無功補(bǔ)償自動(dòng)控制中電工電子技術(shù)的應(yīng)用分析

周麗娟

（江蘇省宿遷經(jīng)貿(mào)高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇宿遷，223800）

0 引言

近年來，隨著我國對電能的需求與日俱增，對于電力系統(tǒng)的高效性、可靠性、安全性及穩(wěn)定性等方面提出了更高的要求。電力系統(tǒng)作為現(xiàn)代社會(huì)中不可或缺的基礎(chǔ)設(shè)施，其重要性不言而喻。在電力系統(tǒng)中，輸變電設(shè)備的主要功能將電力能源輸送到目的地，實(shí)現(xiàn)對電力能源的合理分配，實(shí)效高效地用電。然而，在一些比較老舊的電力設(shè)施傳輸過程中會(huì)出現(xiàn)無功功率的問題，不僅降低了電力系統(tǒng)的整體供電能力，給電網(wǎng)正常運(yùn)行帶來巨大威脅，影響了電能輸送的安全性和經(jīng)濟(jì)性，對電力企業(yè)的良好經(jīng)濟(jì)效益造成了影響。在電力系統(tǒng)中科學(xué)合理的選擇無功補(bǔ)償裝置，能降低電力系統(tǒng)運(yùn)輸線路及電變壓器的損耗，改善電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境，可以有效保障電力供應(yīng)的穩(wěn)定性，滿足人們對用電的實(shí)際需求。

1 無功補(bǔ)償?shù)墓ぷ髟?/h2>

良好的電力負(fù)荷能力是確保電網(wǎng)良好運(yùn)行的重要前提，在電力系統(tǒng)供電過程中，不同型號(hào)的電能設(shè)備因其耗電方式不同，因而其用電功率也會(huì)存在較大差異。在電力系統(tǒng)中，電網(wǎng)輸出的功率主要包括有功功率和無功功率兩個(gè)部分，其中，無功功率，是指發(fā)電機(jī)、線路電容等設(shè)備消耗電能并轉(zhuǎn)化為另一種形式的能量，對電網(wǎng)的正常運(yùn)行會(huì)造成直接影響。當(dāng)無功電源無法滿足電網(wǎng)無功功率時(shí)，最有效的解決方式就是運(yùn)輸系統(tǒng)的補(bǔ)償，在多數(shù)情況下，就需要運(yùn)用到無功補(bǔ)償設(shè)備來確保電力系統(tǒng)的效率及其穩(wěn)定性，從而減少電能的損耗，維持電路系統(tǒng)的平衡。

圖1 無功補(bǔ)償裝置的發(fā)展現(xiàn)狀

無功補(bǔ)償裝置主要包括：電力系統(tǒng)、補(bǔ)償設(shè)備及負(fù)載設(shè)備三個(gè)部分，其主要作用是提高電能傳輸?shù)墓β室蛩?、改善線路電壓質(zhì)量、減少不同線路電力損耗、延長電力設(shè)備的使用年限等。無功補(bǔ)償裝置的工作原理如圖2所示。

圖2 無功補(bǔ)償工作原理

根據(jù)圖2可得：

其中，U0——系統(tǒng)在無功功率時(shí)的電壓；Ssx——系統(tǒng)的短路容量。

對式（1）進(jìn)行變換可以得到式（2）：

根據(jù)式（2）可知：當(dāng)電路系統(tǒng)電壓的無功功率發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)也會(huì)隨之發(fā)生變化，此時(shí)，無功功率等于補(bǔ)償設(shè)備和負(fù)載的無功功率之和，當(dāng)電路系統(tǒng)處于正常狀態(tài)時(shí)，如果負(fù)載的無功功率發(fā)生變化，補(bǔ)償設(shè)備的無功功率大小完全能夠確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，且這時(shí)供電系統(tǒng)的無功功率值也不會(huì)發(fā)生變化。在電力系統(tǒng)中，變壓器、電動(dòng)機(jī)等供電設(shè)備在正常工作時(shí)都會(huì)產(chǎn)生一定的電力負(fù)荷，并吸收無功功率，在供電設(shè)備中安裝無功補(bǔ)償自動(dòng)控制裝置，能實(shí)現(xiàn)對能源損耗的有效控制，補(bǔ)償效果顯著。

2 無功補(bǔ)償自動(dòng)控制中電工電子技術(shù)的應(yīng)用

■2.1 機(jī)械式接觸設(shè)備的應(yīng)用

一般來說，在供電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，無功補(bǔ)償裝置通常安裝在低壓或高壓并聯(lián)的電容器電路上中，并通過并聯(lián)電容器的開發(fā)接觸和開關(guān)方式而實(shí)現(xiàn)，具有開關(guān)自動(dòng)化的功能。在電力系統(tǒng)電網(wǎng)運(yùn)行中，無功補(bǔ)償自動(dòng)控制裝置在補(bǔ)償輸入時(shí)的電壓初始值較低，在合閘后，會(huì)出現(xiàn)電壓值大量增加的情況，這種情況下會(huì)導(dǎo)致電容器出現(xiàn)涌流現(xiàn)象，縮短供電設(shè)備的使用時(shí)間，從而降低電力企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，甚者可能會(huì)造成短路大面積停電。為此，必須應(yīng)用電工電子技術(shù)，適當(dāng)引入機(jī)械式接觸設(shè)備，采用并聯(lián)的方式進(jìn)行連接。通常來說，并聯(lián)電容器的補(bǔ)償成本比較低，且補(bǔ)償效果較為顯著，能有效控制涌流的現(xiàn)象，這樣可以延長電氣設(shè)備的使用年限，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

■2.2 無觸點(diǎn)晶閘管的應(yīng)用

當(dāng)電容器出現(xiàn)涌流現(xiàn)象時(shí)，容易造成接觸器觸頭上的盒子燒毀，在傳統(tǒng)無功補(bǔ)償控制中，主要是依靠并聯(lián)電容器來控制涌流現(xiàn)象，但這種控制方法易于受到多種因素的影響，控制效果較差。但通過電子技術(shù)的無功補(bǔ)償自動(dòng)控制，運(yùn)用無觸點(diǎn)晶閘管可以有效利用可控硅實(shí)現(xiàn)電流為0時(shí)的自動(dòng)斷開控制，把無功補(bǔ)償自動(dòng)控制的風(fēng)險(xiǎn)降至最低，這樣可以有效避免電容器在投切過程可能造成的線路和設(shè)備燒毀等問題的產(chǎn)生。但在實(shí)際應(yīng)用過程中，由于無觸點(diǎn)晶閘管的電容器在運(yùn)行時(shí)，在可控硅處會(huì)產(chǎn)生0.7V的結(jié)壓降，從而影響電容器的正常工作，因此，需要對無功補(bǔ)償自動(dòng)控制裝置進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化與改善。

■2.3 復(fù)合開關(guān)的應(yīng)用

一般來說，可控硅與交流接觸器之間采用復(fù)合開關(guān)并聯(lián)起來，其主要作用是能夠更好、及時(shí)地控制可控硅的開關(guān)，并保護(hù)電網(wǎng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。當(dāng)電路中電流為零時(shí)，可控硅開關(guān)會(huì)及時(shí)的、自動(dòng)地?cái)嚅_，有效降低無功損耗。但由于在復(fù)合開關(guān)的實(shí)際應(yīng)用過程中，當(dāng)發(fā)生涌流時(shí)，復(fù)合開關(guān)可能會(huì)無法及時(shí)斷開，從而難以有效發(fā)揮復(fù)合開關(guān)的作用。因此，需要根據(jù)電網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)際需求和無功補(bǔ)償自動(dòng)控制裝置的性能需求選擇合適的復(fù)合開關(guān)，切實(shí)保障電力系統(tǒng)的電路無功補(bǔ)償效果。

■2.4 電路仿真的應(yīng)用

伴隨著電工電子技術(shù)的飛速發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)輔助電工電子設(shè)計(jì)與分析已經(jīng)成為一種常態(tài)?；谟?jì)算機(jī)進(jìn)行輔助仿真分析，可以通過搭建仿真電路系統(tǒng)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)無功補(bǔ)償自動(dòng)控制中存在的問題，并進(jìn)行修改，在確定電路不存在問題后，再開展具體的實(shí)施工作，這樣可以有效提高電力系統(tǒng)的自動(dòng)控制效果，盡可能地降低運(yùn)輸線路的損耗。

3 基于電工電子技術(shù)的無功補(bǔ)償自動(dòng)控制裝置在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用案例

■3.1 在電力系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)中的應(yīng)用

電力系統(tǒng)是由自動(dòng)發(fā)電、自動(dòng)電壓和自動(dòng)穩(wěn)定三個(gè)控制系統(tǒng)所組成，近年來，隨著電工電子技術(shù)的快速發(fā)展，單片機(jī)、微處理器、功率管、功率開關(guān)管等設(shè)備及其技術(shù)在也都得到了廣泛的應(yīng)用，從而為實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償?shù)淖詣?dòng)控制提供了基礎(chǔ)條件。在無功功率自動(dòng)控制補(bǔ)償器的開發(fā)過程中，電工電子技術(shù)的應(yīng)用，助推了很多新技術(shù)的誕生，比如，補(bǔ)償控制器、補(bǔ)償電容器的鏈接方法、并聯(lián)電容器投切開關(guān)等，可以實(shí)現(xiàn)對電路中涌流現(xiàn)象的有效控制和消解。此外，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)電子的各種元器件及設(shè)備的體積逐漸變小、功率逐漸變大，能夠在一定程度上彌補(bǔ)傳統(tǒng)電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償存在的弊端，充分體現(xiàn)無功補(bǔ)償自動(dòng)控制裝置的及時(shí)性。

■3.2 在電力系統(tǒng)發(fā)電環(huán)節(jié)中的應(yīng)用

在電力系統(tǒng)供電過程中，許多設(shè)備與發(fā)電環(huán)節(jié)有著十分密切的關(guān)系，所以，這些設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)是否最佳，將會(huì)直接影響這整個(gè)電力系統(tǒng)的供電效率和質(zhì)量。通常來說，利用數(shù)字技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對可控硅靜止勵(lì)磁的優(yōu)化與改善，這樣可以避免電壓波動(dòng)帶來的負(fù)面影響。在電力系統(tǒng)的發(fā)電環(huán)節(jié)中，運(yùn)用基于電工電子技術(shù)的無功補(bǔ)償自動(dòng)控制裝置，可以讓發(fā)電設(shè)備的運(yùn)行效率實(shí)現(xiàn)最佳，從而達(dá)到降低能源損耗、實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)節(jié)能的目的。例如，在發(fā)電環(huán)節(jié)中，使用風(fēng)機(jī)水泵的能耗通常比較大，若使用變頻調(diào)節(jié)技術(shù)，可以很好地調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)水泵的速率，這樣就能有效控制風(fēng)機(jī)水泵的能耗問題。

■3.3 應(yīng)用案例

圖3為110KV/10KV降壓電站系統(tǒng)的示意圖，該系統(tǒng)的主要功能是對發(fā)電機(jī)經(jīng)過降壓變壓器后負(fù)荷供電。下面筆者結(jié)合該例對基于電工電子技術(shù)的無功補(bǔ)償自動(dòng)控制裝置在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行闡述。

圖3 110KV/10KV降壓電站系統(tǒng)的示意圖

結(jié)合已有文獻(xiàn)資料，可以得到電容器的補(bǔ)償容量為：

在公式（3）中，電容器的補(bǔ)償容量部主要取決于變壓器的變比及電路的調(diào)壓要求。

由于電容器組在實(shí)際運(yùn)行過程中消耗的只有“容性無功”，且只能提供“感性無功”，這樣就導(dǎo)致電容器組難以通過吸收“感性無功”來達(dá)到降壓的目的。

為解決上述問題，如圖4所示，對于電容器組的補(bǔ)償容量和變壓器的分接頭分別按照最大負(fù)荷調(diào)壓要求和最小負(fù)荷電容器退出運(yùn)行進(jìn)行計(jì)算，首先將電路中的全部電容進(jìn)行切除，此時(shí)電路中為最小負(fù)荷電容器退出運(yùn)行狀態(tài)，負(fù)荷大小為：

圖4 110KV/10KV變電仿真系統(tǒng)

接著，對變壓器的檔位進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，使其能夠最接近低壓側(cè)的調(diào)壓要求，為：

然后，利用Powergui Steday Tool就能計(jì)算出變電站的低壓側(cè)母線電壓大小為10.4KV，從而就能夠計(jì)算出相應(yīng)的電壓偏移率：

該值的大小在調(diào)壓要求范圍之內(nèi)，符合電力系統(tǒng)正常運(yùn)行要求，此時(shí)，電路系統(tǒng)的實(shí)際變比為：k=10.841。得到變比后，可以利用Powergui Steday Tool計(jì)算在將全部電容切除后的最大負(fù)荷：

其相應(yīng)的低壓側(cè)母線電壓大小為9.042KV。這樣就能根據(jù)公式（3）計(jì)算出Qc=8.75Mvar ，根據(jù)計(jì)算結(jié)果應(yīng)該考慮無功電源的備用。

計(jì)算出電路中所投入電容器組的額定功率大小為9Mvar，所以，可以將電容器分為10組，其中每一組的額定功率為9Mvar。

通常來說，電力系統(tǒng)在每晚八點(diǎn)時(shí)的負(fù)荷最大，且為：S=18+j15MVA，此時(shí)，未投入電容器組的變壓器分接頭電壓為110×(1+1×2.5%)=112.75KV，利用Powergui Steday Tool進(jìn)行分析，可知整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)處于區(qū)域4的范圍內(nèi)。

根據(jù)區(qū)域4的控制策略，計(jì)算投入電容器大小為：

所以，在電路系統(tǒng)中，可以投入2-10組的電容器組，其對應(yīng)的Qc(Mvar)、U2(KV)、cosφ1如表1所示。

表1

在這一過程中，利用電工電子對無功補(bǔ)償自動(dòng)控制裝置進(jìn)行了電路仿真，在不同的電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下，影響功率的因素也不同，為此，需要對系統(tǒng)的運(yùn)行區(qū)域進(jìn)行精準(zhǔn)定位和分析，然后根據(jù)其相應(yīng)的控制策略來確定需要投入電容器組的數(shù)量，從而實(shí)現(xiàn)對電路系統(tǒng)電壓及其功率的有效調(diào)節(jié)，以確保系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。

4 結(jié)束語

無功補(bǔ)償自動(dòng)控制在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用十分廣泛，不僅能有效降低電力設(shè)備所產(chǎn)生的能耗，提高電力設(shè)備傳輸能力，而且大大提升了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性和經(jīng)濟(jì)性，有利于企業(yè)實(shí)現(xiàn)企業(yè)良好的經(jīng)濟(jì)效益，為實(shí)現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定的電力傳輸和電力供應(yīng)提供了強(qiáng)有力的保障，具有高度實(shí)用價(jià)值。