電氣自動化中無功補償技術及其應用探究

韓冬

（國網山東省電力公司東營供電公司，山東 東營 257100）

近年來，隨著中國電氣技術水平的提高，供電能力與供電質量顯著提升。與此同時，隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的擴大以及設備接入數量的增多，系統(tǒng)運行狀態(tài)受到電壓波動、諧波增大等因素的影響，穩(wěn)定性較差。在這一背景下，無功補償是改善供電環(huán)境與提高供電效率的重要技術舉措，也為諧波治理等問題提供了可行的解決途徑。

1 無功補償技術概述

1.1 無功補償原理

在電氣自動化系統(tǒng)運行期間，輸出功率由無功功率、有功功率2 部分組成，受到諸多因素影響，有功功率比例常數有所降低，導致功率因數隨之下降，產生超過預期的線損量。而無功補償則是在系統(tǒng)中加裝潮流控制器、有源濾波器等裝置，持續(xù)補償無功功率，以此來提高有功功率輸送比例，維持穩(wěn)定的功率因數[1]。

1.2 無功補償實現(xiàn)方式

在電氣自動化系統(tǒng)中，常用的無功補償方式分為集中補償、分組補償、單臺電動機就地補償3 種，具體如下。

集中補償。把并聯(lián)電容器組在高壓或是低壓配電線路中進行布置，根據配電線路實時無功負荷來提供無功補償。這一方式有著裝置布置集中、易于維護、成本低廉的優(yōu)勢，但大功率電氣設備的實際補償效果有限，還有可能在設備斷開時出現(xiàn)無功倒送現(xiàn)象，當前多用于小型電氣自動化系統(tǒng)。

分組補償。在變壓器低壓側端配置并聯(lián)補償電容器，按照負荷變化情況進行分組，在電氣自動化系統(tǒng)運行期間，根據負荷實際變化情況來調整電容器投切組數，投入適當的電容容量，以此來維持無功平衡狀態(tài)。此項補償方法有著電容器自動跟蹤負載變化、無人工干預條件下自投切補償電容器的優(yōu)勢，但對分組數量有著較高要求，在分組數量過少時會形成過大容量變化梯度，進而影響到無功補償效果，需要在條件允許的前提下，通過增加分組數量來減小容量變化梯度。

單臺電動機就地補償。把并聯(lián)電容器布置在單臺電動機部位，保持電容器、電動機二者相互連接狀態(tài)，負責吸收感性設備無功量并轉化至有功能量后提供給電感設備。此項方式有著可隨時啟停補償裝置、裝置易于安裝、明顯降低線損量的優(yōu)勢，但對控制器響應能力有著嚴格要求，補償電容容量精度較低。

1.3 無功補償作用

無功補償技術主要起到減少線損量、減少電氣設備容量2 項作用。其中，減少線損量是通過補償無功功率、增加有功功率比例常數來調整功率因數，功率因數與線損率密切相關，功率因數越高，則實際線損率越低，避免電能在線路輸送期間產生過大損耗，這對降低系統(tǒng)運行成本有著十分重要的現(xiàn)實意義。而減少電氣設備容量則是因電路功率因數的增大而節(jié)省一部分設備容量，放寬對電氣設備設計容量的要求，進而起到減少系統(tǒng)建設成本的作用。例如，在某電氣自動化項目中，通過應用無功補償技術，功率因數由0.8cosФ提升至0.98cosФ，原有配置1 kvar 電容器的容量節(jié)省0.52 kW，間接上增加了已配置電氣設備的容量[2]。

2 無功補償技術在電氣自動化中的具體應用

2.1 真空斷路器投切電容器

此項方法屬于自動補償方式的一種，多用于向高壓線路以及高壓母線前主變壓器提供無功補償，在變壓器低壓側端部位安裝電容器組并接入FU 熔斷器。在系統(tǒng)運行期間，隨著負荷變化，電容器組執(zhí)行分閘等控制指令來調整電容投入量，利用電壓互感器一次繞組電阻進行放電，實現(xiàn)無功補償目的。此方法有著補償過程簡單、無需在系統(tǒng)中加裝專門放電裝置的優(yōu)勢。根據實際補償情況來看，真空斷路器投切電容器方法存在著明顯局限性，包括短路器無法實現(xiàn)精確控制、無法在短時間內頻繁投切開關、合閘時易出現(xiàn)串聯(lián)諧振現(xiàn)象等，動態(tài)補償效果有待改善，還有可能引發(fā)斷路器炸裂、電容器損壞等電氣故障。對此，需要采取額外串聯(lián)電抗器、選用新型雙動式真空斷路器等措施來改善無功補償效果。例如，對電抗器的串聯(lián)，將起到預防串聯(lián)諧振現(xiàn)象出現(xiàn)、減小合閘時電容器組形成沖擊涌流等多重作用。

2.2 有源濾波器

有源濾波器是在提供電源條件下，由電流互感器采集線路電流信號，對信號加以諧波分離計算后獲取諧波參考信號與開關信號，再通過信號控制單相橋，獲取與線上諧波信號相匹配的諧波電流，這一諧波電流與負序電流方向正好相反，起到抵消線上諧波電流的作用。在電氣自動化系統(tǒng)中，這類補償裝置有著不易出現(xiàn)諧振現(xiàn)象、調節(jié)速度快、完全吸收系統(tǒng)內諧波的優(yōu)勢，但裝置價格較為高昂，且單套裝置容量有限，不適用于大容量場景。

2.3 靜止無功發(fā)生器

靜止無功發(fā)生器屬于有源形補償裝置的一種，應用到脈沖寬度調制、電壓電源逆變等新型技術，采取并聯(lián)方式或經由電抗器把自換相橋式電路接入到系統(tǒng)當中，對電路交流側端所輸出的電壓幅度、電壓相位等參數進行調節(jié)控制，或是調整交流側輸出電流值，從而起到吸收以及提供無功功率的作用。根據實際情況來看，在電氣自動化領域，靜止無功發(fā)生器具備快速動態(tài)響應、雙向補償、占地面積小、無級調節(jié)、電容電抗容量要求寬泛的優(yōu)點，可以跟蹤負載沖擊電流和跟蹤補償諧波電流，綜合性能遠超過傳統(tǒng)無功補償裝置。例如，從無級補償角度來看，傳統(tǒng)補償裝置普遍采取有級補償方法，設立3～10個級別，各級別的無功千伏安波動較大，每增減一級時變動數十無功千伏安，而靜止無功發(fā)生器可以從0.1 無功千伏安起進行補償，在實質意義上做到了精確補償。而從響應速度角度來看，靜止無功發(fā)生器可以在5 ms 內完成響應動作，由額定容性無功迅速轉換到額定感性無功[3]。

2.4 磁控電抗器

磁控電抗器本質上屬于一類具備容量可調節(jié)功能的并聯(lián)電抗器，由本體、控制機構2 部分所組成，在運行期間通過0.3%額定功率左右的直流功率來調節(jié)鐵芯磁飽和度，電抗器容量與鐵芯磁飽和度一同變化，進而起到改變感抗值、調節(jié)電抗電流值與調節(jié)無功功率的作用。一般情況下，對磁控電抗器的使用，可以把功率因數控制在0.9 及以上，起到消除諧波污染、減少異步電機對電網沖擊、消除電壓閃變等多重作用。

2.5 并聯(lián)混合有源濾波器

根據使用情況來看，早期型號的有源濾波器存在容量小、難以抑制大功率非線性負載所形成諧波的局限性，實際補償效果并不理想，應用場景有限。對此，可選擇在電氣自動化系統(tǒng)中配置新型的并聯(lián)混合有源濾波器，由DSP 電路模塊、信號采樣電路、無源濾波電路等部分組成，把有源電力濾波器視為受控電流源，在附加電感流入基波無功電流中時，僅在有源濾波器中通過諧波電流，確保有源濾波器不承受諧波電壓，使并聯(lián)混合有源濾波器可以被應用于大容量場景中提供無功補償。同時，為維持穩(wěn)定運行工況，也可選擇在并聯(lián)混合有源濾波器中加裝熔斷器，在檢測到過電流等故障問題時，在短時間內脫離有源濾波器，由剩余的附加電感、無源濾波器繼續(xù)執(zhí)行補償動作，避免在有源濾波器在脫離時對電網或電氣自動化系統(tǒng)運行造成劇烈沖擊。

2.6 同步電機

同步電機多用于電力調度場景，在系統(tǒng)中配置發(fā)電機、同步調相機與電動機等設備。在系統(tǒng)運行過程中，憑借同步電動機轉軸不帶機械負載的特性，采取調整勵磁電流的方法來帶動所發(fā)出無功功率的變化，在線路功率因數偏低時提高勵磁電流起到無功補償作用，在線路功率因數偏高時通過降低勵磁電流來吸收系統(tǒng)內多余無功功率，始終把無功功率因數保持在0.9～0.95 區(qū)間內，避免因功率因數過低而加大線損量，或是因功率因數過高而相互抵消容性無功與感性無功。相比于其他無功補償技術，同步電機法有著同時具備提供/吸收感性無功功能的優(yōu)點，但卻存在裝置結構較為復雜、不易安裝維護、技術難度大、響應速度慢的缺點，僅在發(fā)電廠等少數場景中得到應用。

3 無功補償技術在電氣自動化中的應用策略

3.1 制定合理的無功補償方案

對象不同無功補償目的有所不同，為取得理想補償效果，需要嚴格遵循差異補償原則，針對不同對象來定制無功補償方案，以變電站、配電線路和電力用戶為例，具體如下。

首先，面向變電站時，以補償變壓器所產生無功損耗為首要目的，在變電站內安裝2 組及以上的無功補償裝置，旨在充分滿足各臺主變壓器投退要求。同時，根據變電站等級來計算最佳的無功補償容量，如把10%～15%主變壓器容量設定為35 kV 變電站無功補償容量，把15%～20%主變壓器容量設定為110 kV變電站無功補償容量。而對于主變壓器長時間處于輕負荷運行狀態(tài)與重負荷運行狀態(tài)的變電站，則分別適當調低和調高無功補償容量[4]。

其次，面向配電線路時，以補償分支線路無功損耗和維持功率表平衡狀態(tài)為首要目的，避免主干線路在運行期間持續(xù)被分支線索取無功。需要對線路配套變壓器空載無功損耗情況進行調查，根據調查結果來設定分組數量及補償容量，在大負荷分支線上設定無功補償點，安裝電容器組作為無功補償裝置，選擇安裝可投切式或固定式電容器組進行補償[5]。一般情況下，優(yōu)先配置可投切式電容器組，在檢測到運行負荷低于或是超過整定值時，電容器組將自動執(zhí)行投入與退出動作。

最后，面向電力用戶時，以降低線損率和達到功率因數標準作為首要目的，幫助電力用戶減少用電成本和爭取電費獎勵。而對于無功補償方式的選擇，需要視用戶供電規(guī)模、供電方式而定，主要分為個別補償、集中補償與分組補償3 種。其中，個別補償是在電動機等單個用電設備上并接電容器，按照設備空載無功損耗來計算最佳無功補償容量，根據設備運行狀態(tài)與實際負荷來執(zhí)行電容器投入、退出動作。集中補償是在變電站等區(qū)域低壓側母線中安裝電容器組，也可選擇在配電變壓器高壓側端安裝電容器組，采取就地補償方式，根據無功負荷檢測值來實時調整補償容量，可以最大程度地降低線損率，但需要安裝大量的電容器組，且無法減少內部功率損耗。分組補償則是在各車間配電母線中分別安裝多組電容器組，各器組負責維持所處區(qū)域內無功電力就地平衡狀態(tài)[6]。

3.2 應用新型潮流控制器

在早期電氣自動化項目中，主要配置無源濾波器、有源濾波器、真空斷路器等作為無功補償裝置，實際無功補償效果與預期效果存在出入。例如，無源濾波器存在通帶內信號能量損耗、偶爾引起電磁感應、不適用低頻域、負載效應明顯的缺點。有源濾波器存在可靠性差、不適用于高壓與大功率場景、通帶范圍受有源器件限制的缺點。對此，可選擇配置綜合潮流控制器作為無功補償裝置，控制器由2個電壓源變換器所組成，保持共用直流側電容關系，首臺變換器經由第二臺變換器并聯(lián)接入電氣自動化系統(tǒng)，負責向系統(tǒng)提供無功功率和向第二臺變換器提供有功功率。相比于傳統(tǒng)無功補償裝置，綜合潮流控制器同時具備串聯(lián)補償以及電壓調節(jié)等多項使用功能，即可以實現(xiàn)對線路無功功率和有功功率的迅速、精準、獨立控制，起到預防系統(tǒng)振蕩和強化線路輸送能力的作用，同時，所提供無功功率由裝置本身產生，不會在系統(tǒng)運行期間消耗額外的有功功率。

4 結語

綜上所述，無功補償是保證電氣自動化系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行的關鍵，也是有效治理諧波污染問題的重要舉措。電力企業(yè)與用電用戶都需要認識到無功補償技術的應用價值，根據項目實際情況來選擇恰當的無功補償方式，采納制定合理無功補償方案、應用新型潮流控制器2 項策略，推動中國電氣事業(yè)的健康發(fā)展。