新時(shí)期電氣自動(dòng)化中無功補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用研究

莊雨霞

引言：在我國(guó)科技與經(jīng)濟(jì)快速進(jìn)步的同時(shí)，電氣自動(dòng)化領(lǐng)域也發(fā)生著日新月異的變化，各種各樣的生產(chǎn)及科技領(lǐng)域中都應(yīng)用了電氣自動(dòng)化技術(shù)。無功補(bǔ)償技術(shù)是電力系統(tǒng)重要的節(jié)能技術(shù)，通過降低電力網(wǎng)絡(luò)和變壓器的損耗，有助于達(dá)到節(jié)能減排的目標(biāo)。本文通過對(duì)分析無功補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)行原理及其應(yīng)用類型進(jìn)行分析，并提出了技術(shù)優(yōu)化建議和對(duì)其應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

一、引言

目前，電氣自動(dòng)化在眾多行業(yè)領(lǐng)域的深入，社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，引領(lǐng)人們探索高新技術(shù)促進(jìn)其高速發(fā)展。電氣自動(dòng)化系統(tǒng)往往受到復(fù)雜的單相電力負(fù)荷變化的影響，而作為電氣自動(dòng)化快速發(fā)展的關(guān)鍵手段，無功補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)于我國(guó)倡導(dǎo)發(fā)展綠色GDP有著非凡的意義。

二、無功補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)行原理簡(jiǎn)述

所謂無功功率，一般應(yīng)用在電路電場(chǎng)和磁場(chǎng)中的交換作用，并可在電氣設(shè)備中應(yīng)用，形成可維持磁場(chǎng)的有效功率。實(shí)際上，無功功率并不對(duì)外做功，而是轉(zhuǎn)變?yōu)榱硗庖环N能量形式。一般情況下，如果電氣設(shè)備中具有電磁線圈，并且涉及到磁場(chǎng)的作用，就會(huì)消耗部分無功功率。所謂無功功率補(bǔ)償，就是在用戶變電所或在用電設(shè)備等處裝設(shè)無功功率電源，以改變電力系統(tǒng)中無功功率的流動(dòng)，從而提高電力系統(tǒng)的電壓水平，減小網(wǎng)絡(luò)損耗和降低配電線路的成本節(jié)約電能，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。

三、電氣自動(dòng)化中無功補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用的常見類型

我國(guó)對(duì)電氣自動(dòng)化中的無功補(bǔ)償技術(shù)做了很多深入的研究，這些無功補(bǔ)償技術(shù)主要有：

3.1、真空斷路投切電容器

此設(shè)備簡(jiǎn)單且投資小，但是在合閘的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生過高的電壓。容易導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生損壞，而且對(duì)于這個(gè)設(shè)備，不能有過于頻繁的投切，因?yàn)樗艿介_關(guān)壽命的限制。

3.2、可控飽和電抗器

這個(gè)設(shè)備是通過對(duì)電抗器飽和程度的調(diào)節(jié)來改變整個(gè)回路的電流，主要讓并聯(lián)濾波器中的多余容性無功功率被感性電流抵消從而達(dá)到平衡點(diǎn)。此設(shè)備的特點(diǎn)是可以再電氣自動(dòng)化系統(tǒng)中長(zhǎng)期投入。但是它會(huì)產(chǎn)生諧波噪聲較大，對(duì)設(shè)備來說也會(huì)產(chǎn)生一定的損耗。

3.3、有源濾波器

此設(shè)備是的使用目的是讓電力電子裝置負(fù)產(chǎn)生與負(fù)序電流和諧波電流相反的電流，使得其滿足電源的要求，互相抵消。這種方案的有著調(diào)節(jié)速度快、補(bǔ)償靈活、不會(huì)和系統(tǒng)產(chǎn)生諧振現(xiàn)象等優(yōu)點(diǎn)。

3.4、固定濾波器、電容器和電抗器的調(diào)壓

這個(gè)設(shè)備通過連接低壓母線上的電抗器或者濾波器、調(diào)節(jié)降壓變壓器的低壓側(cè)母線電壓來調(diào)節(jié)。以達(dá)到改變無功出力的目的 這個(gè)過程的實(shí)現(xiàn)是通過加裝晶閘管分接和通斷開關(guān)來調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)提供穩(wěn)定的無功功率并實(shí)現(xiàn)濾波作用的。

3.5、有源濾波器和無源濾波器

這個(gè)設(shè)備是以有源濾波器產(chǎn)生的電流和負(fù)荷中諧波電流進(jìn)行中和，相互抵消，最終達(dá)到滿足電源要求。其特點(diǎn)是充分利用了有源補(bǔ)償和無源補(bǔ)償?shù)目煽匦院挽`活性。

四、無功補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用優(yōu)化及發(fā)展趨勢(shì)

無功補(bǔ)償技術(shù)在電氣自動(dòng)化中的應(yīng)用電能的穩(wěn)定性和安全性是評(píng)價(jià)電能質(zhì)量的重要指標(biāo)，是評(píng)價(jià)供電設(shè)備系統(tǒng)質(zhì)量?jī)?yōu)劣的重要指標(biāo)。而電壓又是影響電能穩(wěn)定性的重要內(nèi)容，因此說電能穩(wěn)定性通常就是說電壓的穩(wěn)定性。鐵路交通用電由于都是滑動(dòng)接觸進(jìn)行電力的傳輸?shù)?。在設(shè)備的接觸處經(jīng)常會(huì)出火花等，影響電力使用的安全性。消除火花解決這種安全威脅問題也與要用到電力系統(tǒng)的無功補(bǔ)償技術(shù)。變壓器的阻抗和接觸網(wǎng)的大小不同，也嚴(yán)重影響著電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

4.1、電氣自動(dòng)化中無功補(bǔ)償技術(shù)存在的問題

當(dāng)前電氣自動(dòng)化中無功補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用存在的問題主要包括以下三個(gè)方面：一是無功向配電網(wǎng)倒送，這在很大程度上增加了早期的無功補(bǔ)償裝置為靜電電容器和同步補(bǔ)償器，多用在系統(tǒng)的高壓側(cè)進(jìn)行集中補(bǔ)償。并聯(lián)電容器補(bǔ)償至今仍是一種主要的補(bǔ)償方式，應(yīng)用范圍很廣。同步補(bǔ)償器實(shí)質(zhì)是同步電動(dòng)機(jī)，當(dāng)勵(lì)磁電流變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)可隨之平滑地改變輸出無功電流的大小、方向，對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行很有好處。但同步補(bǔ)償器成本高、安裝復(fù)雜、維護(hù)困難，使其應(yīng)用受到限制。目前廣泛應(yīng)用的是結(jié)合了電力電子技術(shù)的靜止型無功補(bǔ)償裝置。

4.2、無功補(bǔ)償與電力電子技術(shù)的結(jié)合方式

一是作為投切電容器的開關(guān)。因?yàn)殡娏Π雽?dǎo)體開關(guān)的響應(yīng)時(shí)間短（Ls級(jí)），所以能夠準(zhǔn)確地選擇電容投切的角度，實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通，避免了涌流的產(chǎn)生，提高了電容器使用可靠性和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。二是作為無功輸出的調(diào)節(jié)開關(guān).正是由于電力電子器件的高開關(guān)頻率，可以方便地控制電容器電流的導(dǎo)通角，從而實(shí)現(xiàn)無功的連續(xù)調(diào)節(jié)，快速跟蹤負(fù)載無功的變化。

三是引入電力電子變流技術(shù)，將變流器作為無功電源來補(bǔ)償無功，如靜止調(diào)相機(jī)（STATCON）和有源濾波（APF）。

在無功補(bǔ)償技術(shù)中，就地補(bǔ)償是效果最為理想的一種，但因負(fù)載具有分散性大、數(shù)量多的特點(diǎn)。要求無功補(bǔ)償裝置體積小、成本低、操作方便、易于維護(hù)和安裝，而且必須能進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。在無功補(bǔ)償技術(shù)發(fā)展的初期受技術(shù)所限，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償一直未能很好得到發(fā)展。近三十年來，隨著電力半導(dǎo)體器件和電力電子應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，很好地解決了這一問題。TSC和TCR是目前使用最為廣泛的兩種裝置。

4.3、無功補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)應(yīng)用優(yōu)化

無功補(bǔ)償容量的優(yōu)化法則是從網(wǎng)損最小、年運(yùn)行費(fèi)最小、年支出費(fèi)用最小的觀點(diǎn)，求出最佳補(bǔ)償容量的算法，以及在考慮負(fù)荷沿線分布情況下，求得最佳補(bǔ)償容量和補(bǔ)償位置的算法。這些算法的共同特點(diǎn)：當(dāng)求得所要求的量值的數(shù)學(xué)表達(dá)式以后，采用求函數(shù)極值的方法，來求得補(bǔ)償容量和位置的數(shù)學(xué)表達(dá)式。從數(shù)學(xué)的觀點(diǎn)來看，是一些古典的算法，故將其稱為經(jīng)典優(yōu)化法。時(shí)至今日，這種方法仍被用在確定網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償容量和位置的實(shí)踐中。

4.4、無功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

根據(jù)用戶對(duì)無功補(bǔ)償技術(shù)要求的變化情況，未來的技術(shù)發(fā)展方向主要呈現(xiàn)以下幾大發(fā)展主流趨勢(shì)：一是在低壓供電系統(tǒng)的無功功率補(bǔ)償領(lǐng)域內(nèi)以無涌流電容投切器為代表的智能控制型裝置，是下一階段的主流趨勢(shì)；二是靜止無功補(bǔ)償領(lǐng)域內(nèi)sVG三相橋式變流裝置，將是人們研究的重點(diǎn)方向；三是新型的動(dòng)態(tài)抑制、無功補(bǔ)償電力電子裝置電力有源濾波器向大容量、高頻化方向發(fā)展，是最有前景的方向；四是電力系統(tǒng)輸配電技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)UPFC技術(shù)裝置綜合潮流控制器，是最新的方向。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，無功補(bǔ)償技術(shù)是電力系統(tǒng)重要的節(jié)能技術(shù)，通過降低電力網(wǎng)絡(luò)和變壓器的損耗，提高電力網(wǎng)絡(luò)的功率因數(shù)，應(yīng)用合理的補(bǔ)償裝置，減少電網(wǎng)電壓波動(dòng)和限制電網(wǎng)諧波的產(chǎn)生。將無功補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用到電氣自動(dòng)化當(dāng)中時(shí)，應(yīng)當(dāng)時(shí)刻結(jié)合電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的具體情況，對(duì)不同的系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)號(hào)人座，根據(jù)系統(tǒng)自身的特點(diǎn)和系統(tǒng)功能的要求選擇恰當(dāng)?shù)臒o功補(bǔ)償技術(shù)。

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（作者單位：順特電氣設(shè)備有限公司）