無功補償自動控制中電工電子技術的應用分析

周麗娟

（江蘇省宿遷經貿高等職業技術學校，江蘇宿遷，223800）

0 引言

近年來，隨著我國對電能的需求與日俱增，對于電力系統的高效性、可靠性、安全性及穩定性等方面提出了更高的要求。電力系統作為現代社會中不可或缺的基礎設施，其重要性不言而喻。在電力系統中，輸變電設備的主要功能將電力能源輸送到目的地，實現對電力能源的合理分配，實效高效地用電。然而，在一些比較老舊的電力設施傳輸過程中會出現無功功率的問題，不僅降低了電力系統的整體供電能力，給電網正常運行帶來巨大威脅，影響了電能輸送的安全性和經濟性，對電力企業的良好經濟效益造成了影響。在電力系統中科學合理的選擇無功補償裝置，能降低電力系統運輸線路及電變壓器的損耗，改善電網運行環境，可以有效保障電力供應的穩定性，滿足人們對用電的實際需求。

1 無功補償的工作原理

良好的電力負荷能力是確保電網良好運行的重要前提，在電力系統供電過程中，不同型號的電能設備因其耗電方式不同，因而其用電功率也會存在較大差異。在電力系統中，電網輸出的功率主要包括有功功率和無功功率兩個部分，其中，無功功率，是指發電機、線路電容等設備消耗電能并轉化為另一種形式的能量，對電網的正常運行會造成直接影響。當無功電源無法滿足電網無功功率時，最有效的解決方式就是運輸系統的補償，在多數情況下，就需要運用到無功補償設備來確保電力系統的效率及其穩定性，從而減少電能的損耗，維持電路系統的平衡。

圖1 無功補償裝置的發展現狀

無功補償裝置主要包括：電力系統、補償設備及負載設備三個部分，其主要作用是提高電能傳輸的功率因素、改善線路電壓質量、減少不同線路電力損耗、延長電力設備的使用年限等。無功補償裝置的工作原理如圖2所示。

圖2 無功補償工作原理

根據圖2可得：

其中，U0——系統在無功功率時的電壓；Ssx——系統的短路容量。

對式（1）進行變換可以得到式（2）：

根據式（2）可知：當電路系統電壓的無功功率發生變化時，系統也會隨之發生變化，此時，無功功率等于補償設備和負載的無功功率之和，當電路系統處于正常狀態時，如果負載的無功功率發生變化，補償設備的無功功率大小完全能夠確保系統的穩定運行，且這時供電系統的無功功率值也不會發生變化。在電力系統中，變壓器、電動機等供電設備在正常工作時都會產生一定的電力負荷，并吸收無功功率，在供電設備中安裝無功補償自動控制裝置，能實現對能源損耗的有效控制，補償效果顯著。

2 無功補償自動控制中電工電子技術的應用

■2.1 機械式接觸設備的應用

一般來說，在供電網絡系統中，無功補償裝置通常安裝在低壓或高壓并聯的電容器電路上中，并通過并聯電容器的開發接觸和開關方式而實現，具有開關自動化的功能。在電力系統電網運行中，無功補償自動控制裝置在補償輸入時的電壓初始值較低，在合閘后，會出現電壓值大量增加的情況，這種情況下會導致電容器出現涌流現象，縮短供電設備的使用時間，從而降低電力企業經濟效益，甚者可能會造成短路大面積停電。為此，必須應用電工電子技術，適當引入機械式接觸設備，采用并聯的方式進行連接。通常來說，并聯電容器的補償成本比較低，且補償效果較為顯著，能有效控制涌流的現象，這樣可以延長電氣設備的使用年限，提高企業經濟效益。

■2.2 無觸點晶閘管的應用

當電容器出現涌流現象時，容易造成接觸器觸頭上的盒子燒毀，在傳統無功補償控制中，主要是依靠并聯電容器來控制涌流現象，但這種控制方法易于受到多種因素的影響，控制效果較差。但通過電子技術的無功補償自動控制，運用無觸點晶閘管可以有效利用可控硅實現電流為0時的自動斷開控制，把無功補償自動控制的風險降至最低，這樣可以有效避免電容器在投切過程可能造成的線路和設備燒毀等問題的產生。但在實際應用過程中，由于無觸點晶閘管的電容器在運行時，在可控硅處會產生0.7V的結壓降，從而影響電容器的正常工作，因此，需要對無功補償自動控制裝置進行進一步的優化與改善。

■2.3 復合開關的應用

一般來說，可控硅與交流接觸器之間采用復合開關并聯起來，其主要作用是能夠更好、及時地控制可控硅的開關，并保護電網系統的正常運行。當電路中電流為零時，可控硅開關會及時的、自動地斷開，有效降低無功損耗。但由于在復合開關的實際應用過程中，當發生涌流時，復合開關可能會無法及時斷開，從而難以有效發揮復合開關的作用。因此，需要根據電網系統的實際需求和無功補償自動控制裝置的性能需求選擇合適的復合開關，切實保障電力系統的電路無功補償效果。

■2.4 電路仿真的應用

伴隨著電工電子技術的飛速發展，利用計算機輔助電工電子設計與分析已經成為一種常態。基于計算機進行輔助仿真分析，可以通過搭建仿真電路系統，及時發現無功補償自動控制中存在的問題，并進行修改，在確定電路不存在問題后，再開展具體的實施工作，這樣可以有效提高電力系統的自動控制效果，盡可能地降低運輸線路的損耗。

3 基于電工電子技術的無功補償自動控制裝置在電力系統中的應用案例

■3.1 在電力系統自動啟動中的應用

電力系統是由自動發電、自動電壓和自動穩定三個控制系統所組成，近年來，隨著電工電子技術的快速發展，單片機、微處理器、功率管、功率開關管等設備及其技術在也都得到了廣泛的應用，從而為實現無功補償的自動控制提供了基礎條件。在無功功率自動控制補償器的開發過程中，電工電子技術的應用，助推了很多新技術的誕生，比如，補償控制器、補償電容器的鏈接方法、并聯電容器投切開關等，可以實現對電路中涌流現象的有效控制和消解。此外，隨著現代科學技術的發展，電動電子的各種元器件及設備的體積逐漸變小、功率逐漸變大，能夠在一定程度上彌補傳統電力系統無功補償存在的弊端，充分體現無功補償自動控制裝置的及時性。

■3.2 在電力系統發電環節中的應用

在電力系統供電過程中，許多設備與發電環節有著十分密切的關系，所以，這些設備的運行狀態是否最佳，將會直接影響這整個電力系統的供電效率和質量。通常來說，利用數字技術可以實現對可控硅靜止勵磁的優化與改善，這樣可以避免電壓波動帶來的負面影響。在電力系統的發電環節中，運用基于電工電子技術的無功補償自動控制裝置，可以讓發電設備的運行效率實現最佳，從而達到降低能源損耗、實現電力系統節能的目的。例如，在發電環節中，使用風機水泵的能耗通常比較大，若使用變頻調節技術，可以很好地調節風機水泵的速率，這樣就能有效控制風機水泵的能耗問題。

■3.3 應用案例

圖3為110KV/10KV降壓電站系統的示意圖，該系統的主要功能是對發電機經過降壓變壓器后負荷供電。下面筆者結合該例對基于電工電子技術的無功補償自動控制裝置在電力系統中的應用進行闡述。

圖3 110KV/10KV降壓電站系統的示意圖

結合已有文獻資料，可以得到電容器的補償容量為：

在公式（3）中，電容器的補償容量部主要取決于變壓器的變比及電路的調壓要求。

由于電容器組在實際運行過程中消耗的只有“容性無功”，且只能提供“感性無功”，這樣就導致電容器組難以通過吸收“感性無功”來達到降壓的目的。

為解決上述問題，如圖4所示，對于電容器組的補償容量和變壓器的分接頭分別按照最大負荷調壓要求和最小負荷電容器退出運行進行計算，首先將電路中的全部電容進行切除，此時電路中為最小負荷電容器退出運行狀態，負荷大小為：

圖4 110KV/10KV變電仿真系統

接著，對變壓器的檔位進行適當調節，使其能夠最接近低壓側的調壓要求，為：

然后，利用Powergui Steday Tool就能計算出變電站的低壓側母線電壓大小為10.4KV，從而就能夠計算出相應的電壓偏移率：

該值的大小在調壓要求范圍之內，符合電力系統正常運行要求，此時，電路系統的實際變比為：k=10.841。得到變比后，可以利用Powergui Steday Tool計算在將全部電容切除后的最大負荷：

其相應的低壓側母線電壓大小為9.042KV。這樣就能根據公式（3）計算出Qc=8.75Mvar ，根據計算結果應該考慮無功電源的備用。

計算出電路中所投入電容器組的額定功率大小為9Mvar，所以，可以將電容器分為10組，其中每一組的額定功率為9Mvar。

通常來說，電力系統在每晚八點時的負荷最大，且為：S=18+j15MVA，此時，未投入電容器組的變壓器分接頭電壓為110×(1+1×2.5%)=112.75KV，利用Powergui Steday Tool進行分析，可知整個電力系統的運行狀態處于區域4的范圍內。

根據區域4的控制策略，計算投入電容器大小為：

所以，在電路系統中，可以投入2-10組的電容器組，其對應的Qc(Mvar)、U2(KV)、cosφ1如表1所示。

表1

在這一過程中，利用電工電子對無功補償自動控制裝置進行了電路仿真，在不同的電網運行狀態下，影響功率的因素也不同，為此，需要對系統的運行區域進行精準定位和分析，然后根據其相應的控制策略來確定需要投入電容器組的數量，從而實現對電路系統電壓及其功率的有效調節，以確保系統運行的穩定性和安全性。

4 結束語

無功補償自動控制在電力系統中的應用十分廣泛，不僅能有效降低電力設備所產生的能耗，提高電力設備傳輸能力，而且大大提升了電力系統的穩定性、安全性和經濟性，有利于企業實現企業良好的經濟效益，為實現持續穩定的電力傳輸和電力供應提供了強有力的保障，具有高度實用價值。