淺談無功補(bǔ)償自控方案在電力設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

鄭智甫

（常德紡織機(jī)械有限公司，湖南常德 415000）

淺談無功補(bǔ)償自控方案在電力設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

鄭智甫

（常德紡織機(jī)械有限公司，湖南常德 415000）

在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的帶動(dòng)下，企業(yè)對(duì)于電力的需求不斷增加，異步電動(dòng)機(jī)和各種新的電氣設(shè)備不斷得到應(yīng)用和普及，大量的感性負(fù)荷和大功率沖擊性負(fù)荷的存在以及可控硅裝置的使用，導(dǎo)致了整個(gè)電力系統(tǒng)功率因數(shù)的下降，電壓波動(dòng)巨大。本文結(jié)合無功補(bǔ)償?shù)膬?nèi)涵和特點(diǎn)，對(duì)其補(bǔ)償方式進(jìn)行了簡單分析，同時(shí)對(duì)幾種常見的無功補(bǔ)償自控方案進(jìn)行了闡述和比較，希望可以為電力設(shè)計(jì)工作提供一定的參考。

無功補(bǔ)償自控方案 電力設(shè)計(jì) 應(yīng)用

在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的帶動(dòng)下，企業(yè)對(duì)于電力的需求不斷增加，為了保證供電的穩(wěn)定性和安全性，提高電網(wǎng)的負(fù)載能力，一般會(huì)采用無功補(bǔ)償?shù)姆绞?，以降低功率的損耗，保證供電質(zhì)量。

1 無功補(bǔ)償?shù)奶攸c(diǎn)

無功補(bǔ)償，是指將具有容性功率負(fù)荷的設(shè)備與感性功率負(fù)荷并接在同一電路中，使得能量可以在兩種負(fù)荷之間相互交換，感性負(fù)荷吸收的無功功率可以從容性負(fù)荷輸出的無功功率中得到補(bǔ)償。簡單來說，無功補(bǔ)償就是為了提高電能的利用率，對(duì)無功功率進(jìn)行的補(bǔ)償。在大的系統(tǒng)中，無功補(bǔ)償可以對(duì)電網(wǎng)的電壓進(jìn)行調(diào)整，以提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性；而在小的系統(tǒng)中，通過恰當(dāng)?shù)臒o功補(bǔ)償方法，可以對(duì)三相不平衡電流進(jìn)行調(diào)整，將各相的功率因數(shù)補(bǔ)償至0.9～1.0，使得各相的有功電流達(dá)到平衡狀態(tài)。根據(jù)補(bǔ)償方式的不同，無功補(bǔ)償可以分為以下三種：

（1）就地補(bǔ)償：就地補(bǔ)償裝置多安裝在電感性用電設(shè)備附近，可以有效提高設(shè)備供電回路的功率因數(shù)，提高電壓質(zhì)量。（2）集中補(bǔ)償：集中補(bǔ)償裝置包括并聯(lián)電容器、靜止補(bǔ)償器和同步調(diào)相機(jī)等，一般安裝在企業(yè)或者地方總變電所的6-35kV母線上，其主要目的，在于對(duì)輸電網(wǎng)的功率因數(shù)進(jìn)行改善，以提高變電所的電壓，同時(shí)對(duì)主變壓器的無功損耗進(jìn)行補(bǔ)償。（3）分散補(bǔ)償：分散補(bǔ)償與集中補(bǔ)償具有相同的優(yōu)勢，只是其無功容量相對(duì)較小，其補(bǔ)償設(shè)備一般安裝在車間或者村鎮(zhèn)變電所的低壓或者高壓母線上，多采用低壓側(cè)補(bǔ)償，可以實(shí)現(xiàn)降損升壓的效果。這種無功補(bǔ)償方式補(bǔ)償效率高，而且投資少、見效快，方便管理和維護(hù)，適用于功率因數(shù)較低，而且負(fù)荷較重的長距離配電線路。

2 靜止無功補(bǔ)償器介紹

靜止無功補(bǔ)償器（Static Var Compensator）亦稱SVC，傳統(tǒng)補(bǔ)償用斷路器或接觸器投切電容，SVC用的則是可控硅等電子開關(guān)，無機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分，因此稱其為靜態(tài)補(bǔ)償裝置。SVC可實(shí)現(xiàn)快速、連續(xù)、頻繁地控制電抗器，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。SVC組成部分分3部分：（1）固定電容器和固定電抗器組成的一個(gè)補(bǔ)償加濾波支路，該部分適當(dāng)選擇電抗器和電容器容量，可濾除電網(wǎng)諧波，并補(bǔ)償容性，將電網(wǎng)補(bǔ)償?shù)饺菪誀顟B(tài)；（2）固定電抗器；（3）可控硅電子開關(guān)，其可控硅用來調(diào)節(jié)電抗器導(dǎo)通角，改變感性輸出來抵消補(bǔ)償濾波支路容性，使以保持在較高功率因數(shù)。

3 無功補(bǔ)償中的諧波抑制

伴隨電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用和發(fā)展，在供電系統(tǒng)中，已經(jīng)增加了大量的非線性負(fù)載，比如低壓小容量家用電器和高壓大容量的工業(yè)用交、直流變換裝置，尤其是靜止變流器的應(yīng)用，鑒于其開關(guān)的工作方式，會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)電流、電壓波形發(fā)生畸變，進(jìn)而產(chǎn)生電網(wǎng)的諧波“污染”。另外，電網(wǎng)中接有沖擊性、波動(dòng)性負(fù)荷，如電弧爐、大型軋鋼機(jī)、電力機(jī)車等，它們?cè)谶\(yùn)行中不但會(huì)產(chǎn)生大量的高次諧波，亦會(huì)使電壓波動(dòng)、閃變、三相不平衡情況愈發(fā)嚴(yán)重。這不但會(huì)降低供用電設(shè)備自身的安全性，也會(huì)大量減弱電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效果，進(jìn)而形成電網(wǎng)“公害”。以往，采用并聯(lián)電容器直接接入母線，因諧波的存在，會(huì)造成電容器過流發(fā)熱發(fā)生故障。因此，在并聯(lián)電容器的回路中，使用串聯(lián)電抗器是十分有效且可行的辦法。串聯(lián)電抗器的主要作用即抑制高次諧波和限制合閘涌流，防止諧波對(duì)電容器造成危害，避免電容器裝置的接入對(duì)電網(wǎng)諧波的過度放大和諧振發(fā)生。電抗率是串聯(lián)電抗器的重要參數(shù)，電抗率的大小直接影響著它的作用。值得注意的是，串聯(lián)電抗器絕不能與電容器組任意組合，更不能不考慮電容器組接入母線處的諧波背景。

4 無功補(bǔ)償自控方案在電力設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

要想確保無功補(bǔ)償?shù)捻樌M(jìn)行，就必須重視對(duì)無功補(bǔ)償?shù)墓芾砗涂刂啤哪壳暗募夹g(shù)條件看，無功補(bǔ)償通常都會(huì)采用自動(dòng)控制方案，這樣可以有效減少人工成本，降低造價(jià)，而且便于進(jìn)行安裝和維護(hù)。因此，選擇恰當(dāng)合理的無功補(bǔ)償自控方案，對(duì)于提高供電質(zhì)量，保障供電安全等有著非常重要的意義。這里針對(duì)幾種無功補(bǔ)償自控方案進(jìn)行簡單分析。

4.1 電子式

電子式自動(dòng)補(bǔ)償控制方式主要是由多個(gè)分立元件構(gòu)成的，其控制系統(tǒng)包括相位和電流檢測單元、投切控制電源、電容器組以及無功運(yùn)算和比較單元等。這種自動(dòng)控制方案在以往取得了一定的成效，但是由于元件眾多，設(shè)備體積龐大，而且系統(tǒng)線路繁雜，安裝和維修困難，同時(shí)可靠性相對(duì)較差，在投切過程中，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的沖擊涌流，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性。另外，設(shè)備自身的使用壽命較短，一旦發(fā)生故障，很難修復(fù)，只能切換為手動(dòng)控制，極大地影響了無功補(bǔ)償?shù)男屎唾|(zhì)量。因此，電子式自動(dòng)補(bǔ)償控制方式已經(jīng)基本停用。

4.2 可編程邏輯控制器

可編程邏輯控制器，是一種以微機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置?；赑LC控制的無功補(bǔ)償自控方案，主要是應(yīng)用PLC控制技術(shù)，對(duì)傳統(tǒng)的繼電器接觸器自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行改造而成的，對(duì)系統(tǒng)中原有的主回路、輸出電路、電源等繼續(xù)使用，并通過PLC實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換、可逆計(jì)數(shù)器、清零電路、譯碼器等的控制，這樣，可以有效降低系統(tǒng)成本，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。需要注意的是，在原系統(tǒng)中，相角檢測電路輸出的信號(hào)并不足以驅(qū)動(dòng)PLC輸入，因此需要對(duì)其進(jìn)行放大處理。同時(shí)，原輸出電路中的三極管開關(guān)電路，可以由PLC的輸出繼電器實(shí)現(xiàn)，考慮到PLC有限的輸出點(diǎn)容量，在其中增設(shè)中間繼電器，作為輸出電路。在該方案中，控制系統(tǒng)同樣采用模塊化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡單清晰，層次分明，通過相應(yīng)的檢測模塊，可以對(duì)電系統(tǒng)的相角信息進(jìn)行隨時(shí)采集，并與相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，如果不滿足要求，系統(tǒng)可以自動(dòng)對(duì)補(bǔ)償電容器進(jìn)行投入或切除操作，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化無功補(bǔ)償，確保供電系統(tǒng)的功率因數(shù)可以滿足設(shè)計(jì)要求。例如，西門子S7-200PLC就是PLC控制技術(shù)在無功補(bǔ)償自動(dòng)控制方面的典型。通過PLC內(nèi)部的時(shí)鐘日歷，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)實(shí)時(shí)投切，即使模擬單元或者檢測電路出現(xiàn)故障，系統(tǒng)也可以根據(jù)實(shí)時(shí)時(shí)間進(jìn)行自動(dòng)投切。而如果檢測、設(shè)定、過壓保護(hù)線路出現(xiàn)故障，可以通過相應(yīng)的軟件，確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行，避免誤動(dòng)現(xiàn)象，從而有效防止故障的擴(kuò)大。

4.3 單片機(jī)

這里主要針對(duì)基于ATmega16 單片機(jī)控制技術(shù)的無功補(bǔ)償自控方案進(jìn)行討論。該自控系統(tǒng)主要包括AVR處理模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、控制補(bǔ)償模塊等，系統(tǒng)中使用的ATmega16芯片，是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器，憑借自身先進(jìn)的指令集，以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega16的數(shù)據(jù)吞吐率可以達(dá)到1MIPS/MHz，能夠在有限的功耗下，極大地提高系統(tǒng)的處理速度。同時(shí)，ATmega16 AVR內(nèi)核具備極其豐富的指令集和32個(gè)通用工作寄存器，寄存器可以與運(yùn)算單元直接相連，使得系統(tǒng)可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，通過一條指令，同時(shí)訪問兩個(gè)寄存器。這樣，可以有效提高代碼效率，較普通的CISC微控制器的數(shù)據(jù)吞吐率要高出10倍左右，從而實(shí)現(xiàn)無功功率的快速檢測、配變檢測以及動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)?。在單片機(jī)無功自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)中，軟件部分采用的是模塊化的結(jié)構(gòu)，主要包括信號(hào)采集、電網(wǎng)參數(shù)計(jì)算、電容器投切控制等模塊，不僅可以十分方便地進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展，也可以簡化系統(tǒng)的安裝調(diào)試流程。

從目前來看，WBB礦用隔爆型無功中補(bǔ)償裝置就是單片機(jī)自動(dòng)控制的典型代表，該設(shè)備利用以單片機(jī)為核心的控制器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)無功功率、電流、電壓等的實(shí)時(shí)檢測，從而實(shí)現(xiàn)有效的無功補(bǔ)償。

4.4 幾種方案的比較

通過對(duì)比可以看出，傳統(tǒng)的電子式無功補(bǔ)償自控方案，不僅線路復(fù)雜，而且可靠性較差，響應(yīng)速度慢，已經(jīng)無法適應(yīng)當(dāng)前社會(huì)發(fā)展的實(shí)際需求，正逐漸退出歷史舞臺(tái)；基于單片機(jī)控制技術(shù)的自控方案，數(shù)據(jù)吞吐量大，數(shù)據(jù)傳輸速度快，可擴(kuò)展性好，但是其抗干擾能力不足，在中壓和高壓線路中，可靠性無法保證；基于PLC控制技術(shù)的自控方案，不僅組態(tài)方便，而且可靠性強(qiáng)，可擴(kuò)展性好，抗干擾能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡單，便于進(jìn)行安裝和維護(hù)，因此可以說是電力設(shè)計(jì)中無功補(bǔ)償自動(dòng)化控制的首選方案。

5 結(jié)語

總之，在當(dāng)前的時(shí)代背景下，社會(huì)對(duì)于電力的需求越來越大，新的電氣設(shè)備的應(yīng)用也使得無功補(bǔ)償受到了電力工作人員的重視。在進(jìn)行電力設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合實(shí)際情況，選擇最佳的無功補(bǔ)償自控方案，可以有效減少設(shè)計(jì)容量，減少工程成本，提高電能的使用效率和用電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)該引起電力設(shè)計(jì)人員的充分重視。

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