電氣自動化控制中無功補償技術的運用

張文斌

（陜西涌鑫礦業有限責任公司）

0 引言

如今，人們生產生活對電能需求量不斷增加，電力系統建設規模不斷擴增，復雜度也隨之增加，電氣設備運行中面對更為復雜的環境及本體非線性因素增多，直接增加了電氣控制難度，電氣設備自動化發展情況得到全社會的關注。無功補償技術作為基于無功功率理論發展起來的一種全新補償辦法，主要是運用容性及感性功率負荷變化情況及有關控制裝置并聯在電路內，通過能量轉換的過程調整運行條件，實現對被控對象的有關管控。電氣設備運行中合理運用無功補償技術，能有效控制無功損耗、諧波等問題給輸電效率帶來的影響，為電氣自動化發展提供可靠的技術支持。

1 電氣自動化中運用無功補償技術的意義

（1）提升電壓質量

長期以來，人們格外關注電力企業電壓質量的實現情況，電壓質量也是影響電氣自動化發展水平的一個主要因素。為了能使電氣設備電壓質量符合規范要求，就要明確電壓損失的重要意義。若電氣設備運行過程中電壓損失很少，就代表著電壓質量較高。合理運用無功補償技術，能有效控制電路內無功功率的傳輸過程，減少電壓損失，提升功率，使電壓質量得到一定保障。

（2）減少成本投入

現代電力企業在日常運營管理時，電氣自動化處于重要地位，加大資金投入力度是實現電氣自動化的基礎。在無功補償技術的協助下，企業在發展電氣自動化時能減少成本投入，主要得力于該項技術能降低電路內的無功功率，這不僅能顯著增加電路功率的轉化率，還能增加功率因數。當功率因數提高時，變壓器的實際運轉效率也會有很大提升[1]。在這樣的工況下，電氣設備不會對變壓器提出過高的要求，提升設備運轉效率。設備在這種情況下進行運輸變電裝置方面的支出。

（3）減少用電費用方面的支出

關于功率因數的確定問題，我國相關部門早已出臺了較精準的標準規范。若用戶端的整個功率因數與規定值相比很低時，就要結合實際情況，采用適宜的方法對用戶進行處罰。為了節省費用支出，將電氣運行損耗降到最低，就要使功率因數的科學性及合理性得到保障。運用無功補償技術，一方面能明顯提升電路的功率因數，另一方面還能規避不必要的電路損耗狀況。

（4）保證電力系統運行效率

電氣自動化運行期間，主客觀多種因素會影響設備的運行功率，例如電力系統可能出現能源損耗、電壓與負荷增加等情況，若不能及時處理，則易導致電氣使用壽命明顯縮短。運用無功補償技術，一方面使電力系統整體運行效率得到保障，另一方面也能科學部署電網內的無功功率，提升系統運行有效性，減少或規避不必要的損耗現象。另外，既往供電時電網功率因數被調低，此時輸電線路與變壓器損耗的風險會增加，而運用無功補償技術能有效規避以上情況，確保輸電過程的穩定性，提升電力輸送效率。

2 無功補償技術的應用

（1）自動化無功補償控制模型

為了能自動化管理控制電氣設備，引進并運用無功補償技術，在電氣設備上連接無功補償器與自帶開關的電容器，實現對設備運行狀態的精準控制。無功補償器內有高、低壓接點。無功補償器投用過程中，為了維持一個相對穩定的狀態，會自動生成一個容性極限值及感性極限值。晶閘管控制電抗器（TCR）、晶閘管投切電容器（TSC）均是當前常用的無功補償裝置，具體應用時均可以將其視為可調節式的并聯電容，其性能明顯優于傳統并聯電容器，主要作用是維持端電壓的恒定性，連續調節電力系統的轉換功率，均能較好地滿足現實需求。并且這種裝置的響應速度也顯著好于傳統裝置，在20世紀80年代時研發出一種新型并聯無功補償裝置，這種裝置以變換器技術為支撐，整體結構和電壓源很相似，通過調控電壓相位及賦值的形式去調控無功功率，德、美等國家將這種裝置叫做靜止同步補償器（STATCOM），有研究發現，STATCOM的響應速度是TSC的2～5倍，大概是20ms，當電力系統運行期間突發故障問題時，電壓快速降低，通過控制響應電流以使無功功率始終處于平衡狀態，確保電力系統暫時的穩定性[2]。實踐中把無功補償器補償方式布置成靜止式補償，電氣設備正常運行過程中，無功補償器全程處于在線性控制范疇中，由高壓節點至靜止無功補償可以把其看成是串聯一個電壓源與一個斜率阻抗的形式。當電氣設備運轉期間逐漸抵達無功補償器的容性極限時，可以把其視為一個低壓節點與固定的容性電納相連。綜合以上分析內容，建設出自動化無功補償控制模型，如下圖所示[3]。

圖 自動化無功補償控制模型

圖中，Lu、Hu分別代表低壓、高壓節點，M即為虛節點，U1、U2均表示電壓。運用圖模型表示無功補償，若無功補償器運行過程中始終處在線性控制范疇中，則可以運用該模型表示電氣的等效電路，不管是哪種運行狀態，當抵達無功極限時補償器都可以被看成是一個小變電納。

（2）自動采集電氣設備的電流電壓參數

電氣自動化控制過程中，在構建出補償控制模型后，可以實時自動采集設備電壓與電流，通過觀察電壓及電流參數改變情況明確電力設備的運行狀態，為后期電容投切方式控制提供可靠依據。既往多通過測量電壓與電流之間的相位差去表示電氣設備的功率因數，以上這種傳統采樣方式具有一定局限性，僅能在電壓與電流都是正弦基波的情況下才能確保采集數據的高精準度。為規避以上問題，本課題運用三相電路瞬時無功功率檢測法去測量電氣設備運行中的電壓及電流值。具體采集時要合理運用無功補償器，其能及時、精準地獲得無功功率數據，利用該數據闡述投入電容容量[4]。電容容量被投入后，若電氣設備的功率因數出現改變，則電流與電壓均會改變，基于以上變化，能較客觀地呈現出電氣設備的實際運行狀態。采集參數時，將工業標準的RS-485通信接口及DL·T645通信協議引進無功補償器內，建立健全組網結構，提升電氣設備運行中的電流、電壓參數的采集及傳輸效率。

（3）電氣電容投切開關控制

在獲得電氣設備運行電流、電壓數據后，結合設備實際運行需求，合理控制其電容投切開關。具體是并聯電容投切開關與電容器組，對電氣設備運行調壓管理，借此方式獲得無功功率平衡效果。對電氣設備采用電壓補償策略之前，先要計算其電壓損耗△U，公式是[5]：

式中，U′為運用以上方式采集到的設備電壓；R為電阻；X為補償之前的線路電抗。

運用以上運算出電氣設備正常運轉時的電壓損耗量，以此為基礎，應用無功補償技術進行補償，且在無功補償容量和設備自身的容量值相等時，就可以認定是達到對無功的完全補償。為確保現實操作中電氣設備始終能維持穩定運轉狀態，要在建設好無功補償模型后，增設數個具備檢測電流電壓的傳感器設備及收發電容投切開關信號的裝置。具體控制時對比電氣設備各項實際運行參數與設計好的控制當量，據此判斷電氣設備控制效果是否符合預期。另外，當前國內很多電氣設備運行環境復雜，故而在部分情景下還要采用遠程操控電容投切開關形式去管理設備的啟停動作，實現遠程自動化控制，進一步提升設備運行的安全性、可靠性。

3 提升無功補償技術在電氣自動化領域應用效果的措施

（1）運用并聯混合有源濾波器

縱觀國內外電氣自動化系統運作情況，并聯混合濾波器是控制無功補償體系的最先進形式，這種無功補償最大的作用在于處理因電力負荷改變導致的濾波補償偏差等問題。新時期，我國電力系統已進入到新的發展階段，并聯混合補償方法聚集了多種傳統技術的優越性，更好地完善了電氣自動化的運行工況，提升功率補償工作效率[6]。這種無功補償模式能更加明顯減少額定功率損耗量，協助電力企業降低電網建設成本，提升資金調配與利用效率，使電氣自動化運行穩定性得到更大保障。

實際使用并聯混合的無功補償方案時，能更好地管理輸電網的電容裝置與組裝方案，使無功補償體系充分發揮自身的功能作用，維持補償體系及輸電體系運行的穩定性。并聯混合補償已經是電力自動化系統內的關鍵技術，逐漸實現普及化，其能明顯減少輸電成本投入，提升系統運行速率，延長設備使用壽命。

（2）參照地區用電狀況確定無功補償方案

我國國土遼闊，不同地區氣候環境有明顯差異，故而電能需求程度也參差不齊。社會經濟較發達且人口密度大的區域對無功補償提出的要求較高，偏僻且人口稀疏地區的要求較低，可以將其作為無功補償技術用于電氣自動化領域提供參照[7]。實際工作中要綜合各地區的用電狀況，比選出適宜度最高、實用性最強的無功補償方案，確保電能需求較高的地區能順利構建出配網無功補償體系，在配電設備的低壓系統內安裝電容裝置，為無功補償技術創造相對穩定的運行條件。以上措施還能使電氣系統穩定性與周期性得到更大的保障，減少輸電過程中的能耗量，實現真正意義上的降本增效。

（3）加強用戶端的管理

新時期下，無功補償方案的應用不僅要連續提升自身技術的應用水平，也要加強用戶端的管理力度，幫助更多的電力用戶明確無功補償技術應用的優勢，循序漸進確立無功補償觀念，能進一步完善無功補償的應用性能，使電力自動化系統運行穩定性得到更大保障。為達成以上目標，管理人員應加大無功補償技術理念的宣傳傳播力度，全面提升用戶對該項技術的認可度，進而更有效、便捷地應用無功補償方案為廣大用戶提供可靠電能。另外，結合無功補償技術的應用現狀，在技術層面上再進行突破，進一步提升其成熟度、先進性，使其在電氣自動化系統內表現出更大的作用。整體來說，通過加強用戶端管理，能為無功補償技術有效應用創造更好的環境條件。

4 結束語

新時期，我國提出了節能降耗的發展理念，將無功補償技術用在電氣自動化領域，十分契合以上理念。合理應用無功補償技術，能顯著提升電力系統的功率因數，減少供電變壓器及輸電線路的損耗，進而提升電能資源的利用效率，極大地改善了供電環境。后續發展中要不斷完善無功補償技術的應用過程，提升其發展水平及實際應用的穩定性，輔助增加電力系統運行效率，為社會經濟發展做出更大的貢獻。