無功補償技術在電氣自動化中的應用

胡定友

摘 要：隨著科技水平的發展以及人民生活水平的提高，無論是生產企業還是居民用戶，對電力能源的需求也越來越多，質量也越來越精。傳統電網中，由于在最初建設時，并未考慮到電網后期會注入或吸收大量的感性或容性無功，因此現如今電網功率因素較之前低，且電壓穩定性較差，頻率出現偏差等。文章首先介紹了無功補償的意義，介紹了幾種無功補償的方法，分析了新型的無功補償裝置SVG的應用機理。

關鍵詞：無功補償；電氣自動化；SVG

中圖分類號：TM92 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）32-0047-02

1 無功補償意義

隨著我國經濟水平的高速發展以及人民用電需求的日益增長，電力能源的應用逐漸趨向于電氣自動化了，近年來，電氣自動化已經應用在更多的領域了。電氣自動化的發展的技術要求，對電能質量的要求相比于傳統的用電設施，要嚴格的多。其首要條件就是要滿足電壓波動和頻率波動要求，必須在正常工作的范圍內，才會對設備影響很小，才適合長期穩定工作。因此就需要調節電網的無功，無功平衡帶來的就是電壓的穩定，一些常用的方法比如并聯電容器、電抗器等無功電源，從而使功率因素得到提高，效率得到改善。結合電力濾波器的使用，無功補償在電氣自動化系統中起著至關重要的作用，提高功率因數的同時，降低了損耗，提高了用電效率，為用戶和供電企業減少了經濟損失。

無功補償技術主要是對電網電壓進行控制。通過對工作電壓進行采樣，結合一些控制方法比如電壓矢量控制，SPWM控制等方法，控制電容器的投入與切除，從而控制無功的補償，在經過濾波，使電能質量改善到技術要求的范圍內，用電設備可以高效運行。

電網中無功的多少與電壓有著明顯的關系。輸電線路的容升效應就是由于在輸電過程中對地導納的原因，使得對地電容對輸電網中注入無功，這樣就造成輸電線路末端電壓高出首端，若偏離值高于10%，則造成用電設備不能正常使用，嚴重時會損壞設備。電網電壓會不穩定，嚴重時造成大電網停電，電網崩潰，造成的損失和影響是不可估量的。因此無功補償在電氣自動化領域，有著極其重要的意義。

2 無功補償常見裝置和技術

2.1 常見的無功補償方式

在電力系統中，可以通過多種方法進行無功補償，最常見的三種方式是：就地補償，分散補償，集中補償。補償方式沒有優劣與先進之分，需要根據實際情況確定合適的補償方式。就地補償：由于電網中因為接入大量的感應電機從而使得無功缺少或者電壓降低，因此就地補償就是在異步電動機或者一些感性的電氣自動化設備附件加入無功補償裝置，并聯電容，對該點注入無功。這種方式對小型電動機等設備比較有優勢。不但補償了無功，還提高了電動機的功率因數，改善了電動機機端的電壓，工作更穩定，對生產企業大有優勢。分散補償就是在電氣自動化設備區域內，隔一段距離布置一個無功補償裝置，其特點是容量比較小，但是數量比較多，優點是可以使整體的電壓電能質量得到改善，調節無功時也基本可以做到連續調節，即使有一個補償裝置發生故障，對整體的補償效果影響不是很大，可靠性系數高。缺點是比較分散，控制成本比較高，同時需要的人力成本也相對較高。集中補償在電網中選取一點，一般選擇在變電所的母線上，實現在源頭處注入無功，從而實現對所以設備的補償。這種方式比較簡單，無論是感應電機處，還是一般照明負荷，補償效果都是均等的，只是需要接入的無功補償裝置容量要比較大，為系統留有一定的裕量。缺點是對無功需求量大的電氣設備，不能給予足夠的補償，因此對敏感負荷要求高的電能質量比較難滿足，另外，靈活性較低。

2.2 常見的無功補償裝置

無功補償目的就是向電網注入無功功率，從而保證電網中的功率、電壓平衡，電氣自動化技術得以成功施展。常見的補償裝置有以下幾種：電容器，電抗器，同步調相機，靜止無功補償器（SVC），靜止無功發生器（SVG）。本文，我們談到的無功，不做特殊說明時，一般指的是感性無功。因此感應電動機是消耗無功的電氣設備。

電容器與感應電機正好相反，是發出無功的設備，因此可以當做是無功發生源。因此電容器只有在系統中無功缺失的情況下工作，在無功過剩時則不會起到作用（由于電氣自動化系統中包含大量的感應電動機，因此一般電網基本都工作在無功缺失的狀態），所以電容器是最常見的無功補償裝置。

電抗器與感應電機類似，與電容器相反，是吸收無功的，相當于補償負的無功，因此電抗器只有在系統中無功過剩的情況下進行工作，由于電網中一般很少出現無功過剩（在輸電線路空載時由于容升效應會出現無功過程，末端升高），因此純粹的電抗器在無功補償中使用很少。

同步調相機是一個同步發電機，調整其輸出電壓的相位，從而使得調相機不向電網注入有功，只注入無功，調相機是早期的補償無功常見的設備。

靜止無功補償器（SVC）內部主要元件是電容器或者電容器和電抗器結合，在加上電力電子開關器件，通過控制開關的導通以及占空比，從而控制無功的補償大小。SVC目前常見的有以下幾種形式：晶閘管控制電抗器型（TCR），可發可吸收無功功率；晶閘管開關電容器型（TSC）只能發出無功功率；飽和電抗器型（SR）可發可吸收無功功率。靜止無功補償器是在近十幾年由于電力電子開關器件的發展，變得越來越受到人們的關注，的特點是利用開關器件的快速開通關斷以及高頻率，可以做到無功的連續調節，這一點是非常重要的，這也是將來無功補償裝置的發展趨勢。

靜止無功發生器SVG是這幾年關注度最高的無功補償裝置，本文將在下一節對SVG進行深入的說明。

3 電氣自動化中應用中SVG的優點

隨著電力電子技術的進一步發展，一種更為先進的靜止型無功補償裝置出現了，即靜止無功發生器SVG。SVG的產生使得無功補償技術進入了一個新的時代，與上文提到的SVC相比，SVG有著以下明顯的優勢。

3.1 運行范圍

SVC和SVG的工作原理都屬于變阻抗型的補償裝置，都是通過控制晶閘管的觸發占空比，以達到補償不同無功功率的目的。但SVC補償裝置的補償容量與電網電壓成正比關系。而SVG則是基于變流器的補償裝置，其相當于一個電壓源型逆變器，通過調整其變流器交流側電壓的幅值和相位，可保持最大無功電流不變，因而在運行范圍比SVC有更大的空間。

3.2 諧波抑制

SVC是電容通過晶閘管的開通和關斷并聯到線路中，因此本身就是一個諧波源，其運行時會產生高次諧波，因此需要額外的接入有源電力濾波器。而SVG裝置為電源型逆變裝置，接入系統不會改變阻抗特性，并且調整逆變側輸出的電壓相位及幅值可抑制相應的諧波。

3.3 補償功能

除了補償無功功率之外，SVG還具補償電力系統中不平衡負載情況下負序電流的功能。當三相電力系統中出現負載不平衡時，在系統中將出現負序電流，SVG可以通過改變控制進而改善補償處理， SVC是不具備這些功能的。

3.4 響應速度

SVC裝置一般采用半控型的器件，其信號延遲時間比較長，再加上SVC本身的過渡過程，整個裝置響應延遲可達 50～60 ms。而SVG一般都采用的是全控型器件IGBT，其傳輸延遲非常小，一般僅為SVC的一半左右。

3.5 成 本

雖然SVG 要使用數量較多的大容量全控型功率元件，其價格比目前SVC使用的普通晶閘管高一些。但是隨著SVG的廣泛應用，以及高功率開關器件制造技術和控制技術的不斷成熟，其價格必然下降。

綜上所述，若在電氣自動化中進行連續的實時無功補償，SVG要比SVC在諸多方面都具有明顯的技術優勢，因此在電氣自動化無功補償的研究中，非常有必要對SVG的關鍵技術進行深入研究，提高其對動態負荷的補償效果和運行的安全可靠性，降低動態無功補償的成本，這一工作在實際應用中有非常重大的意義。

4 總 結

本文通過簡單介紹電氣自動化中無功補償的意義，在此基礎上，對常見的幾種無功補償方式進行簡單說明，并提出其不同適應的適應場合，在電氣自動化中可以作為參考。接著對目前常見的無功補償裝置的種類進行介紹，透徹地分析了無功補償的原理，從基本的電容器電抗器出發進行分析。最后結合近些年電力電子技術的發展，對新型的SVC以及SVG補償裝置的優勢和劣勢進行比較，提出SVG的在電氣自動化中的研究意義和應用價值。綜上所述，本文提出的觀點和思想，不管是對工程應用還是理論研究，都有極大的指導作用。

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