基于電氣自動化的無功補償裝置在電源系統中的協調控制研究

郭玉倩

（河南化工技師學院，河南 開封 475000）

0 引 言

電源系統正常運行的過程中，由于感性和容性負載元件的存在會引發電壓與電流之間相位差的產生，該種相位差被稱為無功功率，用于維持電磁場能量。但這種無功功率會引發電源系統電壓波動、線損增加、電能質量下降等一系列問題。我國電源系統通常采用無功裝置來進行電源電壓的調整，以達到降低損耗、提升電能質量的目的。無功補償裝置在應用的過程中能夠根據系統需求提供感性無功功率或吸收容性無功功率，這樣便能進一步控制調整系統中的功率因數或電壓相位關系。基于電氣自動化的無功補償裝置能夠實現電源系統的自動化采樣、運算，進而實現智能判斷，注入無功功率，有效減少電壓的波動影響，促進電網的穩定運行。

1 電氣自動化應用概述

電氣自動化基于電子技術與計算機技術，有著較高的信息化程度和和自動化程度，應用更為便捷且維修難度更低。將其應用在電源系統中可以保證各種設備之間的連接更為緊密，且在智能技術的輔助下提升故障診斷和處理效率，在保證系統精度的同時降低人工消耗，為電源系統的高效穩定發展提供了全新的支撐。電氣自動化中的計算機技術實現了電網調度技術、智能電網技術以及信息綜合技術的融合，能夠通過全面信息的收集完成電源系統數字模型的構建，在實時運行情況監控的基礎上實現智能化的調度和控制。此外，電氣自動化中可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）技術的應用更是實現了繼電控制技術與計算機技術的結合，既具備良好的抗干擾能力和邏輯性，又能夠在高靈敏的操作中減少電源系統的功率損失。在可編程控制器的輔助下進行信號識別、運算和記錄，進而達到協調控制、優化控制的目的。

2 無功補償原理

在電源系統中，無功功率起到維持電磁場能量的作用。然而，感性負載的存在會導致功率因數的降低，進而引發系統中無功功率的累積，對電源穩定性產生影響，并導致電力消耗增加。為解決此問題，可通過并聯電容器的方式，提供容性無功功率，以抵消感性無功功率，從而確保功率因數的提升。容性負載通常指具備電容性質的負載，其在充放電過程中電壓保持恒定，對應的功率因數為負值。若電源系統中存在容性負載，則可以串聯電抗器進行感性無功功率的吸收，實現無功功率補償。

功率因數cosφ是有功功率與視在功率的比值，cosφ=1 時為理想狀態。當電源系統中存在感性或容性負載時，會產生感性或容性無功功率，導致功率因數低于理想值。通過引入合適的無功補償設備（如電容器或電抗器）進行無功補償能夠減少或消除無功功率，從而提高功率因數，減少能源損耗，提高系統效率。

無功補償不僅能夠提高系統的功率因數，減輕電源和設備的負荷，降低線損和壓降，提高電能質量，還能夠穩定電壓水平，減少電壓波動對設備的影響，提高系統的穩定性和可靠性，減少故障和停電的風險，降低系統的運行成本，提高電源系統的經濟效益。常見的無功補償形式有集中補償、分組補償以及單臺電動機就地補償等，不同補償方式的實現過程及補償特點如表1 所示[1]。

表1 不同補償方式的實現過程及補償特點

3 基于電氣自動化的無功補償裝置在電源系統中的協調控制應用

3.1 技術功能分析

電源系統中電氣自動化技術的應用實現了電源系統的自動化和智能化控制，通過對繼電保護裝置的保護，實現自動化管理效率的提升，并及時發現電源系統故障。在此控制過程中，務必充分展現差異性的基本特質。在集中補償和分散補償的結合中有效實現補償的調節與控制，結合電源系統的基本運行特征以及電力設備的參數和功能特征實現功率荷載的精準掌控。

電源系統無功補償的過程中應以無功補償原理為基礎，結合實際電源系統需求，選擇合適的補償方式。在動態補償與靜態補償相結合的過程中，通過靈活的技術應用，確保故障設備檢測的有效性，實現無功功率的動態跟蹤[2]。其中，靜態補償的投切裝置為電容器，在延時投切方式的應用下有效防止頻繁操作而造成的電容器損壞。而動態補償則是通過控制器實現指令的發送，包括無功功率型、無功電流型以及功率因數補償型3 種方式。

3.2 無功補償裝置在電源系統中的協調控制應用

3.2.1 構建自動化無功補償控制模型

在電源系統自動化運行的過程中，設備波動可能導致性能下降。為提高系統性能，可從無功補償方面著手，需要構建一個可控的無功功率補償模型。模型構建中首先應完成開關電容器到無功補償器的連接，再將無功補償器并聯到電器設備中。另外，在自動化無功補償控制模型建立的過程中應以全面的設備參數為基礎，通過三相電路瞬時無功功率的檢測和無功補償技術的融入獲取科學精準的設備參數。隨后，結合電容量投入后電源系統電壓、電流數據的變化來確定設備運行狀態，進而為后續的協調控制應用奠定基礎。

3.2.2 選擇無功補償技術

技術選擇是電源系統中協調控制的基礎，目標是解決電網與電力設備之間三相交流電不平衡問題。針對電源系統的基本特征、自動化的運行情況以及設備的差異特征合理進行無功補償技術的選擇。技術選擇時須結合供電形式進行綜合性考慮，若電源線路中采用高壓電機供電則可以選擇分組無功補償方式；若采用小容量設備供電，當負荷保持穩定時，可選擇低壓集中補償。當前，隨著電力負荷的增長，電源結構發生了重大變化，電源系統變得復雜多變。分布式電源的并網使用導致無功分布不盡合理，局部地區出現無功嚴重不足的現象。因此，依據動態補償與靜態補償相結合的原則，可以精準確定補償位置和具體容量，確保電網無功傳輸的就地平衡，進而降低電壓損耗和電能損耗[3]。

3.2.3 無功補償電容投切開關選擇

投切開關和電容器是重要的無功補償裝置，其中投切開關的性能直接影響電容器的使用壽命和補償效果。無功補償電容投切開關包括固態繼電器、智能一體化開關、電容器投切開關3 種選擇。其中，固態繼電器無功補償投切開關具備運行速度快、無觸點、負載端和控制端分離的基本特征。在實踐過程中，該應用的效果相對較為單一，且操作流程方便，但有明顯的噪音和諧波存在。電容器投切開關能夠實現固態繼電器和接觸器的聯合，且具備較快的運行速度，但需要投入較高的使用和維護成本。在自動化的基礎上，智能一體化開關成為了電源系統無功補償的首要選擇，其在應用過程中可結合自動化系統的判斷結果完成電源系統的智能化無功優化，通過對“自動”檔位的投切，根據實際情況合理配置所需電容數量，避免過多的無功輸送到電網中。

值得注意的是，在選取投切開關時，務必確保其與電容器時間并聯，從而實現無功功率平衡，進一步提高電源系統協調控制的質量。另外，該過程須通過傳感器裝置和信號接收發送裝置的引入有效監控整個電源系統的設備運行參數。結合參數變化提升無功補償效率，此方法在自動化技術的支持下可實現遠程操控，確保運行穩定。

3.2.4 無功補償控制器選擇

無功補償控制器是無功補償自動化控制實現的關鍵，為確保無功補償自動化的高效運作，選擇補償器時應充分考慮其合理性[4]。無功補償控制器在使用過程中能夠精準檢測電源系統中所輸入的某一項電流和電壓，進而完成功率因數的計算，并以此為基礎進一步判斷是否需要進行電容器投切。目前，常見的無功補償控制器有靜止無功補償器（Static Var Compensator，SVC）、靜止同步補償器（Static Synchronous Compensator，STATCOM）等多種選擇。典型的SVC 是晶閘管控制電抗器+固定電容器的組合，其在補償的過程中可以通過調節晶閘管控制電抗器（Thyristor Controlled Reactor，TCR）中晶閘管的觸發延遲角來進行補償裝置無功功率的連續調節。

STATCOM 在應用過程中能夠實現無功功率的連續雙向快速跟蹤和調節，有效解決電源系統中電壓三相不平衡、電壓波動等問題。但電源系統比較復雜，功率波動和電壓不穩的現象十分普遍，因此可在STATCOM 中加入BESS，便能夠通過一套雙向變流器的使用來進行單一STATCOM 無法調節有功功率、單一BESS 無法補償無功功率的彌補。

3.2.5 無功補償容量確定和補償級數選擇

補償容量是電源系統中無功補償的關鍵性參數指標，合理的容量選擇能夠保證電源系統的正常運轉，因此應根據電源系統的運行實際和應用實際完成補償容量的計算。一方面，尋求合適補償點，結合最優化結果來確定最佳補償點。另一方面，綜合考慮補償的級數。在電源系統中，雖然級數越多可以實現更高的補償精度，但相應的成本和設備體積也會有所增加[5]。因此，為同時保證投入成本和補償效果，須對線路的有供電量和無供電量進行計算，進而確定線路中的功率因數，再確定無功補償容量和補償級數。

4 結 論

電源系統的復雜性讓無功補償裝置的應用成為了一種必然選擇，傳統無功補償技術不僅效率低下，難以實現配電監測，而且需要消耗較大的人力和物力。在依托自動化技術進行無功補償的設計應用時，可通過合理選擇技術方案、投切開關、控制器，并結合科學容量與補償級數選擇，實現高效監測和有效補償。借助多樣化技術手段和設備，降低電能損耗，提升電網穩定性。隨著物聯網和大數據等新技術的不斷進步，合理運用這些技術將使無功補償更加智能化和高效化。