無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)在電氣自動(dòng)化中的應(yīng)用

【摘要】本文以諧波注入式并聯(lián)混合有源濾波器的無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)為例，探討了無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)在電氣自動(dòng)化中的應(yīng)用，對(duì)于開(kāi)展電氣自動(dòng)化相關(guān)技術(shù)的研究具有一定參考價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)；諧波注入；電氣自動(dòng)化

1.前言

隨著科技的不斷進(jìn)步，電氣自動(dòng)化相關(guān)技術(shù)的發(fā)展也日新月異。因單相電力牽引負(fù)荷在電氣自動(dòng)化設(shè)備中的變化比較復(fù)雜，而且還受一些非線性因素的影響也不斷增大，從而使電氣自動(dòng)化中的無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的相關(guān)研究成為一個(gè)重要研究方向。

近年來(lái)，電氣自動(dòng)化技術(shù)及其設(shè)備在國(guó)內(nèi)供電變電所、高速電氣化鐵路牽引系統(tǒng)等各行業(yè)的應(yīng)用日益廣泛，在實(shí)際應(yīng)用中，受單相電力牽引負(fù)荷在電氣自動(dòng)化設(shè)備中的變化和一些非線性因素的影響會(huì)產(chǎn)生無(wú)功功率增大及負(fù)序、諧波注入電力系統(tǒng)的含量也不斷增大，并隨電氣自動(dòng)化廣泛應(yīng)用而逐漸成為電氣供電系統(tǒng)和電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的一個(gè)重要影響因素，因此可將電氣化技術(shù)及其設(shè)備系統(tǒng)特點(diǎn)、負(fù)荷特點(diǎn)相結(jié)合采取無(wú)功、負(fù)序與諧波的綜合補(bǔ)償措施進(jìn)行解決，鐵路單相交直系統(tǒng)等一直存在著無(wú)功、負(fù)序和諧波這三個(gè)技術(shù)難題，國(guó)際上已研究成功ERG513和ERG5/4及IEEE Std 519等成果，對(duì)于促進(jìn)電氣自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了較大影響。

隨著我國(guó)電氣自動(dòng)化技術(shù)的廣泛應(yīng)用及其牽引變電所的擴(kuò)容趨勢(shì)，雖然采取的這些措施應(yīng)用價(jià)值較高，但很可能因不可預(yù)見(jiàn)的一些非線性因素而導(dǎo)致出現(xiàn)如山西大同二電廠機(jī)組事故、河南信陽(yáng)線路跳閘事故等不該發(fā)生的嚴(yán)重后果，據(jù)此提出基于研究無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)在電氣自動(dòng)化上的具體應(yīng)用，對(duì)這些補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行分析，以促進(jìn)更加完善的補(bǔ)償技術(shù)措施應(yīng)用到電氣自動(dòng)化領(lǐng)域的相關(guān)設(shè)備中。

2.無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)

在電網(wǎng)中諸如變壓器、電動(dòng)機(jī)等設(shè)備的大部分電力負(fù)荷屬感性負(fù)荷，需要在運(yùn)行中向其提供無(wú)功功率。并聯(lián)電容器等無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備在電網(wǎng)中安裝后，能夠?yàn)楦行载?fù)載提供所耗的無(wú)功功率，從而使提供感性負(fù)荷的電網(wǎng)電源、輸送在線路中的無(wú)功功率明顯減少，因流動(dòng)在電網(wǎng)中的無(wú)功功率減少，能夠使線路和變壓器中由于無(wú)功功率輸送而產(chǎn)生的電能損耗得到降低，這種技術(shù)被稱為無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)，該技術(shù)中以電氣節(jié)能穩(wěn)定技術(shù)最為常見(jiàn)。無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)遵循布局合理、分級(jí)補(bǔ)償?shù)脑瓌t，主要方式采用節(jié)能降損，以保證電網(wǎng)功率因數(shù)明顯提高，同時(shí)降低網(wǎng)絡(luò)損耗。

3.無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)在變電所電氣自動(dòng)化設(shè)備上的應(yīng)用

國(guó)內(nèi)很多變電所近年來(lái)注重借鑒與結(jié)合國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，針對(duì)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)和諧波綜合治理方法系統(tǒng)地開(kāi)展相關(guān)研究工作，基本上都是基于基波補(bǔ)償牽引負(fù)荷的感性無(wú)功功率對(duì)電氣功率因數(shù)進(jìn)行提高、對(duì)負(fù)荷進(jìn)行降低，從而形成有效的濾波通路，可以實(shí)現(xiàn)濾除、抵消指定諧波的作用，由于在實(shí)現(xiàn)途徑上無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)各自具有不同的特點(diǎn)，而在以下幾個(gè)設(shè)備上的具有各不相同的應(yīng)用效果。

3.1真空斷路器投切電容器

該設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且投資較小的優(yōu)點(diǎn)，但最主要的缺點(diǎn)之一就是電容器在合閘時(shí)會(huì)產(chǎn)生較高的過(guò)電壓，即有可能損壞設(shè)備，而且開(kāi)關(guān)由于受到使用壽命的限制，不能頻繁對(duì)其投切，因而對(duì)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償效果將造成重要影響。

3.2晶閘管調(diào)節(jié)電抗器與固定濾波器

將晶閘管反并聯(lián)后再串聯(lián)電抗器，可抵消其與濾波器并聯(lián)中產(chǎn)生多余的容性無(wú)功補(bǔ)償電流，進(jìn)而使對(duì)功率因數(shù)的要求得以滿足并實(shí)現(xiàn)平衡，其具有固定濾波器能長(zhǎng)期使用的特點(diǎn)，只是需要較少的晶閘管，具有快速響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，不足之處是會(huì)出現(xiàn)諧波現(xiàn)象。

3.3晶閘管調(diào)節(jié)變壓器與固定濾波器

這兩種設(shè)備主要由于受高漏抗變壓器影響而具有較大的有功損耗，這也是無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)沒(méi)能得到廣泛應(yīng)用的一個(gè)重要原因。

3.4可控飽和電抗器及固定濾波器

這兩種設(shè)備主要利用對(duì)飽和電抗器的磁飽和程度進(jìn)行調(diào)節(jié)使流入回路的感性電流得到改變，再抵消相并聯(lián)的感性電流與濾波器中多余容性無(wú)功功率進(jìn)而實(shí)現(xiàn)平衡，盡管固定濾波器的并聯(lián)濾波支路具有可長(zhǎng)期投入的特點(diǎn)，但對(duì)于設(shè)備依然會(huì)形成具有一定損耗的諧波，而且也具有相對(duì)較大的噪聲。

3.5有源濾波器

有源濾波器主要通過(guò)電力電子裝置產(chǎn)生相互抵消的相位相反的負(fù)序電流和負(fù)荷中的諧波電流，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電源對(duì)無(wú)功電流與總諧波的要求。具有補(bǔ)償靈活，調(diào)速快，不與系統(tǒng)產(chǎn)生諧振現(xiàn)象的特點(diǎn)，只是在價(jià)格上該設(shè)備較為昂貴。

3.6調(diào)壓固定濾波器、電抗器和電容器

這幾種設(shè)備主要是通過(guò)調(diào)節(jié)對(duì)降壓變壓器的低壓側(cè)母線電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，與電抗器或低壓母線上的濾波器電壓相連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)此設(shè)備無(wú)功出力進(jìn)行改變的目標(biāo)，利用分接開(kāi)關(guān)的無(wú)載和晶閘管通斷進(jìn)行必要的調(diào)節(jié)過(guò)程，在理論上來(lái)說(shuō)其壽命是不會(huì)受到限制的，只是在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，采用加裝使提供的無(wú)功功率穩(wěn)定，從而起到濾波的作用。

3.7無(wú)源濾波器與有源濾波器

無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)在這兩種設(shè)備上的應(yīng)用還處于研究階段，相互抵消因有源濾波器形成的同負(fù)荷中的相反諧波電流，進(jìn)而達(dá)到電源對(duì)總諧波電流的需要，充分利用無(wú)源對(duì)大容量的補(bǔ)償和有源補(bǔ)償所具有的靈活可控特點(diǎn)。

目前國(guó)內(nèi)雖然有眾多的無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)日益得到廣泛應(yīng)用，但由于受到很多負(fù)荷不斷變化的設(shè)備和一些非線性因素的影響，對(duì)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用也提出了更高的要求。

4.無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用效果

電氣自動(dòng)化中無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)近年來(lái)得到迅速發(fā)展，在實(shí)際應(yīng)用中，隨著電氣自動(dòng)化設(shè)備中變化復(fù)雜的負(fù)荷及不斷增加的非線性因素而需要進(jìn)行深入研究。為使電氣功率因數(shù)提高、負(fù)序降低并形成有效濾波通路或?qū)a(chǎn)生的諧波濾除或進(jìn)行抵消，很多變電站已提出了很多技術(shù)方案用于實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償并進(jìn)行諧波治理。以諧波注入式為基礎(chǔ)與混合有源濾波器相并聯(lián)的無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中由于其在設(shè)計(jì)方案中利用大容量進(jìn)行無(wú)源補(bǔ)償、靈活可控的有源補(bǔ)償兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)，而具有很強(qiáng)的可行性。

5.結(jié)語(yǔ)

綜上，隨著大功率電力電子器件技術(shù)的不斷發(fā)展，功率器件容量的發(fā)展趨勢(shì)將不斷提高，諧波采用有源濾波器等設(shè)備抑制，運(yùn)用適宜的柔性交流輸電系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率補(bǔ)償，在某種程度上將會(huì)使整個(gè)配電系統(tǒng)所耗能量明顯降低，實(shí)現(xiàn)良好的節(jié)能效果，補(bǔ)償方式的具體措施會(huì)隨不同場(chǎng)合而進(jìn)行靈活選用，并將在電氣自動(dòng)化系統(tǒng)中日益得到廣泛應(yīng)用。

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作者簡(jiǎn)介

姜之源（1987—），男，主要從事建筑電氣設(shè)計(jì)工作。