無功補(bǔ)償技術(shù)在電氣自動化中的應(yīng)用

胡定友

摘 要：隨著科技水平的發(fā)展以及人民生活水平的提高，無論是生產(chǎn)企業(yè)還是居民用戶，對電力能源的需求也越來越多，質(zhì)量也越來越精。傳統(tǒng)電網(wǎng)中，由于在最初建設(shè)時(shí)，并未考慮到電網(wǎng)后期會注入或吸收大量的感性或容性無功，因此現(xiàn)如今電網(wǎng)功率因素較之前低，且電壓穩(wěn)定性較差，頻率出現(xiàn)偏差等。文章首先介紹了無功補(bǔ)償?shù)囊饬x，介紹了幾種無功補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ治隽诵滦偷臒o功補(bǔ)償裝置SVG的應(yīng)用機(jī)理。

關(guān)鍵詞：無功補(bǔ)償；電氣自動化；SVG

中圖分類號：TM92 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）32-0047-02

1 無功補(bǔ)償意義

隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的高速發(fā)展以及人民用電需求的日益增長，電力能源的應(yīng)用逐漸趨向于電氣自動化了，近年來，電氣自動化已經(jīng)應(yīng)用在更多的領(lǐng)域了。電氣自動化的發(fā)展的技術(shù)要求，對電能質(zhì)量的要求相比于傳統(tǒng)的用電設(shè)施，要嚴(yán)格的多。其首要條件就是要滿足電壓波動和頻率波動要求，必須在正常工作的范圍內(nèi)，才會對設(shè)備影響很小，才適合長期穩(wěn)定工作。因此就需要調(diào)節(jié)電網(wǎng)的無功，無功平衡帶來的就是電壓的穩(wěn)定，一些常用的方法比如并聯(lián)電容器、電抗器等無功電源，從而使功率因素得到提高，效率得到改善。結(jié)合電力濾波器的使用，無功補(bǔ)償在電氣自動化系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，提高功率因數(shù)的同時(shí)，降低了損耗，提高了用電效率，為用戶和供電企業(yè)減少了經(jīng)濟(jì)損失。

無功補(bǔ)償技術(shù)主要是對電網(wǎng)電壓進(jìn)行控制。通過對工作電壓進(jìn)行采樣，結(jié)合一些控制方法比如電壓矢量控制，SPWM控制等方法，控制電容器的投入與切除，從而控制無功的補(bǔ)償，在經(jīng)過濾波，使電能質(zhì)量改善到技術(shù)要求的范圍內(nèi)，用電設(shè)備可以高效運(yùn)行。

電網(wǎng)中無功的多少與電壓有著明顯的關(guān)系。輸電線路的容升效應(yīng)就是由于在輸電過程中對地導(dǎo)納的原因，使得對地電容對輸電網(wǎng)中注入無功，這樣就造成輸電線路末端電壓高出首端，若偏離值高于10%，則造成用電設(shè)備不能正常使用，嚴(yán)重時(shí)會損壞設(shè)備。電網(wǎng)電壓會不穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)造成大電網(wǎng)停電，電網(wǎng)崩潰，造成的損失和影響是不可估量的。因此無功補(bǔ)償在電氣自動化領(lǐng)域，有著極其重要的意義。

2 無功補(bǔ)償常見裝置和技術(shù)

2.1 常見的無功補(bǔ)償方式

在電力系統(tǒng)中，可以通過多種方法進(jìn)行無功補(bǔ)償，最常見的三種方式是：就地補(bǔ)償，分散補(bǔ)償，集中補(bǔ)償。補(bǔ)償方式?jīng)]有優(yōu)劣與先進(jìn)之分，需要根據(jù)實(shí)際情況確定合適的補(bǔ)償方式。就地補(bǔ)償：由于電網(wǎng)中因?yàn)榻尤氪罅康母袘?yīng)電機(jī)從而使得無功缺少或者電壓降低，因此就地補(bǔ)償就是在異步電動機(jī)或者一些感性的電氣自動化設(shè)備附件加入無功補(bǔ)償裝置，并聯(lián)電容，對該點(diǎn)注入無功。這種方式對小型電動機(jī)等設(shè)備比較有優(yōu)勢。不但補(bǔ)償了無功，還提高了電動機(jī)的功率因數(shù)，改善了電動機(jī)機(jī)端的電壓，工作更穩(wěn)定，對生產(chǎn)企業(yè)大有優(yōu)勢。分散補(bǔ)償就是在電氣自動化設(shè)備區(qū)域內(nèi)，隔一段距離布置一個無功補(bǔ)償裝置，其特點(diǎn)是容量比較小，但是數(shù)量比較多，優(yōu)點(diǎn)是可以使整體的電壓電能質(zhì)量得到改善，調(diào)節(jié)無功時(shí)也基本可以做到連續(xù)調(diào)節(jié)，即使有一個補(bǔ)償裝置發(fā)生故障，對整體的補(bǔ)償效果影響不是很大，可靠性系數(shù)高。缺點(diǎn)是比較分散，控制成本比較高，同時(shí)需要的人力成本也相對較高。集中補(bǔ)償在電網(wǎng)中選取一點(diǎn)，一般選擇在變電所的母線上，實(shí)現(xiàn)在源頭處注入無功，從而實(shí)現(xiàn)對所以設(shè)備的補(bǔ)償。這種方式比較簡單，無論是感應(yīng)電機(jī)處，還是一般照明負(fù)荷，補(bǔ)償效果都是均等的，只是需要接入的無功補(bǔ)償裝置容量要比較大，為系統(tǒng)留有一定的裕量。缺點(diǎn)是對無功需求量大的電氣設(shè)備，不能給予足夠的補(bǔ)償，因此對敏感負(fù)荷要求高的電能質(zhì)量比較難滿足，另外，靈活性較低。

2.2 常見的無功補(bǔ)償裝置

無功補(bǔ)償目的就是向電網(wǎng)注入無功功率，從而保證電網(wǎng)中的功率、電壓平衡，電氣自動化技術(shù)得以成功施展。常見的補(bǔ)償裝置有以下幾種：電容器，電抗器，同步調(diào)相機(jī)，靜止無功補(bǔ)償器（SVC），靜止無功發(fā)生器（SVG）。本文，我們談到的無功，不做特殊說明時(shí)，一般指的是感性無功。因此感應(yīng)電動機(jī)是消耗無功的電氣設(shè)備。

電容器與感應(yīng)電機(jī)正好相反，是發(fā)出無功的設(shè)備，因此可以當(dāng)做是無功發(fā)生源。因此電容器只有在系統(tǒng)中無功缺失的情況下工作，在無功過剩時(shí)則不會起到作用（由于電氣自動化系統(tǒng)中包含大量的感應(yīng)電動機(jī)，因此一般電網(wǎng)基本都工作在無功缺失的狀態(tài)），所以電容器是最常見的無功補(bǔ)償裝置。

電抗器與感應(yīng)電機(jī)類似，與電容器相反，是吸收無功的，相當(dāng)于補(bǔ)償負(fù)的無功，因此電抗器只有在系統(tǒng)中無功過剩的情況下進(jìn)行工作，由于電網(wǎng)中一般很少出現(xiàn)無功過剩（在輸電線路空載時(shí)由于容升效應(yīng)會出現(xiàn)無功過程，末端升高），因此純粹的電抗器在無功補(bǔ)償中使用很少。

同步調(diào)相機(jī)是一個同步發(fā)電機(jī)，調(diào)整其輸出電壓的相位，從而使得調(diào)相機(jī)不向電網(wǎng)注入有功，只注入無功，調(diào)相機(jī)是早期的補(bǔ)償無功常見的設(shè)備。

靜止無功補(bǔ)償器（SVC）內(nèi)部主要元件是電容器或者電容器和電抗器結(jié)合，在加上電力電子開關(guān)器件，通過控制開關(guān)的導(dǎo)通以及占空比，從而控制無功的補(bǔ)償大小。SVC目前常見的有以下幾種形式：晶閘管控制電抗器型（TCR），可發(fā)可吸收無功功率；晶閘管開關(guān)電容器型（TSC）只能發(fā)出無功功率；飽和電抗器型（SR）可發(fā)可吸收無功功率。靜止無功補(bǔ)償器是在近十幾年由于電力電子開關(guān)器件的發(fā)展，變得越來越受到人們的關(guān)注，的特點(diǎn)是利用開關(guān)器件的快速開通關(guān)斷以及高頻率，可以做到無功的連續(xù)調(diào)節(jié)，這一點(diǎn)是非常重要的，這也是將來無功補(bǔ)償裝置的發(fā)展趨勢。

靜止無功發(fā)生器SVG是這幾年關(guān)注度最高的無功補(bǔ)償裝置，本文將在下一節(jié)對SVG進(jìn)行深入的說明。

3 電氣自動化中應(yīng)用中SVG的優(yōu)點(diǎn)

隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，一種更為先進(jìn)的靜止型無功補(bǔ)償裝置出現(xiàn)了，即靜止無功發(fā)生器SVG。SVG的產(chǎn)生使得無功補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)入了一個新的時(shí)代，與上文提到的SVC相比，SVG有著以下明顯的優(yōu)勢。

3.1 運(yùn)行范圍

SVC和SVG的工作原理都屬于變阻抗型的補(bǔ)償裝置，都是通過控制晶閘管的觸發(fā)占空比，以達(dá)到補(bǔ)償不同無功功率的目的。但SVC補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償容量與電網(wǎng)電壓成正比關(guān)系。而SVG則是基于變流器的補(bǔ)償裝置，其相當(dāng)于一個電壓源型逆變器，通過調(diào)整其變流器交流側(cè)電壓的幅值和相位，可保持最大無功電流不變，因而在運(yùn)行范圍比SVC有更大的空間。

3.2 諧波抑制

SVC是電容通過晶閘管的開通和關(guān)斷并聯(lián)到線路中，因此本身就是一個諧波源，其運(yùn)行時(shí)會產(chǎn)生高次諧波，因此需要額外的接入有源電力濾波器。而SVG裝置為電源型逆變裝置，接入系統(tǒng)不會改變阻抗特性，并且調(diào)整逆變側(cè)輸出的電壓相位及幅值可抑制相應(yīng)的諧波。

3.3 補(bǔ)償功能

除了補(bǔ)償無功功率之外，SVG還具補(bǔ)償電力系統(tǒng)中不平衡負(fù)載情況下負(fù)序電流的功能。當(dāng)三相電力系統(tǒng)中出現(xiàn)負(fù)載不平衡時(shí)，在系統(tǒng)中將出現(xiàn)負(fù)序電流，SVG可以通過改變控制進(jìn)而改善補(bǔ)償處理， SVC是不具備這些功能的。

3.4 響應(yīng)速度

SVC裝置一般采用半控型的器件，其信號延遲時(shí)間比較長，再加上SVC本身的過渡過程，整個裝置響應(yīng)延遲可達(dá) 50～60 ms。而SVG一般都采用的是全控型器件IGBT，其傳輸延遲非常小，一般僅為SVC的一半左右。

3.5 成 本

雖然SVG 要使用數(shù)量較多的大容量全控型功率元件，其價(jià)格比目前SVC使用的普通晶閘管高一些。但是隨著SVG的廣泛應(yīng)用，以及高功率開關(guān)器件制造技術(shù)和控制技術(shù)的不斷成熟，其價(jià)格必然下降。

綜上所述，若在電氣自動化中進(jìn)行連續(xù)的實(shí)時(shí)無功補(bǔ)償，SVG要比SVC在諸多方面都具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，因此在電氣自動化無功補(bǔ)償?shù)难芯恐?，非常有必要對SVG的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究，提高其對動態(tài)負(fù)荷的補(bǔ)償效果和運(yùn)行的安全可靠性，降低動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)某杀荆@一工作在實(shí)際應(yīng)用中有非常重大的意義。

4 總 結(jié)

本文通過簡單介紹電氣自動化中無功補(bǔ)償?shù)囊饬x，在此基礎(chǔ)上，對常見的幾種無功補(bǔ)償方式進(jìn)行簡單說明，并提出其不同適應(yīng)的適應(yīng)場合，在電氣自動化中可以作為參考。接著對目前常見的無功補(bǔ)償裝置的種類進(jìn)行介紹，透徹地分析了無功補(bǔ)償?shù)脑?，從基本的電容器電抗器出發(fā)進(jìn)行分析。最后結(jié)合近些年電力電子技術(shù)的發(fā)展，對新型的SVC以及SVG補(bǔ)償裝置的優(yōu)勢和劣勢進(jìn)行比較，提出SVG的在電氣自動化中的研究意義和應(yīng)用價(jià)值。綜上所述，本文提出的觀點(diǎn)和思想，不管是對工程應(yīng)用還是理論研究，都有極大的指導(dǎo)作用。

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