一種低壓配電系統無功補償綜合控制方法

黃春光 商曉峰

一種低壓配電系統無功補償綜合控制方法

黃春光1商曉峰2

（1. 安科瑞電氣股份有限公司，上海 201801； 2. 中國電子工程設計院有限公司，南京 210000）

無功補償是低壓配電系統電能質量治理的重要環節。在現有的無功補償技術中，針對多個無功補償柜采用多個獨立的無功補償控制器，正常工作時各個控制器之間無法實現有效調配，造成柜內電容不斷反復投切，從而導致滿負荷的無功柜過快老化甚至損壞；同時，柜內的靜止無功發生器（SVG）無法與電容進行整體控制，其毫秒級的響應速度使自身一直處于滿負荷工作狀態，無法發揮其優勢。為此，本文提出一種無功補償綜合控制方法，通過實時采集電力系統中的電壓、電流及功率，實時協調控制LC和SVG補償模塊。將此方法應用于實際工程中，結果表明該控制方法可改善供電品質、提高系統功率因數。

無功補償；LC；靜止無功發生器（SVG）；無功補償綜合控制；低壓配電系統

0 引言

隨著經濟的不斷發展，醫療、商業、生產制造等行業的整體用電量激增，變壓器擴容后所需的無功功率補償容量隨之增加，每臺變壓器所配置的無功補償柜也不斷增多。無功補償設備不僅有傳統的LC，靜止無功發生器（static var generator, SVG）的用量也在逐年遞增[1-2]。在這種情況下，用戶不僅希望能夠靈活均衡地控制各個無功補償柜內的電容電抗，還希望能夠實時有效調配電容和SVG的工作比例，實現綜合控制，從而保證整個系統工作在一個有序健康的環境中[3]。

國內外學者對低壓配電系統無功補償綜合控制方法開展了深入的研究和分析。文獻[4]提出一種SVG+晶閘管投切電容器（transistor switched capacitor, TSC）的混合補償器及基于專家決策的混雜控制方法，充分利用SVG和TSC的優勢，解決了SVG在復雜環境中的穩定性和魯棒性問題[4]；文獻[5]結合原有LC電容器組補償設備的特性，提出基于SVG+LC的混合補償系統，該系統能夠協調控制LC與SVG對負載無功功率進行精確補償[5]；文獻[6]提出一種SVG+LC的混合補償器，既可利用小容量SVG的快速精確動態補償，又可利用原有LC應對三相不平衡補償中的粗補償需求，并研究了其總體協調與子系統的控制策略[6]；文獻[7]提出一種新型無功功率補償主電路形式，將無功補償裝置SVG與LC無源濾波器并聯使用，詳細分析了該主電路形式并給出了實例驗證[7]；文獻[8]提出一種由H橋級聯型SVG與晶閘管控制電抗器（thyristor controlled reactor, TCR）型靜止無功補償器（static var compensator, SVC）組成的新型拓撲，結合SVG的快速可控性和SVC大容量的優勢直接對高壓配電網的大容量無功、諧波同時進行治理。

基于上述參考文獻，結合LC補償和SVG補償各自的優劣，本文提出一種低壓配電系統無功補償綜合控制方法，給出綜合控制的工作原理和操作流程，以期為綜合無功補償控制系統的研究提供參考。

1 無功補償概述

從能量角度進行分析，電力系統中大多數的非線性負載是感性負載，比如變壓器、電動機、壓縮機、空調等。傳統的無功補償是將感性負載與提供容性功率負荷的設備（如并聯電容器或同步調相裝置）并聯在同一電路中，從而為感性負載提供所需的無功功率。無功能量流動示意圖如圖1所示。

圖1 無功能量流動示意圖

從無功相位角度（感性/容性）進行分析，純阻性負載的電壓和電流同相位，感性負載的電壓超前電流，容性負載的電壓滯后電流。無功相位分析如圖2所示。

圖2 無功相位分析

圖3 分析電路

圖4 相量圖

2 無功補償形式

2.1 LC補償控制

GB/T 15576—2020《低壓成套無功功率補償裝置》對“低壓成套無功功率補償裝置”的描述為：由一個或多個低壓開關設備、低壓電容器和與之相關的控制、測量、信號、保護、調節等設備，由制造廠家負責完成所有內部的電氣和機械的連接，用結構部件完整地組裝在一起的一種組合體[10]。LC電容電抗補償整柜并聯在整個供電系統中，集無功補償、電網監測功能于一體，通過互感器采集電流并輸入功率因數控制器進行功率因數高低的判斷，進而控制開關投切電容器。無功補償電氣原理圖如圖5所示。

圖5 無功補償電氣原理圖

2.2 SVG補償控制

SVG將三相橋式電路通過電抗器直接并聯在電網，適當地調節橋式電路交流側輸出電壓的相位和幅值或直接控制其交流側電流[11]，使該電路吸收或發出滿足要求的無功電流，從而實現動態無功補償的目的。SVG工作原理如圖6所示。

圖6 SVG工作原理

2.3 LC與SVG補償對比

在成本價格方面，LC補償比SVG更經濟，但在功能和產品性能方面，LC補償相對較差。例如，LC補償柜采用多個獨立的無功補償控制器，正常工作時各個控制器之間無法有效調配，造成柜內電容不斷重復投切；在負荷變化較快或存在沖擊負荷時，由于電容器內部放電影響無法做到快速響應補償；控制器控制投切開關反復投切，出現分組投切階梯式無功輸出，容易出現過補償或欠補償的問題[12]。同時，LC補償裝置中的并聯電容器對諧波電流具有放大作用，一般可放大2～3倍，諧振（串/并聯諧振）時可放大20倍以上[13]。SVG作為一種新型電力電子動態無功補償裝置，可對大小變化的感性/容性無功及負序量進行連續快速的補償（連續可調），避免過補償和欠補償情況的發生，且不會與系統或負載設備產生諧振，適用于負載快速變化的場合，但其成本也相應較高[14]。

3 無功補償綜合控制方法

結合LC和SVG補償各自的優勢及現場應用特點，本文提出一種無功補償綜合控制方法，該方法主要包括以下內容：

1）實時采集電力系統中的電參量。電參量包括三相電壓、三相電流、三相有功功率、三相無功功率、三相視在功率、三相功率因數、諧波電壓畸變率、諧波電流畸變率等。

2）實時檢測電力系統中的電氣告警保護。電氣告警保護包括過電壓告警、欠電壓告警、過電流告警、過電壓諧波告警、過電流諧波告警、過頻告警、欠頻告警、過溫告警、電網斷相告警、電網錯序告警等。

3）實時判斷是否存在電氣告警。

4）保護動作。保護動作包括電容器組保護（快速切除工作的電容器組）、SVG保護（控制SVG進入關機模式）、需要重新進行無功補償初始化標記。

5）計算無功補償分配方案。包括剩余無功功率計算和SVG補償系數修正。剩余無功功率計算是根據實時采集數據和預設目標功率因數，以及LC已投入容量，計算電力系統中需要補償的剩余無功功率；SVG補償系數修正是根據剩余無功功率和系統中負載側總無功功率，計算出SVG補償系數，并進行實時修正。

6）無功補償初始化。包括LC補償初始化，此時LC響應速度大于SVG響應速度，LC補償電力系統負載側大部分無功功率，補償穩定后，LC補償初始化結束；SVG補償初始化，此時SVG響應速度大于LC響應速度，SVG補償系統中剩余的無功功率。

7）SVG補償功率實時檢測模塊。包括SVG補償功率大小檢測（實時檢測SVG輸出無功功率大小）和SVG補償功率方向檢測（實時檢測判斷SVG輸出無功功率是容性還是感性）。

8）SVG補償功率反饋比較模塊。包括判斷SVG輸出功率大小SVG_I是否大于設定的容性無功功率反饋值，并且持續時間是否大于時間設定值1；判斷SVG輸出功率大小SVG_I是否大于設定的感性無功功率反饋值，并且持續時間是否大于時間設定值2。

9）LC補償控制模塊。包括電容隊列投切模塊，在有效電容器組序列中投入一組電容器組或在有效電容器組序列中切除一組電容器組；電容有效性判定模塊，判斷電容器組投入是否有效，并進行有效或無效標記。

10）SVG補償控制模塊。包括SVG關機模塊、SVG待機模塊、SVG補償模塊。SVG關機模塊控制SVG進入關機模式，停止運行；SVG待機模塊控制SVG進入待機模式，降低補償響應速度，進入補償等待狀態；SVG補償模塊控制SVG進入補償模式，提高響應速度，實時補償無功功率。SVG補償控制模塊用于補償負載側剩余的無功功率，減小因負載波動而引起的系統功率因數波動，在提高功率因數的同時，維持和穩定系統側功率因數。

4 無功補償綜合控制方法步驟

無功補償綜合控制方法主要包括實時采集、實時保護模塊、計算無功補償分配方案、SVG補償功率實時監測模塊、SVG補償功率反饋比較模塊、無功補償綜合控制模塊6個流程，其詳細流程如圖7所示，具體步驟說明如下。

步驟1：實時采集電力系統中的電參量。

步驟2：實時檢測電力系統中的電氣告警保護。

步驟3：實時判斷是否存在電氣告警。

步驟4：在電氣告警的情況下執行保護動作。

步驟5：在不存在電氣告警的情況下，計算無功補償分配方案。

步驟6：判斷是否需要無功補償初始化。

步驟7：在需要無功補償初始化的情況下，執行無功補償初始化。

步驟8：SVG補償功率方向檢測，實時檢測判斷SVG輸出無功功率是容性或是感性。

圖7 無功補償綜合控制方法詳細流程

步驟13：在有待投入電容器組的情況下，執行SVG待機模塊，控制SVG進入待機模式，降低補償響應速度，進入補償等待狀態。

步驟14：在有待切除電容器組的情況下，執行SVG待機模塊，控制SVG進入待機模式，降低補償響應速度，進入補償等待狀態。

步驟15：電容隊列投切模塊，遵循循環投切算法，在有效電容器組序列中投入一組電容器組。

步驟16：電容隊列投切模塊，遵循循環投切算法，從有效電容器組序列中切除一組電容器組。

步驟17：SVG補償模塊，控制SVG進入補償模式，提高響應速度，實時補償無功功率。

電容隊列投切模塊在有效電容器組序列中投入一組電容器組后，還會進行電容有效性判定，在電容器組投入前記錄無功功率有效值，電容器組投入10s（可設置，設置范圍在2～30s）后記錄無功功率有效值（應該對應分補或混合補的情況），如果前后無功功率差值小于該電容器組設定值的20%，則相關計數器加1，否則相關計數器清零。如果相關計數器連續累加計數超過5，就說明連續5次出現該電容器組的投入基本無效，則生成相關故障記錄，并將該電容器組脫離有效電容器組序列。

5 實際工程案例

本文所提無功補償綜合控制方法已應用于無功補償綜合控制器單元產品中，下面結合實際工程應用案例分析其優越性。

江蘇某生產陶瓷廠的主要負荷為球磨機，球磨機采用變頻驅動。由于原材料體積不規則，導致球磨機在運行時的電流沖擊很大，影響電力系統的穩定狀態，致使無功補償電容器損壞較多、系統功率因數較低。現場變壓器容量為1 600kV?A，負荷率較低，現場原電容柜容量300kV·A。無功補償綜合控制裝置投入前的電能質量如圖8所示。

無功補償容量按照變壓器容量的30%進行配置，預估整柜容量為500kvar（兩套250kvar），采用SVC+SVG綜合控制器控制的混合無功補償方案，考慮到現場諧波主要以3次、5次和7次諧波為主，電容電抗SVC應配置14%的串抗率[15]，單套250kvar整柜配置方案見表1。

無功補償綜合控制裝置投入后的電能質量如圖9所示。通過采用SVC+SVG綜合控制器控制的混合無功補償方案，協調SVC和SVG的無功輸出，對比無功補償綜合控制裝置投入前后數據可以看到，功率因數由0.86提高到0.98以上，由于SVG裝置在補償無功功率的同時也可以治理3次、5次、7次和11次以內的諧波，電流畸變率由原來的23.28%降低到9.06%，效果較明顯。

圖8 無功補償綜合控制裝置投入前的電能質量

表1 單套250kvar整柜配置方案

圖9 無功補償綜合控制裝置投入后的電能質量

6 結論

本文提出的無功補償綜合控制方法，通過實時采集電力系統中的電流、電壓及功率，實時控制LC補償控制模塊和SVG補償控制模塊對電力系統進行無功補償。參考實際工程應用案例，選用綜合補償控制裝置，對比前后的治理效果，解決了現有技術中LC和SVG無法統一調配而導致的空載或滿載問題，以及LC頻繁投切的問題，能夠靈活均衡地控制各個無功柜內的電容電抗，同時電容和SVG的工作比例也可進行實時有效調配，從而改善了供電品質，提高了功率因數。

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A comprehensive control method for reactive power compensation in low-voltage power distribution system

HUANG Chunguang1SHANG Xiaofeng2

(1. Acrel Co., Ltd, Shanghai 201801; 2. China Electronic Engineering Design Institute Co., Ltd, Nanjing 210000)

Reactive power compensation is an important link in the power quality management of low-voltage power distribution system. With the existing reactive power compensation technologies, multiple independent reactive power compensation controllers are used for multiple reactive power compensation cabinets, which makes it difficult to effectively allocate them during normal operation, causing repeated switching of capacitors inside the cabinets, and resulting in rapid aging and damage of the fully loaded reactive power cabinet. At the same time, the static var generator (SVG) cannot achieve the overall control of the capacitors, and the millisecond level response speed keeps itself in a fully loaded working state, unable to leverage its advantages. So a comprehensive control method for reactive power compensation is proposed, which controls the LC and SVG compensation modules in real-time by collecting voltage, current, and power in the power system, and it is applied to actual engineering projects. The application results show that this control method has good effects on improving power supply quality and increasing the power factor of the system.

reactive power compensation; LC; static var generator (SVG); integrated control of reactive power compensation; low-voltage power distribution system

2023-05-22

2023-06-25

黃春光（1995—），男，河南省濮陽市人，碩士，工程師，研究方向為低壓電能質量治理產品研發和配電網可靠性預測。