低壓動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)分析及應(yīng)用

彭俊輝　喬棟

摘 要：隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力系統(tǒng)的功率因數(shù)較低和諧波電流過(guò)大等電能質(zhì)量問(wèn)題、節(jié)能降耗問(wèn)題越來(lái)越受到人們的重視。無(wú)功功率在電網(wǎng)中傳輸會(huì)使電網(wǎng)損耗增加，且嚴(yán)重影響供電質(zhì)量。而使用新型的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行就近和就地補(bǔ)償，則能有效地解決電能質(zhì)量問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償；電能；無(wú)功功率

中圖分類號(hào)：TM714.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2013）17-0075-02

1 無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊饬x

在交流電網(wǎng)中，功率分為有功功率、無(wú)功功率和視在功率。電壓瞬時(shí)值U和電流瞬時(shí)值I的乘積為瞬時(shí)功率，一個(gè)周期內(nèi)瞬時(shí)功率的平均值稱有功功率，即P=UIcosΦ。瞬時(shí)功率的最大值，即電源與整個(gè)電路之間能量交換的最大速率稱無(wú)功功率，即Q=UIsinΦ。交流電路的電壓有效值和電流有效值的乘積稱為視在功率，即S=UI。有功功率P與視在功率S的之比稱為功率因數(shù)，用cosφ表示，即cosφ=P/S?？梢?，當(dāng)有功功率P一定的情況下，當(dāng)cosφ的值比較小時(shí)，視在功率S就要加大。視在功率加大，就意味著供電線路和變壓器的容量均要加大，這樣，勢(shì)必增加供電投資，增加線路網(wǎng)損。所以，提高用電設(shè)備的功率因數(shù)cosφ，就可以讓電網(wǎng)盡可能的傳送有功功率，減少設(shè)備向電網(wǎng)索取無(wú)功功率，從而提高電網(wǎng)效率和安全性。

2 低壓動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)簡(jiǎn)介

傳統(tǒng)的低壓無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)，由于使用普通的接觸器投切電容器，存在浪涌電流大、補(bǔ)償時(shí)間慢、維護(hù)費(fèi)用高和使用壽命短等各方面的問(wèn)題，已不能滿足現(xiàn)代化電網(wǎng)的要求。動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償是面向三相低壓配電系統(tǒng)，具有動(dòng)態(tài)自動(dòng)補(bǔ)償無(wú)功功率和抑制用戶負(fù)荷諧波作用的新型無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)。主要采用靜止無(wú)功發(fā)生器（SVG）和晶閘管分組投切電容器（TSC），實(shí)現(xiàn)三相低壓配電系統(tǒng)無(wú)功功率的動(dòng)態(tài)連續(xù)補(bǔ)償。TSC實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)平穩(wěn)無(wú)功的補(bǔ)償，SVG實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化無(wú)功的補(bǔ)償。

同時(shí)在電容器支路串聯(lián)適當(dāng)電抗器，實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)用戶諧波電流的抑制，防止電容器對(duì)配電系統(tǒng)諧波發(fā)生放大現(xiàn)象。

3 補(bǔ)償回路主要部件介紹

①TSC。TSC主回路主要由電抗器，晶閘管開關(guān)，補(bǔ)償電容器等構(gòu)成；控制系統(tǒng)主要由控制器，觸發(fā)電路等構(gòu)成。由控制器對(duì)系統(tǒng)的電流電壓等參數(shù)進(jìn)行采樣、分析、計(jì)算，再根據(jù)系統(tǒng)的無(wú)功需量給觸發(fā)電路發(fā)出投切信號(hào)，由晶閘管開關(guān)完成電容器的投入或切除動(dòng)作。采用晶閘管開關(guān)的過(guò)零檢測(cè)、投切技術(shù)，可以抑制電路過(guò)電壓或涌流，實(shí)現(xiàn)快速、頻繁、無(wú)沖擊投切。其核心技術(shù)包括動(dòng)態(tài)采樣控制技術(shù)，動(dòng)態(tài)觸發(fā)技術(shù)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)投切技術(shù)以及補(bǔ)償濾波器件等。

②SVG（STATCOM）。SVG即靜止無(wú)功發(fā)生器，是柔性交流輸電技術(shù)（簡(jiǎn)稱FACTS）的主要裝置之一，代表著現(xiàn)階段電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)新的發(fā)展方向。它既可提供滯后的無(wú)功功率，又可提供超前的無(wú)功功率?；驹硎抢萌匦烷_關(guān)器件組成自換相橋式電路，輔之以小容量?jī)?chǔ)能元件，通過(guò)電抗器或者變壓器并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的幅值和相位，或者直接控制其交流側(cè)輸出電流，就可以使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無(wú)功電流，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償。

③控制器?？刂茊卧捎酶咚貲SP采集現(xiàn)場(chǎng)的電壓、電流信號(hào)，在每一個(gè)電網(wǎng)周期對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算處理后發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)控制功率單元的運(yùn)行，同時(shí)監(jiān)測(cè)功率單元運(yùn)行狀況。

4 技術(shù)參數(shù)、難點(diǎn)與創(chuàng)新點(diǎn)

4.1 技術(shù)參數(shù)

額定電壓：AC380 V；額定頻率：50 Hz；SVG動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間：≤20 ms；TSC動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間：≤40 ms。

4.2 技術(shù)難點(diǎn)與創(chuàng)新點(diǎn)

①通過(guò)理論分析與計(jì)算機(jī)仿真，揭示配電系統(tǒng)靜止同步補(bǔ)償器（DSTATCOM）的輸出無(wú)功功率、有功功率損耗及直流電壓與控制角和線路電抗器的理論關(guān)系，提出配電系統(tǒng)靜止同步補(bǔ)償器（DSTATCOM）用線路電抗器的選擇計(jì)算方法。

②針對(duì)低壓系統(tǒng)的特點(diǎn)，采用基于IGBT器件的電壓源逆變器結(jié)構(gòu)和PWM控制技術(shù)，在保證技術(shù)性能的前提下，簡(jiǎn)化主電路結(jié)構(gòu)。

③控制系統(tǒng)采用高速DSP控制器，全面提升補(bǔ)償系統(tǒng)的控制性能，同時(shí)簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)可靠性。

④采用瞬時(shí)無(wú)功理論測(cè)算負(fù)荷和補(bǔ)償系統(tǒng)的無(wú)功功率，提高補(bǔ)償?shù)膶?shí)時(shí)性。

5 技術(shù)路線和實(shí)施方案

5.1 無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的分類

電壓等級(jí)——低壓補(bǔ)償/中壓補(bǔ)償/高電壓補(bǔ)償。

安裝位置——集中補(bǔ)償/線路補(bǔ)償/隨機(jī)補(bǔ)償。

補(bǔ)償裝置——機(jī)械開關(guān)式補(bǔ)償器/靜止補(bǔ)償器。該技術(shù)從補(bǔ)償裝置的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來(lái)講的。機(jī)械開關(guān)式補(bǔ)償器是指補(bǔ)償裝置的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，如接觸器、開關(guān)等。靜止補(bǔ)償器是指補(bǔ)償裝置的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中沒(méi)有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，如SVC、STATCOM等。其中STATCOM又分為電壓源逆變器型和電流源逆變器型，目前使用的STATCOM多為電壓源逆變器型。

補(bǔ)償方式——?jiǎng)討B(tài)補(bǔ)償/靜態(tài)補(bǔ)償。該技術(shù)從補(bǔ)償原理上來(lái)講的。動(dòng)態(tài)補(bǔ)償是指補(bǔ)償電流能自動(dòng)跟隨負(fù)荷無(wú)功電流的變化而連續(xù)變化；靜態(tài)補(bǔ)償是指補(bǔ)償容量在相對(duì)比較長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)（譬如1 min以上）是固定不變的。

一般而言，靜止補(bǔ)償器屬于動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。

5.2 無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的進(jìn)展

第一代：采用機(jī)械式接觸器投切電容器，屬于慢速無(wú)功設(shè)備。第二代：采用晶閘管控制電抗器和晶閘管投切電容器裝置，屬于快速無(wú)功設(shè)備。第三代：采用有源無(wú)功補(bǔ)償裝置（如SVG靜止無(wú)功發(fā)生器），屬于快速無(wú)功設(shè)備。

5.3 無(wú)功補(bǔ)償?shù)耐緩?/p>

由于負(fù)荷基本上都是感性的，因此最常用的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備就是并聯(lián)電容器。

FC為固定電容器；MSC為開關(guān)投切電容器；TSC為晶閘管投切電容器。由于電容器的輸出無(wú)功很難連續(xù)調(diào)節(jié)，因而出現(xiàn)了可控電抗器與并聯(lián)電容器的組合——SVC。TCR為晶閘管可控電抗器，通常不獨(dú)立使用，一般為TCR+FC或TCR+TSC。有源型無(wú)功補(bǔ)償裝置為STATCOM、SVG、APF。

5.4 無(wú)功補(bǔ)償裝置技術(shù)性能的比較

無(wú)功補(bǔ)償裝置技術(shù)性能的比較如表1所示。

5.5 DSTATCOM的特點(diǎn)

①響應(yīng)時(shí)間快。接觸器投切電容器裝置的響應(yīng)時(shí)間需要幾秒鐘；SVC的響應(yīng)時(shí)間約為20～40 ms；STATCOM裝置補(bǔ)償響應(yīng)時(shí)間可達(dá)20 ms以內(nèi)，真正實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。

②可在極短的時(shí)間之內(nèi)完成從容性無(wú)功功率到感性無(wú)功功率的相互轉(zhuǎn)換，可以勝任對(duì)沖擊性負(fù)荷的補(bǔ)償。

③輸出無(wú)功不受電網(wǎng)電壓高低的影響。低電壓時(shí)，比SVC更有效地發(fā)出無(wú)功功率。

④由于無(wú)需高壓大容量的儲(chǔ)能元件（如電容器和電抗器），故DSTATCOM的體積更小更緊湊。

⑤運(yùn)行時(shí)可視為電流源，不存在與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的可能性，還可對(duì)諧波和無(wú)功功率同時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償。

5.6 無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)總體結(jié)構(gòu)

無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)總體結(jié)構(gòu)如圖1示。

6 技術(shù)經(jīng)濟(jì)前景分析

利用動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)可以補(bǔ)償功率因數(shù)、穩(wěn)定電壓、抑制諧波、改善電能質(zhì)量、節(jié)能降耗。而我國(guó)能源供需矛盾突出，嚴(yán)重制約了經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)。國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家電監(jiān)會(huì)明確要求電力用戶增強(qiáng)節(jié)能意識(shí)，積極采用先進(jìn)的節(jié)電技術(shù)與產(chǎn)品，優(yōu)化用電方式，提高電源使用效率，減少電力消耗。現(xiàn)在，某些地區(qū)已出臺(tái)了相關(guān)政策，對(duì)功率因數(shù)不達(dá)標(biāo)的用戶罰款，對(duì)功率因數(shù)高的用戶獎(jiǎng)勵(lì)。因此動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的市場(chǎng)前景廣闊。

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