率高，而且投資少、見效快，方便管理和維護，適用于功率因數較低，而且負荷較重的長距離配電線路。

2 靜止無功補償器介紹

靜止無功補償器（Static Var Compensator）亦稱SVC，傳統補償用斷路器或接觸器投切電容，SVC用的則是可控硅等電子開關，無機械運動部分，因此稱其為靜態補償裝置。SVC可實現快速、連續、頻繁地控制電抗器，以實現動態補償。SVC組成部分分3部分：（1）固定電容器和固定電抗器組成的一個補償加濾波支路，該部分適當選擇電抗器和電容器容量，可濾除電網諧波，并補償容性，將電網補償到容性狀態；（2）固定電抗器；（3）可控硅電子開關，其可控硅用來調節電抗器導通角，改變感性輸出來抵消補償濾波支路容性，使以保持在較高功率因數。

3 無功補償中的諧波抑制

伴隨電力電子技術的廣泛應用和發展，在供電系統中，已經增加了大量的非線性負載，比如低壓小容量家用電器和高壓大容量的工業用交、直流變換裝置，尤其是靜止變流器的應用，鑒于其開關的工作方式，會導致電網電流、電壓波形發生畸變，進而產生電網的諧波“污染”。另外，電網中接有沖擊性、波動性負荷，如電弧爐、大型軋鋼機、電力機車等，它們在運行中不但會產生大量的高次諧波，亦會使電壓波動、閃變、三相不平衡情況愈發嚴重。這不但會降低供用電設備自身的安全性，也會大量減弱電網的經濟運行效果，進而形成電網“公害”。以往，采用并聯電容器直接接入母線，因諧波的存在，會造成電容器過流發熱發生故障。因此，在并聯電容器的回路中，使用串聯電抗器是十分有效且可行的辦法。串聯電抗器的主要作用即抑制高次諧波和限制合閘涌流，防止諧波對電容器造成危害，避免電容器裝置的接入對電網諧波的過度放大和諧振發生。電抗率是串聯電抗器的重要參數，電抗率的大小直接影響著它的作用。值得注意的是，串聯電抗器絕不能與電容器組任意組合，更不能不考慮電容器組接入母線處的諧波背景。

4 無功補償自控方案在電力設計中的應用

要想確保無功補償的順利進行，就必須重視對無功補償的管理和控制。從目前的技術條件看，無功補償通常都會采用自動控制方案，這樣可以有效減少人工成本，降低造價，而且便于進行安裝和維護。因此，選擇恰當合理的無功補償自控方案，對于提高供電質量，保障供電安全等有著非常重要的意義。這里針對幾種無功補償自控方案進行簡單分析。

4.1 電子式

電子式自動補償控制方式主要是由多個分立元件構成的，其控制系統包括相位和電流檢測單元、投切控制電源、電容器組以及無功運算和比較單元等。這種自動控制方案在以往取得了一定的成效，但是由于元件眾多，設備體積龐大，而且系統線路繁雜，安裝和維修困難，同時可靠性相對較差，在投切過程中，會產生相應的沖擊涌流，影響電網的穩定性。另外，設備自身的使用壽命較短，一旦發生故障，很難修復，只能切換為手動控制，極大地影響了無功補償的效率和質量。因此，電子式自動補償控制方式已經基本停用。

4.2 可編程邏輯控制器

可編程邏輯控制器，是一種以微機技術為基礎的新型工業控制裝置。基于PLC控制的無功補償自控方案，主要是應用PLC控制技術，對傳統的繼電器接觸器自動控制系統進行改造而成的，對系統中原有的主回路、輸出電路、電源等繼續使用，并通過PLC實現電平轉換、可逆計數器、清零電路、譯碼器等的控制，這樣，可以有效降低系統成本，簡化系統結構。需要注意的是，在原系統中，相角檢測電路輸出的信號并不足以驅動PLC輸入，因此需要對其進行放大處理。同時，原輸出電路中的三極管開關電路，可以由PLC的輸出繼電器實現，考慮到PLC有限的輸出點容量，在其中增設中間繼電器，作為輸出電路。在該方案中，控制系統同樣采用模塊化設計和結構化設計，結構簡單清晰，層次分明，通過相應的檢測模塊，可以對電系統的相角信息進行隨時采集，并與相應的參數進行對比，如果不滿足要求，系統可以自動對補償電容器進行投入或切除操作，從而實現自動化無功補償，確保供電系統的功率因數可以滿足設計要求。例如，西門子S7-200PLC就是PLC控制技術在無功補償自動控制方面的典型。通過PLC內部的時鐘日歷，該系統可以實現自動實時投切，即使模擬單元或者檢測電路出現故障，系統也可以根據實時時間進行自動投切。而如果檢測、設定、過壓保護線路出現故障，可以通過相應的軟件，確保系統的正常運行，避免誤動現象，從而有效防止故障的擴大。

4.3 單片機

這里主要針對基于ATmega16 單片機控制技術的無功補償自控方案進行討論。該自控系統主要包括AVR處理模塊、信號調理模塊、控制補償模塊等，系統中使用的ATmega16芯片，是基于增強的AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器，憑借自身先進的指令集，以及單時鐘周期指令執行時間，ATmega16的數據吞吐率可以達到1MIPS/MHz，能夠在有限的功耗下，極大地提高系統的處理速度。同時，ATmega16 AVR內核具備極其豐富的指令集和32個通用工作寄存器，寄存器可以與運算單元直接相連，使得系統可以在一個時鐘周期內，通過一條指令，同時訪問兩個寄存器。這樣，可以有效提高代碼效率，較普通的CISC微控制器的數據吞吐率要高出10倍左右，從而實現無功功率的快速檢測、配變檢測以及動態補償等。在單片機無功自動補償系統中，軟件部分采用的是模塊化的結構，主要包括信號采集、電網參數計算、電容器投切控制等模塊，不僅可以十分方便地進行系統擴展，也可以簡化系統的安裝調試流程。

從目前來看，WBB礦用隔爆型無功中補償裝置就是單片機自動控制的典型代表，該設備利用以單片機為核心的控制器，可以實現對電力系統無功功率、電流、電壓等的實時檢測，從而實現有效的無功補償。

4.4 幾種方案的比較

通過對比可以看出，傳統的電子式無功補償自控方案，不僅線路復雜，而且可靠性較差，響應速度慢，已經無法適應當前社會發展的實際需求，正逐漸退出歷史舞臺；基于單片機控制技術的自控方案，數據吞吐量大，數據傳輸速度快，可擴展性好，但是其抗干擾能力不足，在中壓和高壓線路中，可靠性無法保證；基于PLC控制技術的自控方案，不僅組態方便，而且可靠性強，可擴展性好，抗干擾能力強，結構簡單，便于進行安裝和維護，因此可以說是電力設計中無功補償自動化控制的首選方案。

5 結語

總之，在當前的時代背景下，社會對于電力的需求越來越大，新的電氣設備的應用也使得無功補償受到了電力工作人員的重視。在進行電力設計時，結合實際情況，選擇最佳的無功補償自控方案，可以有效減少設計容量，減少工程成本，提高電能的使用效率和用電企業的經濟效益，應該引起電力設計人員的充分重視。

［1］楊超.低壓無功補償的研究［D］.長安大學，2013.

［2］朱照紅.無功補償自控方案在電力設計中的應用比較［J］.電子科技，2012（10）：87-90.

［3］覃儉峰.淺談電力設計中無功補償自控方案的應用［J］.通訊世界，2013（9）：102-103.

［4］郝曉芳.淺談變電設計中的無功補償［J］.電子制作，2013（22）：204.