無功混合補償裝置在配電網中的應用

王斌斌 郭亞男 武偉偉

（1.鄭州經貿學院，河南 鄭州 450000；2.河南費曼電力技術有限公司，河南 鄭州 450000）

0 引言

電能是一種清潔能源，具有使用靈活、可以遠距離傳輸等優點，在國民經濟、社會發展和人民生活的各個方面都得到了廣泛應用。電能質量的好壞不但會直接影響到發電、送電和用電等電氣設備的安全可靠運行，同時也和人們的生產生活息息相關[1-2]。而隨著電網規模的不斷擴大，電網中用電設備的總容量也在不斷增加，與此同時電網中的無功功率與日俱增。自然條件下，配電網絡中的無功功率由上級電網提供，這樣就會有大量的無功電流在輸配電線路中流動，一方面會增加輸配電線路的損耗，并使線路的末端電壓降低，另一方面還降低了輸配電線路傳輸有功功率的容量，降低了系統的利用率。進行合理有效的無功功率補償可以減少因傳輸無功電流造成的能量損耗，最大限度發揮輸配電線路傳送電能的能力，同時也可以提高線路末端電壓，進而提高終端電氣設備的運行性能和利用率。因此，選擇合理的無功補償方式就顯得非常重要。

1 補償方式

目前常用的無源無功補償裝置有CSC（接觸器投切電容器）和TSC（晶閘管投切電容器），這兩種補償裝置都是采用分級投切電容器組或者是電抗器加電容器組的方式進行無功補償。這種補償裝置結構簡單，設備成本低，但由于電容器的額定容量固定，補償時的無功容量是跳躍式的，會存在補償不足或者過補償的情況；其次，投切裝置頻繁動作也會縮短補償設備的使用壽命；同時，當配電網的電壓發生變化時，實際輸出的無功功率也會發生相應的改變，這種變化是不可控的。

隨著半導體技術、電力電子技術、控制理論和計算機技術的發展，一種新型的無功補償裝置應運而生：靜止無功發生器（SVG）。SVG是一種有源的無功補償裝置，其輸出極性可調。根據負載的變化情況，SVG可以實時調節變流電路交流側輸出電壓或電流的相位和幅值，從而連續發出或者吸收無功功率，進而實現快速、動態、連續無功補償的目的，無功補償的效果好[3]，且補償效果不受設備接入點系統電壓的影響，也不會和負載阻抗或系統阻抗發生并聯諧振。但受限于功率半導體器件容量和價格，大容量的SVG成本較高，所以當僅僅采用SVG對配電網進行無功補償時，無功補償的成本較高。

無功混合補償裝置采用TSC和SVG的組合方式進行無功補償[4-5]，是一種結合了無源補償和有源補償的補償裝置。其利用TSC對配電網中的無功功率進行快速的分級補償，再利用SVG對系統無功功率和TSC輸出無功功率之間的差額以及系統中的動態無功功率進行跟蹤，實現連續動態的補償。采用無功混合補償裝置的無功功率補償避免了單一無源補償時的補償不足或過補償的情況，同時又降低了無功功率補償的成本，提高了補償的效果，性價比較高。合理設置TSC和SVG的容量比可有效降低無功補償的成本，是無功補償的一個發展方向，也是本文采用的無功補償裝置。

根據無功混合補償裝置的安裝位置，補償可以分為三種類型，分別是集中補償、隨機補償和隨器補償[6]。

集中補償是在變電站中進行的無功功率補償，集中補償可提高變電站中主變壓器的功率因數，降低主變壓器的無功損耗及其前級輸電線路的無功損耗，但對減少配電網絡整條線路的無功負荷和降低供電線路無功損耗的效果是有限的，集中補償多采用的是高壓補償。

通常情況下，隨機補償是在用電設備處設置幾組適當容量的電容器，采用分級投切的方式進行無功補償。但由于電容器的額定容量是階躍式變化的，即使采用不同容量的電容器組的形式進行無功功率補償，也不能實現連續的無功功率補償目標，會存在欠補償或過補償的情況；同時，執行投切操作時也會存在延時，導致無功補償的效果不理想，并且頻繁地執行投切操作會縮短無功補償設備的使用壽命。當無功補償裝置設計合理時，隨機補償可以獲得很好的無功補償效果，隨機補償多采用的是低壓補償。

隨器補償是通過對配電變壓器處供電質量的分析，經過綜合判斷后進行的無功補償。隨器補償不但可以提高變壓器的功率因數，降低配電網無功損耗，還可以釋放變壓器的容量，具有較高的性價比，隨器補償多采用的也是低壓補償。

無功補償裝置的實際安裝位置需要根據無功補償的具體目標要求來確定。

2 無功混合補償裝置設計

無功混合補償裝置采用TSC和SVG的混合配置方案，能根據用電現場的無功需求進行快速、無極差的無功功率補償，在獲得滿意的補償效果的同時降低無功補償的成本。

2.1 無功混合補償裝置的結構

無功混合補償裝置的結構如圖1所示，裝置中SVG和TSC采用并聯結構，其中SVG采用由絕緣柵雙極型集體管（IGBT）組成三相橋式變流電路，通過LC濾波器接入配電網中，可以采用正弦脈寬調制技術（SPWM）或者空間電壓矢量脈寬調制技術（SVPWM）控制IGBT的通斷，使SVG發出或吸收無功功率。根據接收到的補償指令信號，SVG在額定容量范圍內可以快速連續地跟蹤補償負載的無功功率，輸出無功功率不受系統電壓的影響；TSC采用晶閘管投切電容器進行無功分級補償：在電壓過零時投入電容器，在電流過零時切除電容器，從而減少在投切電容器過程中對配電網和補償裝置帶來的沖擊影響。無功混合補償裝置集合了兩種補償方式的優點，可以根據負載無功功率的變化情況，適時做出合理的決策進行無功補償，提高配電網絡的功率因數。

圖1 無功混合補償裝置結構

無功混合補償裝置中SVG和TSC的容量配比及TSC中電容器的容量分配是影響補償效果及補償成本的重要因素。通過分析系統在不同時間段的無功需求可以得到系統無功缺額中的平均靜態容量及動態容量的最大值，利用公式（1）則可以求得TSC及SVG的補償容量。

式中：QT為TSC的補償容量；Qj為無功缺額的平均靜態容量，Qj可通過公式（2）計算確定；QE為ESVG的補償容量；Qdx為系統無功缺額的動態容量最大值；k為系數，由電容器的額定工作電壓和系統電壓比值的平方確定。

式中：P為平均有功功率；cos φ1為目標功率因數；cos φ2為系統自然功率因數。

TSC中電容器的容量分配由QT和系統無功缺額中的最小靜態值共同決定，可在對配電網的無功功率進行檢測分析后確定。

2.2 無功混合補償裝置的控制系統

控制系統采用TMS320F28335作為控制單元。TMS320F28335是高速的數字信號處理器，圍繞該處理器設計相應的指令檢測電路、信號調理電路、信號跟蹤控制電路、IGBT驅動電路、晶閘管驅動電路、保護電路等。

控制系統中軟件由主程序、中斷服務程序及采樣子程序構成，主程序的作用是完成系統初始化以及片上相關外設及引腳的初始化，如ePWM、AD、GPIO等，同時完成各級中斷的功能設置。中斷服務程序調用AD采樣子程序，完成系統電壓、系統電流、補償電流和直流電壓的采樣，計算系統的相序、頻率、功率因數及無功功率等參數，確定無功補償容量，根據SVG和TSC的容量配比確定補償方案。捕獲中斷的作用是計算電網a相的相位和電網電壓的頻率。故障中斷具有最高的優先級，出現故障時，故障中斷被觸發，設備進入保護狀態，閉鎖輸出。

無功混合補償裝置的工作程序流程如圖2所示。

圖2 工作流程圖

在補償裝置投入運行前，先采集現場的電壓信號和電流信號，分析配電網的電能質量，確定配電網的無功功率情況。如果配電網的功率因數已經處在一個較高水平，則不進行無功功率補償，而補償裝置會繼續監測系統的電壓信號和電流信號，重新確定配電網的無功功率情況；如果配電網的功率因數低于標準值，則需要對配電網進行無功功率補償。進行補償時，補償裝置控制系統會先將每組電容器的補償容量和配電網的無功缺額進行比較匹配，若無功缺額小于最小容量的電容器，則投入SVG進行無功補償，否則投入一組或者幾組合適的電容器進行無功補償，剩下的無功差額則由SVG進行補償，以達到完全補償的效果。

2.3 無功混合補償裝置的安裝位置

無功混合補償裝置采用并聯方式接入配電網。采集電壓信號和電流信號的互感器可以安裝在圖3所示的位置處。

圖3 互感器安裝位置

電壓互感器安裝在無功混合補償裝置接入配電網處，而電流互感器可以選擇安裝在不同的位置，分別如圖3（a）和圖3（b）所示。

2.4 無功補償效果

費曼電力生產車間有一臺容量為160 kVA的配電變壓器，對變壓器的負載情況進行分析后，采用45 kvar的無功混合補償裝置對其進行無功補償，其中SVG容量為20 kvar，TSC容量為25 kvar。補償效果如表1所示。

表1 補償效果

由表1數據可知，進行無功功率補償后，配電變壓器的功率因數得到了有效提高，提升了變壓器的供電質量，降低了變壓器和配電線路的無功損耗，減少了力調電費。

3 結束語

隨著配電網的規模不斷擴大，無功功率的需求也在不斷增加，選擇合理的無功補償方式既能提高配電網的供電質量，降低無功帶來的電能損耗和變壓器損耗，又可以提高配電變壓器的有效容量，提升用電設備的運行效率。無功混合補償裝置集成了兩種無功補償方法的優點，可以進行分級連續可調的無功補償，同時又降低了無功補償的成本，是一種可靠的無功補償方案。