電力電子技術(shù)在無功補償自動控制中的應(yīng)用

周學(xué)成，陳超鑫

（1.威勝電氣有限公司，湖南 湘潭 411201；2.威勝信息技術(shù)股份有限公司，湖南 長沙 410006）

0 引 言

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，人們的用電需求逐漸增加，簡單的供電系統(tǒng)已不能滿足目前快速增長的電量需求。電力系統(tǒng)逐漸復(fù)雜化，輸送線路也越來越復(fù)雜，由于輸送關(guān)系越來越復(fù)雜，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到影響，相關(guān)研究人員提出采用無功補償自動控制來增加供電的穩(wěn)定性。經(jīng)過不斷地研究和發(fā)展，可將電力電子技術(shù)與無功補償相結(jié)合，保證供電的可靠性[1-3]。應(yīng)用電力電子技術(shù)，可更好地滿足現(xiàn)代社會對電能的需求，為電力傳輸提供堅實的基礎(chǔ)，保證供電安全。

1 電力電子技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及優(yōu)勢

電力電子技術(shù)在發(fā)展中逐漸進(jìn)步，目前該技術(shù)應(yīng)用了新型轉(zhuǎn)化方式，可實現(xiàn)交直流的高速轉(zhuǎn)換[4]。電子電氣設(shè)備具有體積小、功耗低、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，可有效提高電力系統(tǒng)的工作效率和控制能力。由于電力系統(tǒng)的發(fā)電聯(lián)動與許多發(fā)電設(shè)施密切相關(guān)，這些設(shè)施的運行狀況將會直接影響發(fā)電效率和質(zhì)量，因此在無功補償自動控制中可使用電力電子技術(shù)提高發(fā)電效率和發(fā)電質(zhì)量。利用電力電子技術(shù)控制自動復(fù)合開關(guān)，可減小電路功率損耗，對電力系統(tǒng)的發(fā)展具有重要意義[5]。

2 無功補償自動控制原理

在電力電子技術(shù)發(fā)展過程中，電網(wǎng)輸送也越來越復(fù)雜。為保證大容量傳輸，研究人員研究無功補償自動控制原理，控制電力穩(wěn)定輸送，目前無功補償裝置已廣泛地應(yīng)用于當(dāng)前的電力系統(tǒng)中[6]。應(yīng)用無功補償裝置可減輕電網(wǎng)負(fù)荷，保證系統(tǒng)安全可靠運行。此外，安裝無功補償器可有效減輕電力設(shè)備的磨損，使電力系統(tǒng)在安全可靠運行的前提下持續(xù)供電。在施加功率的過程中，不同的供電方式和電機會產(chǎn)生較大的功率差異。在日常生活中，常用電器如熱水器、白熾燈等，電流和電壓基本上是同相的，電流和電壓的乘積等于用電的有功功率，增加了系統(tǒng)電壓不穩(wěn)定的問題[7]。為保證無功補償原則，需要去除電路中的電流，平衡電路系統(tǒng)，根據(jù)該規(guī)律繪制了無功補償裝置的發(fā)展示意圖，如圖1所示。

圖1 無功補償裝置發(fā)展示意圖

由圖1可知，無功補償裝置在發(fā)展中首先演變成靜置同步補償器和靜置無功補償裝置，再由靜止無功補償裝置演變成混合裝置、無功補償裝置及ECRFC、SVC，在演變后可有效較少設(shè)備運行損耗[8]。通常情況下，可使用并聯(lián)低高壓混合法安裝無功補償裝置，避免供電過程中出現(xiàn)高低壓不穩(wěn)定的情況。在某些實踐課程中，電力電子技術(shù)可產(chǎn)生良好的應(yīng)用效果。此外，為了最大限度地發(fā)揮無功補償器的性能和優(yōu)勢，應(yīng)合理設(shè)計無功補償器的位置，充分發(fā)揮補償作用。在目前的電力系統(tǒng)中，可將無功補償分為3部分，即電力系統(tǒng)、負(fù)載設(shè)備以及補償設(shè)備。單相電路如圖2所示。

圖2 單相電路

根據(jù)圖2所示的單相電路圖，可計算此時動態(tài)補償電壓為：

式中，U代表動態(tài)補償電壓，U0代表初始電壓，ΔQ代表負(fù)載功率，Ssx代表電力裝置容量。根據(jù)補償電壓，繪制動態(tài)補償原理如圖3所示。

圖3 動態(tài)補償原理

由圖3可知，此時電壓處于動態(tài)補償狀態(tài)，電壓差為：

根據(jù)電壓差計算公式，擬合電壓具體變化情況，設(shè)計電力系統(tǒng)提供的電壓比例，保證負(fù)載工作時能實現(xiàn)正常功率轉(zhuǎn)換。在動態(tài)補償過程中，為保證功率補償?shù)姆€(wěn)定性，可在負(fù)載功率發(fā)生變化時適當(dāng)增加負(fù)載的數(shù)量，保證此時的功率值不變，使電網(wǎng)電壓始終處于穩(wěn)定狀態(tài)，實現(xiàn)功率參數(shù)補償[9]。

3 電力電子技術(shù)在無功補償自動控制中的應(yīng)用

3.1 控制機械式接觸設(shè)備

無功補償自動控制中最關(guān)鍵的就是自動化，自動化控制往往是通過并聯(lián)電容器觸發(fā)的，因此在控制中為保證自動化輸入補償?shù)挠行裕枰刂茩C械接觸設(shè)備，保證并聯(lián)電容的輸入補償穩(wěn)定。如果在輸入補償時出現(xiàn)激增現(xiàn)象，則此時的電壓幾乎接近零，在電容器閉合時會發(fā)生浪涌，進(jìn)而導(dǎo)致電容器損傷。在電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)計新的機械式接觸設(shè)備，避免電壓降低造成的短路現(xiàn)象，減小電路能源損耗，抑制此時產(chǎn)生的浪涌現(xiàn)象。除此之外，還可使用接觸器增加電阻，避免能源損耗。

3.2 控制無觸點晶閘管

電力系統(tǒng)中一個非常重要的設(shè)備是電容器，該設(shè)備在電力系統(tǒng)運行時會出現(xiàn)涌流故障。為避免涌流故障的發(fā)生，可使用電力電子技術(shù)控制無觸點晶閘管。涌流現(xiàn)象會產(chǎn)生非常嚴(yán)重的后果，例如接觸位置的接線盒損傷、供電線路中的接觸器燒壞等都會在一定程度上影響電容器的使用壽命。隨著電力電子技術(shù)的不斷創(chuàng)新和進(jìn)步，固態(tài)繼電器和非接觸晶閘管應(yīng)運而生。非接觸晶閘管的優(yōu)點是當(dāng)電網(wǎng)電壓為零且晶閘管中的電流為零時，可實現(xiàn)自動關(guān)斷，保證電容器安全工作，降低電容器損傷概率。無觸點晶閘管的工作示意圖如圖4所示。

圖4 無觸點晶閘管工作示意圖

由圖4可知，在電容器的實際運行過程中，晶閘管內(nèi)部會形成0.7 V左右的結(jié)構(gòu)壓降，并形成諧波電流，影響電容器的正常運行。此外，在此過程中會產(chǎn)生大量的熱量，使周圍的設(shè)備產(chǎn)生較高的溫度，在一定程度上影響設(shè)備的正常運行。如果此時周圍的設(shè)備熱度超標(biāo)，很有可能出現(xiàn)大范圍設(shè)備故障，造成設(shè)備損傷。應(yīng)用電力電子技術(shù)控制晶閘管，可避免使用電風(fēng)扇造成的功耗超標(biāo)現(xiàn)象，發(fā)揮良好的散熱效果[10]。

3.3 控制復(fù)合開關(guān)

在無功自動補償控制中，復(fù)合開關(guān)的控制決定整個無功補償控制系統(tǒng)的性能。為保證電力系統(tǒng)實現(xiàn)有效控制，可使用電力電子技術(shù)，搭建可控開關(guān)接觸關(guān)聯(lián)通道。該通道可在自動控制中隨時根據(jù)電路的狀態(tài)控制開關(guān)的閉合，保證控制過程中的電流時刻處于穩(wěn)定狀態(tài)。此外，應(yīng)用電力電子技術(shù)搭建的控制通道還能避免功率損耗，減小功率消耗總量，達(dá)到節(jié)約電能的目的。在使用電力電子技術(shù)控制復(fù)合開關(guān)時，還需注意部分特殊問題。例如控制三相復(fù)合開關(guān)時要注意降低補償電壓，避免出現(xiàn)開關(guān)損壞；在控制單相復(fù)合開關(guān)時需要采用功率因數(shù)相近的電網(wǎng)，保證自動控制的穩(wěn)定性[11]。

3.4 進(jìn)行電路仿真

電力電子技術(shù)在不斷發(fā)展和創(chuàng)新中得到進(jìn)步，尤其是在科技發(fā)展后，電子信息技術(shù)迅速進(jìn)步也帶動了電路設(shè)計的發(fā)展，應(yīng)用計算機技術(shù)構(gòu)建電力電子的仿真電路，取代傳統(tǒng)電路，實現(xiàn)精確仿真。在進(jìn)行仿真電路設(shè)計時可將其分成幾個部分，第一部分為主電路，第二部分為控制電路。使用接觸器等裝置構(gòu)成主電路，可保證主電路的穩(wěn)定性。在進(jìn)行電路仿真時，還可解決電路仿真中出現(xiàn)的交流接觸器異常問題，保證交流接觸器投切的穩(wěn)定性。記錄電路仿真中產(chǎn)生的波形，根據(jù)實際情況切實分辨此時電路的具體情況[12]。

為保證電路仿真的有效性，還可應(yīng)用電力電子技術(shù)設(shè)計復(fù)合開關(guān)。普通的電路仿真在進(jìn)行時往往由于電容容量不足產(chǎn)生各種各樣的問題，為避免產(chǎn)生容量問題，可應(yīng)用電力電子技術(shù)來擴大電路容量，當(dāng)電壓下降到0時開始擴容，在保證接觸器閉合的條件下實現(xiàn)控制，避免波形出現(xiàn)異常波動。擴容后再將電容取出，進(jìn)行下一次仿真，防止電網(wǎng)出現(xiàn)過度尖峰。

4 結(jié) 論

綜上所述，電力電子技術(shù)在經(jīng)濟發(fā)展過程中占有非常重要的地位，對人們的生活發(fā)展具有重要作用。隨著社會科技發(fā)展，供電穩(wěn)定性越來越受到人們關(guān)注，為保證電力輸出的穩(wěn)定性，需要利用電力電子技術(shù)研究無功補償自動控制。研究表明，該技術(shù)在控制機械接觸設(shè)備、晶閘管、復(fù)合開關(guān)和電路仿真中都有重要意義，為后續(xù)自動控制技術(shù)提供參考。