大型閘站無功補償分析及計算

徐 丹，王肇優(yōu)，繆 薇，冷若瑤，李冰雪

（江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 揚州 225200）

目前某區(qū)城市防洪泵閘和海塘堤防已基本建成。現狀海塘堤防總長13.7 km，基本達到200年一遇高潮位加十二級風下限設防標準?，F狀控制工程 8座，分別為沿江的江鎮(zhèn)河泵閘、新薛家泓泵閘、老薛家泓泵閘等3座泵閘及與浦東新區(qū)水系控制的人民塘水閘、白龍港水閘、六灶港水閘、施鎮(zhèn)河水閘和江鎮(zhèn)河水閘[1]。江鎮(zhèn)河泵閘泵40 m3/s，閘10 m；老薛家泓泵閘泵37 m3/s，閘18 m；新薛家泓泵閘泵30 m3/s，閘24 m。

閘站二級排水系統(tǒng)主要用于控制圍場河水位，遇到臺風暴雨等惡劣天氣，此時異步電動機等大功率電氣設備需要開機，異步電動機需要消耗大量的無功功率排澇。如果無功功率得不到滿足，將會對電力系統(tǒng)的安全運行產生較壞的影響。首先，無功功率輸入的增大會引起勞而無功輸出的增加，導線和電力系統(tǒng)在電流增大，消耗加大，影響了電氣系統(tǒng)的正常工作；其次，電壓的增加還可能引起發(fā)電機、大型變壓器及其他供電裝置總體積的增大，進而干擾設備的正常運行和調節(jié)，這將使得設備的正常經濟運行水平大打折扣；最后無功功率儲備得不夠也會導致電壓下降。如果該設備是沖擊性的無功功率用戶，則會導致線路電壓頻繁波動，從而產生密集的且變化較大的無功功率沖擊電流，從而影響整體電網的電能質量。為解決上述問題，二級排水系統(tǒng)所屬3座閘站都采用無功補償裝置，從而減少上級設備的供電容量，確保電能質量?，F以江鎮(zhèn)河出海泵閘為例，10 kV高壓一次系統(tǒng)中，無功補償裝置采用的是就地并聯(lián)電容器補償，在400 V低壓系統(tǒng)中，無功補償裝置采用的是集中自動補償裝置。下文著重分析并聯(lián)電容器和靜止無功補償器的原理以及控制策略，總結無功補償裝置運行經驗，為泵閘（站）安全運行提供理論基礎和實踐經驗。

1 并聯(lián)電容器補償

1.1 并聯(lián)電容器定義

在供電系統(tǒng)中，尤其是高壓一次系統(tǒng)，都采用并聯(lián)電容器技術，也就是增加一個容性負載，使其得到容性無功功率信號，相當于同時提供感性無功功率信號，以滿足對電網中感性負載的感性無功功率控制需要，從而實現了無功補償的目的。

1.2 計算及選擇

2018年對江鎮(zhèn)河出海泵閘6臺高壓電容補償柜進行改造，根據異步電動機額定參數來計算補償額定容量，其中電動機額定功率為380 kW，功率因數為0.664。補償容量計算公式如下：

其中P為電動機額定功率，cosΦ1為電動機額定功率因數，cosΦ2為補償后電動機實際功率因數，按照設計要求，補償后電動機實際功率因數按0.95取。

根據上述計算結果，結合實際需求，最終選擇了型號為HVCR-10-300-A的無功補償裝置，本裝置帶有電抗器和避雷器，該裝置原理如圖1所示。

圖1 無功補償柜原理圖

該高壓無功補償裝置由隔離開關（接地開關）、真空接觸器（真空斷路器）、串聯(lián)電抗器、高壓并聯(lián)電容器、放電線圈、氧化鋅避雷器、電流互感器、熔斷器、母線、柜體等組成。主要分為柜式和圍欄式兩種。其中柜式裝置一般情況下安裝在設備廠房內，圍欄式裝置既可以安裝在室外露天環(huán)境也可以安裝在設備廠房內，本出海泵閘采用柜式裝置。從設備結構分析來看，有如下比較優(yōu)異的特點：①裝置的高壓一次系統(tǒng)和低壓部分二次系統(tǒng)物理上相互隔離。這樣可以防止無功補償裝置在出現設備故障（如線路斷開或接觸不良）時，產生的電弧光和帶有金屬顆粒的氣流飛濺或侵入到低壓二次系統(tǒng)，造成低壓二次系統(tǒng)繼電保護裝置短路燒毀或電子器件的損壞，并且危及運行維護人員安全。②當低壓二次系統(tǒng)出現故障時，機組可以繼續(xù)運行，不停止高壓運行，而更換損害的元器件（例如熔絲、照明燈、儀器電壓電流等）或設備定期維修養(yǎng)護，從而做到盡量減少高壓停電的操作頻次，保證設備安全可靠地運行。

為確保高壓并聯(lián)電容器接線方式科學性和合理性，接線方式選擇要考慮電容器的容量、額定電壓、中性點是否接線。江鎮(zhèn)河出海泵閘放電電阻采用的是三角形接法，高壓電容器采用的是星形接法。相比三角形接法，采用星形接法如出現熔絲燒斷或者電容器故障，此時故障電流不會超過額定電流的3倍[2]，避免故障的擴大。

利用并聯(lián)電容器實現無功補償，投入安裝運營費用較低，安裝調試簡單，消耗資源較少，而且見效快。并聯(lián)電容器既可以集中安裝在高壓室，又可以分散安裝在用電設備旁。目前，在國內的電力系統(tǒng)中，并聯(lián)電容器來完成無功補償的裝置約占市場90%。但是并聯(lián)電容器所發(fā)出的無功功率與該電容器電壓的平方成正比，即當該電容器并聯(lián)電壓降低，所發(fā)出的無功功率降低，需要新增電力系統(tǒng)無功功率裝置。因此，從補償效應角度講，當系統(tǒng)電流發(fā)生變化后，該裝置的補償效果往往不理想。

2 靜止無功補償器

2.1 控制原理

靜止無功補償器是一種可調節(jié)無功功率大小，動態(tài)跟蹤調節(jié)無功功率需求的裝置。目前技術比較成熟，應用較廣的是靜止無功補償器，屬于第二代無功補償裝置。靜止無功補償器按照結構劃分為三大類，分別為：晶閘管控制電抗器+固定電容器、晶閘管投切電容器和晶閘管投切電抗器。其中江鎮(zhèn)河出海泵閘低壓系統(tǒng)采用了晶閘管投切電容器（TSC），實時補償無功功率，提高功率因數。TSC型補償器是將一臺電容器和兩臺反向晶閘管串聯(lián)入電氣回路，具體原理如圖2所示。晶閘管主要功能是開斷支路，控制無功產生及調節(jié)無功的大小。

圖2 TSC型補償器原理圖

2.2 控制策略

TSC的關鍵是什么時間投切電容器，電容器的最佳投入時間是該元器件兩端電壓為零，采用過零投切時，對電路影響最小，不產生沖擊電流。下面將從過零投切原理、主電路連接以及檢測點的選擇來分析TSC型補償器電路。

根據電容器特性（圖3），電源電壓為u，電容器端前電壓uc，晶閘管兩端產生電壓差值u差=uuc，當端前電壓uc和電源電壓u差值較大時晶閘管導通，會產生一個較大涌流電流ic，燒壞晶閘管。當外界輸入的電源電壓u和電容器的電壓uc相等時，二極管電壓為零，此時無功功率補償控制器控制晶閘管導通，涌流電流ic為零，電容器開始工作。

圖3 過零投切原理圖

如上所述，晶閘管電壓為零，此時控制回路采集裝置采集到的電壓為零，開始給指定設備發(fā)出脈沖，通過回路中的多諧振蕩器以及脈沖隔離放大裝置，給晶閘管門極發(fā)出指令，即門極承受正向電壓（與外界電源電壓同相）的二極管開始導通，一直導通，只有當投入命令消失，晶閘管會在電流過零時，因為晶閘管自身條件自動斷開，等到下次指令發(fā)出，才能夠重新導通，目前江鎮(zhèn)河出海泵閘就采用的此控制回路來控制無功補償裝置的投入和切出。

3 無功補償未來發(fā)展方向探討

（1）從技術和提高電能質量角度來看，一方面許多非線性力動負載出現了電壓閃變和諧波污染，電氣自動化裝置對電能質量要求越來越高，必須采取相應的技術措施來降低電力系統(tǒng)的諧波污染、電壓突變和電力質量問題，從而降低電力系統(tǒng)異常電流對客戶電能品質的危害[3]。而且，隨著工業(yè)正在逐漸走向市場化，競爭越來越強，電力公司為了立于不敗之地，必然會采用更加合理的方法來改善電能品質問題。而靜止無功補償方法就在克服這些困難的同時，又表現出了優(yōu)勢。從經濟效益方面考慮，無功補償方法能夠降低電路中的有功流動，從而減少電路的功率消耗和提高電力品質。從技術層面上來看，無功補償技術將以電力電子逆變技術為重點發(fā)展方向，即將無功補償和諧波控制一起進行。此外傳統(tǒng)電子有源濾波器也正在不斷進行發(fā)展，但因為傳統(tǒng)電力有源濾波器技術在消除諧波的同時，不會產生諧振，所以通過將傳統(tǒng)電力有源濾波技術和ASVG裝置相結合，來消除在原有的ASVG裝置上串聯(lián)無源濾波器后而引起的諧振現象，將是當前無功補償技術發(fā)展中的一個目標。

（2）研發(fā)無功補償裝置測量儀器，從而及時精確測量系統(tǒng)無功信號，提高主動反應性能，及時投切相關控制開關，以應對工作場所突發(fā)情況。數字孿生控制模型與智能控制器將是未來發(fā)展的重要方向，來精確調整無功信號。

（3）上述大多數無功補償裝置主要應用于低壓系統(tǒng)。高壓系統(tǒng)中受晶閘管的耐壓能力影響，還無法研制新的電器元器件來控制無功補償裝置開關，從而達到實時動態(tài)補償無功功率。各大電力公司和生產廠家投入大量的資金和人才，研究高壓系統(tǒng)動態(tài)無功補償裝置的新器件，目前首要困難，就是研制出耐高壓的晶閘管和二極體的材質，且成本在可控范圍內。

（4）近期，華東電網在越來越多的新能源接入和跨區(qū)直流輸電的雙重背景下，尤其是特高壓系統(tǒng)的應用，SNSP將逐年提高，若新能源出力按40%新能源裝機容量計算，保守預測到2025年華東電網SNSP將達37.1%~57.0%[4]，同步慣量可能接近極限值（極限值有待研究），為了解決此類問題，應加大對同步調相機技術研究和儲備，作為未來解決問題的重要手段。

（5）從這么多年工作經驗來看，無功補償裝置應該朝著小型化、智能化方向發(fā)展，結合現代流行的數字孿生技術，通過數字BIM建模，三維仿真模型等角度來研究，可以實時的查閱無功補償裝置的各項參數，動態(tài)反映無功補償裝置運行狀態(tài)，為以后研究，提供詳細的基礎數據。

4 結語

綜上所述，閘站二級排水系統(tǒng)通過無功補償裝置的改進，提高了泵站機組的功率因數，減少了線路負載損耗，有效地減少泵閘排澇時運行成本，取得了較大的經濟效益；合理地利用了無功補償裝置，減少水泵運行時對電力系統(tǒng)的沖擊，有效地提升了電能質量，降低泵閘本身的電能消耗，確保了電力系統(tǒng)質量安全；通過對現有的無功補償裝置的研究，為科研工作者研究下一代無功補償裝置提供理論數據和發(fā)展方向。