無功補償自動控制中電力電子技術的運用

摘要：在電力系統應用中，使用無功補償技術能夠顯著提高供電效率、降低用電損耗。在一些結構復雜、規模較大的電力系統中，推廣使用無功補償自動控制裝置，可以實現對電力系統運行功耗的實時監測，并利用機械式接觸器、無觸點晶閘管等電力電子設備，實現對電壓、電流以及投切方式的靈活調控，在保證電力系統穩定運行的前提下，將電能消耗降至最低。本文首先介紹了電力系統中常見的幾種無功補償自動控制裝置，如無功補償同步調相機、靜止無功補償裝置、無功補償電力容器等。隨后概述了利用無觸點晶閘管、復合開關等電力電子技術實現無功補償自動控制的方式，為更好發揮無功補償實用效果提供了借鑒。

關鍵詞：無功補償;電力電子技術;無觸點晶閘管;復合開關

根據電能做功形式的不同，將電網輸出功率分為兩種：電能轉化為熱能、機械能并直接做功的，屬于有功功率;電能轉化后無法直接做功的，屬于無功功率。如果電網的無功功率太大，除了會造成電能的浪費外，還會對電網中各類電氣設備造成損害，縮短其壽命。因此，必須要采取措施進行無功功率補償。將電力電子技術與無功補償裝置相結合，能夠實現對電網運行工況的實時監測，并結合無功功率的大小自動確定最佳補償狀態，使電力系統運行的經濟性和穩定性達到最佳。在這一背景下，探究電力電子技術在無功補償自動控制中的應用策略，對進一步提高無功補償效果、改善供電環境有積極幫助。

1.電力系統中無功補償自動控制裝置

在電力系統運行過程中，受到變壓器載荷變化、供電電壓波動等因素的影響，無功功率也會在一定范圍內波動變化。為了取得最佳的無功補償效果，切實降低無功功率對電力系統中發電機、輸變電設備和線路的負面影響，必須要借助于自動控制裝置，實現無功補償的自動化。其中，像靜止無功補償裝置、無功補償電力容器等，都是比較常用的無功補償自動控制裝置。

1.1無功補償同步調相機

同步調相機本質上是一種可以同步旋轉的發電機。接入電力系統并正常運行的同步調相機，能夠在監測到電力系統中電壓降低時，自動增加無功輸出功率;同樣的，在監測到電力系統的電壓升高時，又能吸收無功輸出功率。提供靈活的無功補償，以維持電壓始終處于相對恒定的狀態，達到保障電力系統穩定運行的效果。除此之外，相比于常規的無功補償裝置，同步調相機也有自己的特殊優勢。例如補償范圍廣、跟蹤速度快、電壓調整平滑等。在一些裝機容量超過10MVA的變電站、換流站，同步調相機的應用效果良好。當然，同步調相機也存在缺陷，例如結構組成較為復雜，后期運行維護難度較大。近年來，隨著SVC（靜止無功補償器）的大范圍推廣，同步調相機逐步被取代。

1.2靜止無功補償裝置

作為現階段主流的無功補償自動控制裝置，靜止無功補償器在各類電力系統中均有使用，既可以用于無功補償，也能提供電壓補償。除了穩定電力系統的電壓外，安裝靜止無功補償器還會具有提高系統阻尼與維護暫態穩定等特殊效用。根據電抗器調節方式的不同，具體又可以分為三種類型，即可控飽和電抗器型、自飽和電抗器型、相控電抗器型。相比于常規的電力容器，靜止無功補償器在電力系統中的應用優勢主要體現為：第一，調節速度快，尤其是在電力系統出現嚴重的欠電壓或過電壓時，幾乎可以做到即時響應、立刻動作，提供無功補償使電壓盡快恢復至正常水平，從而減少對電力設備的損害;第二，組成結構簡單，后期維護難度低。靜止無功補償器內部沒有旋轉部件，因此故障率和維護成本較低。此外，該裝置也有一定的缺陷，例如在無功補償過程中有可能產生諧波，需要在電力系統中額外采取諧波抑制措施，否則可能會對電力系統造成污染。

1.3無功補償電力容器

電力補償電容器是一種較早應用于無功補償的裝置，但是隨著電力系統結構的復雜化、電力設備種類的多樣化，電力補償電容器的應用弊端也變得較為明顯。例如，該裝置不支持持續性調節，因此補償效率不高;還有就是電力補償電容器只支持交流接觸器投切，頻繁投切會加速觸頭振動、發生起弧現象，嚴重時還會導致無功補償裝置被燒毀，增加了維護成本。隨著電力電子技術的成熟發展，近年來智能無功補償電容器開始得到推廣使用。該裝置集合了現代測控、電力電子、人工智能等若干先進技術，具有體積小巧、功耗更低、補償效果更好、檢修維護方便等一系列優勢。相比于常規的電力補償電容器，新一代的智能無功補償電容器工作環境溫度范圍擴大至-25～55℃;測量精度方面，電壓、電流測量精度≤0.5%，功率因數測量精度≤±0.01;工作期間電壓總畸變≤5%。

2.無功補償自動控制中電力電子技術的應用

2.1利用機械式接觸器實現無功補償自動控制

在電力系統中實現無功補償自動控制，需要將無功補償裝置與開關設備以并聯形式連接。由于電流輸入裝置的初始電壓為零，當無功補償裝置動作、控制開關閉合時，電力系統中的電壓會快速升高，電網中涌入瞬時大電流。這種電流會增加電力設備的運行負載，嚴重時還會導致電力設備被燒壞。為了保護電力系統中的各類電器元件，必須要安裝機械式接觸器。該裝置有鐵芯、彈簧、線圈等組成，當監測到電力系統中電壓過快升高時，機械式接觸器的鐵芯通電，并在電磁場作用下產生磁力、吸合線圈，電路中電阻增大，達到降低瞬時大電流沖擊影響，進而穩定電壓、降低能耗的效果。另外，機械式接觸器還可以抑制電容器投切時產生的涌流，保護電路系統中的開關、互感器等設備不受損害，保證了無功補償自動控制功能的實現。

2.2利用無觸點晶閘管實現無功補償自動控制

在一些投入使用年限較長的無功補償電容器中，長期、頻繁地合閘會導致接觸器的觸頭處保護層脫落，即便是合閘以后也無法正常發揮調解電壓的效果，此時電容器中產生較大的涌流，導致電容器發生故障。要想避免此類問題，一種方法是定期檢查接觸器的觸頭，如果發現有損壞要立即更換。另一種方法則是借助于電力電子技術，把無觸點晶閘管安裝到電力系統中，與無功補償自動控制裝置并聯。在監測到無功補償電容器的運行電壓超過或低于正常范圍時，自動投切進行電壓調節;如果電容器的電壓為零，則無觸點晶閘管斷開，形成斷路。這樣就防止在電容器合閘時出現涌流、燒毀裝置的情況。需要注意的是，無觸點晶閘管投入使用后，自身也會產生一定的諧波電流，進而因為電流熱效應引起電力設備升溫，因此還應配備排風扇加快熱量散失，保護電力設備。

2.3利用復合開關實現無功補償自動控制

基于電力電子技術的復合開關，使用微機控制，可以在電力系統無功補償自動控制中，自動尋找最佳投切點，以更快的速度完成電壓調節，實現無功補償目的。在應用效果上，復合開關與無觸點晶閘管有較高的相似性，此外還具有特定的優勢：（1）復合開關在無功補償自動控制中，不會產生諧波電流，從而避免了因為發熱而導致電力設備燒毀的情況。同樣的，不需要在電力系統中額外安裝散熱裝置，系統結構簡單，后期維護方便。（2）可提供多重保護功能，例如電壓缺相保護、欠壓保護、自診斷故障保護等。微機在實時采集電力系統中各類元件運行參數的基礎上，判斷有無異常數據。若發現異常數據并判斷故障類型后，復合開關拒絕閉合或自動斷開，從而保護電力系統。除此之外，復合開關的使用壽命更長，功耗更低，在很多場合下可代替無觸點晶閘管使用。

結語：在電網覆蓋范圍增加、電力設備數量增多的背景下，電力系統運行過程中無功功率也呈現出上升趨勢，造成了電能的浪費，影響供電的質量。因此，電力企業必須要采取無功補償措施來增加電網運行功率、改善電能質量，滿足電力用戶的用電需求。無功補償自動控制裝置可以實現快速、靈活調節。在此基礎上，將電力電子技術應用到無功補償裝置中，在進一步提高無功補償效果的同時，還能延長無功補償裝置的使用壽命，對保障電力系統穩定運行和維護電力企業的綜合效益也有積極幫助。

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作者簡介：王榮華（1978.12—），男，籍貫：云南祥云，高級工程師，職務：研發總監，研究方向：電力電子技術、電機系統、數字電源、光伏逆變、變頻器、電焊機等。