相間能量平衡型無功補償裝置分析

徐彥

摘要：節(jié)能減排是世界性主題，對我國尤其意義重大。通過科學手段節(jié)約電能，減少電力輸送的空載損失，已經(jīng)勢在必行。論述如何通過采用相間能量平衡型無功補償裝置，有效降低無功損失、提高供電設備效率，達到節(jié)約電能的目的。

關(guān)鍵詞：無功補償；節(jié)約電能

中圖分類號：TM761 文獻標識碼：Adoi：10.14031/j.cnki.njwx.2016.10.002

Abstract：Energy saving and emission reduction is a worldwide theme， which is of great significance to our country. It is imperative to save energy by means of scientific method and reduce the no-load loss of power transmission. This paper discusses how to reduce the reactive power loss and improve the efficiency of power supply equipment by using the energy balance reactive power compensation device， which can achieve the goal of saving energy.

Key word：reactive power compensation；energy saving

0 引言

當前，全球經(jīng)濟的發(fā)展原則是節(jié)能減排，對我們處于發(fā)展中的國家，能源的節(jié)約尤其重要。電力工業(yè)最重要的節(jié)能措施就是“無功補償”，如何最大限度地提高發(fā)電和輸配電設施的利用率，是電力部門和用電單位都十分關(guān)心的問題，其中蘊涵著巨大的經(jīng)濟效益。

總體技術(shù)方案“相間能量平衡型無功補償裝置”是一種電力工業(yè)必須的調(diào)控設備，為電力無功功率補償提供了更完善的方法。它可有效降低無功損失、提高供電設備效率、改善供電質(zhì)量，在不平衡的三相四線制供電系統(tǒng)中節(jié)能效果明顯，是當前電力工業(yè)主推的節(jié)能手段。

本裝置用于供電系統(tǒng)的用戶（負載）端，綜合完成以下三種功能：（1）無功功率補償功能；（2）相間有功能量自動平衡功能；（3）有源濾波功能。

第一個無功功率補償功能的工作原理很簡單，是在用戶端并聯(lián)適當大小的電容器，以抵消電感分量，這是常規(guī)的無功補償柜采用的方法，也稱之為靜態(tài)無功補償。

第二項相間有功能量自動平衡是創(chuàng)新項目，它針對供電系統(tǒng)的這種情況：供電系統(tǒng)總是用三相（ABC）供電，而大多用戶端是分別使用三相中的一相（單相用戶），因而三相系統(tǒng)各相用電的不平衡現(xiàn)象是絕對的，這種不平衡會造成嚴重的后果。首先是中性點偏移，使各相的供電電壓改變，電壓升高的相，會燒毀電器，電壓降低的相，會使電器無法工作；其次是嚴重影響供電設備最大容量的發(fā)揮，比如變壓器，它的最大容量對各個單相是一致的，因而任何一相達到最大容量時，變壓器就處于危險的飽和狀態(tài)，其它兩相則發(fā)揮不出最大容量；最后，三相的不平衡，使得靜態(tài)補償失效，甚至取得的效果適得其反?？梢姳狙b置功能的重要性。

相間有功能量自動平衡功能是用圖1所示的方法實現(xiàn)的：采用圖1的三相移相電路，給連接在三相線路上的能量轉(zhuǎn)移電容注入電流，依靠調(diào)節(jié)相位把電容電流調(diào)整與該相的有功電流同相，從而實現(xiàn)有功能量在相間的轉(zhuǎn)移。依靠圖1的控制器，調(diào)節(jié)能量轉(zhuǎn)移大小，實現(xiàn)轉(zhuǎn)移能量的三相平衡。

第三項是有源濾波功能。能量平衡后的三相電路的各相無功電能出現(xiàn)新的分布狀態(tài)（不平衡狀態(tài)），此時按新狀態(tài)對各相單獨實現(xiàn)分相式無功補償。分相式無功補償由兩部分補償完成：有源濾波（圖2） 和靜態(tài)無功補償（圖3）。

靜態(tài)補償部分是為減少有源濾波部分的最大容量，從而減少裝置成本。有源濾波起到四個作用：一是對可能出現(xiàn)的感性無功的補償作用；二是對靜態(tài)無功補償殘留的無功部分進行補償；三是對無功分量快速變化進行跟蹤；四是對電流波形修正，實現(xiàn)高頻濾波。

在本裝置的靜態(tài)補償上也采用了新型電壓過零接通、電流過零斷開的無弧開關(guān)新技術(shù)，它們與有源濾波部分相迭加使用，可有效地提高開關(guān)壽命、提高補償電容壽命、對網(wǎng)絡無沖擊、可快速通斷、開關(guān)無能耗和反應靈敏等特點。

它的突出優(yōu)點是：（1）提高補償質(zhì)量和效率，可對各單相實現(xiàn)完全補償；（2）均衡相間負荷，降低變壓器溫升、提高負荷能力；（3）降低線損、設備損失和補償裝置的自身損失；（4）實現(xiàn)對快速變化負荷進行快速跟蹤補償；（5）完成各種設備保護和監(jiān)控功能；（6）實現(xiàn)電氣參量的自動檢測、控制、傳輸和存儲，具備聯(lián)網(wǎng)功能；（7）應用新型電壓過零接通、電流過零斷開的無弧開關(guān)新技術(shù)，提高開關(guān)壽命、提高補償電容壽命，對網(wǎng)絡無沖擊，可快速通斷，開關(guān)無能耗。

1 裝置主要技術(shù)指標

有功能量轉(zhuǎn)移范圍：小于100 kW/相；

靜態(tài)無功補償范圍：100 kW/相；

有源濾波和無功補償能力：100 kW/相；

有源響應速度：0.1 s/響應值；

工作溫度：-40～75 ℃。

2 技術(shù)創(chuàng)新

相間能量自平衡式有源無功分相補償裝置是一種電力工業(yè)必須的調(diào)控設備，它為電力無功功率補償提供更完善的方法。在不平衡三相四線制供電系統(tǒng)中用于快速無功功率補償和能量平衡，其節(jié)能效果明顯，是當前電力工業(yè)主要的節(jié)能手段，是一種新型的創(chuàng)新技術(shù)。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖4所示。

綜合完成無功功率補償、相間有功能量自動平衡、有源濾波三種功能。

2.1 相間能量平衡電路的研發(fā)

其中兩個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，即移相技術(shù)和可控硅導通角控制。它們均采用DSP系統(tǒng)的編程信號，難度不大，主要是算法方面的軟件問題。

2.2 靜態(tài)無功補償電路的研發(fā)

采用了新型電壓過零接通、電流過零斷開的無弧開關(guān)新技術(shù)，有效地提高開關(guān)壽命、提高補償電容壽命、對網(wǎng)絡無沖擊、可快速通斷、開關(guān)無能耗等特點。其中的技術(shù)關(guān)鍵是雙向可控硅的耐壓壽命以及雙穩(wěn)態(tài)觸點開關(guān)的機械壽命，這主要決定硬件的可靠性，目前通過對產(chǎn)品篩選，已經(jīng)獲得解決。

2.3 有源功率因數(shù)校正和濾波功能

它是基于瞬時無功功率理論的控制算法完成的。這需要同時完成實時監(jiān)測和實時控制兩大任務，系統(tǒng)的監(jiān)測包括系統(tǒng)的電壓和電流的實時數(shù)據(jù)，調(diào)整前后的輸出數(shù)據(jù)等。實時控制任務包括移相控制、能量轉(zhuǎn)移控制、靜態(tài)補償控制和有源濾波控制等。這類任務的實時性很強，所以軟件程序的優(yōu)先級也較高，算法也越顯得重要，所以采用瞬時無功功率理論的控制算法，化三維坐標A、B、C為二維坐標α、β，從而大大提高運算速度，各相無功電流按在坐標α、β中計算，可節(jié)約大量時間。坐標變換后的電壓電流計算公式如下：

eαeβ=c32eaebec iαiβ=c32iaibic

之后，再依據(jù)三相瞬時無功和為零的原理，判定有源補償器的輸出，即實現(xiàn)了接近零差的開環(huán)隨動控制。

3 理論創(chuàng)新

電力參數(shù)的立即測量：本裝置采用交流周期參數(shù)的立即測量理論，采用先進的技術(shù)手段，實現(xiàn)了周期性的電力參數(shù)的立即測量。交流周期參數(shù)是全周期眾多次測量結(jié)果的演算值，因而想得出這個演算值，最快也需一個周期的時間。傳統(tǒng)的測量方法，電力參數(shù)的檢測至少要經(jīng)過一個周期25 ms之后，才能獲得測量結(jié)果。而本項目要求立即得出這個測量結(jié)果的演算值，以便開環(huán)修正。這種把測量時間提高近25 ms的方法，對于必須進行實時控制的應用非常重要，因此可以把本系統(tǒng)成功運用到各種有實時性要求的環(huán)境中。

電力參數(shù)的立即測量是指導實時控制算法的重要理論依據(jù)，該理論與傳統(tǒng)方法的結(jié)果具有完全的一致性。但本方法的有效性、簡捷性、實用性和快速性使得交流電的調(diào)控成為可能，并在補償裝置上得到應用和驗證。

這里所指的電力參數(shù)包括：電壓、電流、功率、電能、頻率、功率因數(shù)等全信息，它們是電力生產(chǎn)、輸配供應和電力用戶所必須測量的參數(shù)，也是電力電子設備必需的監(jiān)控對象。

這些參數(shù)的基礎量是正弦電壓和正弦電流。它們在電工學中理論定義，均是以周期為依據(jù)的，如：

電流（有效值）I=1T∫T0i2dt

電壓（有效值）U=1T∫T0u2dt

有功功率 P=1T∫T0iudt

功率因數(shù)cosθ=PUI等。

傳統(tǒng)的測量方法，正是依據(jù)這些定義進行的。顯而易見，電力參數(shù)的傳統(tǒng)檢測至少要經(jīng)過一個周期之后，才能獲得測量結(jié)果。

隨著電力技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)電力參數(shù)立即測量的要求越來越迫切。所謂的立即測量，就是指能立即對樣品進行采樣，而不是指測量的速度有多高。

該技術(shù)的理論突破，對電力電子技術(shù)的發(fā)展必將起到推動作用。

實現(xiàn)正弦交流量立即測量的困難是沒有即時樣本，各種量不斷變化，只是在一個周期內(nèi)才有完整定義。

所幸的是，作為表征正弦交流的矢量法中常用的旋轉(zhuǎn)矢量，具備提供即時樣本的條件：它在任意時刻，都能提供出它的模、幅角等全信息特性。因而在本文后述部分，稱與正弦交流對應的旋轉(zhuǎn)矢量為特征量。

顯然，對特征量檢測，可實現(xiàn)電力參量的立即測量，立即獲得希望的各種信息。我們稱這種針對特征量的檢測技術(shù)為全信息立即測量。

在電工學中廣泛使用矢量法，就是把正弦交流量的大小表示成一個旋轉(zhuǎn)矢量在坐標軸上的投影（如圖5）。在今后討論中，我們采用余弦函數(shù)表示交流量，并且幅值用有效值表示，因為這會給問題的討論帶來意外的方便。

可以說，我們真正關(guān)心的，就是對特征量（旋轉(zhuǎn)矢量）I·的檢測技術(shù)。 特征量（旋轉(zhuǎn)矢量）并不總是客觀存在的，例如，為對交流電流i=Icos（ωt+φ）進行測量，實際上我們己知的條件，只是特征量I·在X軸上的一個坐標lx-l而已。

然而通過鎖相和幅值跟蹤技術(shù)，不難創(chuàng)造另外一個Y軸坐標iy=Icos（ωt+φ+π2）（如圖6所示）。在己知的條件下，特征量I·變成己知ix、iy，故可對交流電流的任何參數(shù)實現(xiàn)立即測量。

利用圖7的測量方案，可立即測得正弦交流的有效值，而不必等待一個工頻周期之后。

功率的測量涉及到電壓和電流兩個特征量，分別構(gòu)造完成它們的X、Y軸分量后（如圖8），即可得到功率的即時樣本，實現(xiàn)有功功率P的立即測量。

4 應用創(chuàng)新

本裝置在國內(nèi)率先提出相間能量平衡摡念，此功能解決了三相四線制供電系統(tǒng)最大的歷史性技術(shù)障礙，消除因不平衡造成的相電壓變化、中性點偏移和中線電流過大等危害，取得最大的節(jié)能效果，也使設備容量得到最大發(fā)揮。

5 結(jié)論

本裝置已在企業(yè)得到實際應用，證明可以有效降低無功損失、提高供電設備效率、改善供電質(zhì)量，達到了節(jié)約電能的目的，為節(jié)能減排作出了貢獻。