電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償中的應(yīng)用研究

1、電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償中的應(yīng)用研究· 分類：企業(yè)管理 · 作者：陳遠(yuǎn) · 字?jǐn)?shù)：4272 來源：總裁 第1期 · 12pt · 14pt · 16pt 摘 要：介紹了無功補(bǔ)償技術(shù)在電力系統(tǒng)的發(fā)展情況。將從無功補(bǔ)償新技術(shù)、控制器、電容接線方式及投切開關(guān)等方面對無功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀作一簡述。 關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；無功補(bǔ)償，電力電子技術(shù) 0 引言 電能從發(fā)電廠送到用戶要經(jīng)過輸電、變電、配電等環(huán)節(jié)，當(dāng)電流通過這些環(huán)節(jié)時要產(chǎn)生有功和無功損耗。無功功率是建立交流電、磁場而需的功率，無功功率同有功功率一樣，是保證電力系統(tǒng)電能質(zhì)量以及安全運行

2、所不可缺少的部分。在有功功率不變的情況下，無功功率的存在會使功率因數(shù)降低，視在功率增大，從而需要增大發(fā)、輸電設(shè)備的容量，增加投資和電力損耗，增加運行費用，輸電線路壓降變大，不利于電力的輸送與合理應(yīng)用。降低電能損耗，減少無功功率，采用無功補(bǔ)償是最方便、經(jīng)濟(jì)有效的方法之一。 1 無功補(bǔ)償?shù)男录夹g(shù) 低壓補(bǔ)償箱和補(bǔ)償柜的技術(shù)改進(jìn)和新技術(shù)應(yīng)用歸納起來主要有以下幾方面： (1)采用智能型自動控制器，根據(jù)無功功率確定補(bǔ)償容量而克服了根據(jù)功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)囊恍┤秉c。有些控制器還運用一些先進(jìn)的算法，綜合考慮無功功率和功率因數(shù)，控制補(bǔ)償系統(tǒng)的運行。 (2)由三相共補(bǔ)到分相補(bǔ)償。以求達(dá)到更理想的補(bǔ)償效果。由于單相用電負(fù)

3、荷的比例增加，三相不平衡程度增大，所以需要根據(jù)三相無功功率不平衡的情況，分相補(bǔ)償。 (3)由單一的無功補(bǔ)償發(fā)展為同時具有濾波及抑制諧波功能的補(bǔ)償裝置。由于很多高級設(shè)備對電能的質(zhì)量要求很高，而且有些補(bǔ)償裝置本身就會產(chǎn)生高次諧波，所以以前是單獨采用濾波裝置來消除高次諧波，但這往往增大了成本。現(xiàn)在的無功補(bǔ)償裝置，就把這兩種功能結(jié)合在一起，盡量減少因為無功補(bǔ)償而給電網(wǎng)帶來的“污染” (4)從采用交流接觸器進(jìn)行投切，到選用晶閘管開關(guān)電路進(jìn)行投切，以及發(fā)展為等電壓投、零電流切的最佳投切模式。關(guān)于投切方式，后文將作詳細(xì)的討論。 (5)將低壓無功補(bǔ)償?shù)墓δ芗{人配電綜合測試儀、箱式變電站、變臺多功能箱、落地式封

4、閉變臺等設(shè)備的低壓部分?，F(xiàn)在的配電箱功能都很齊全，而且由于有些地方的電力部門對減少無功功率使用方面有一套獎勵措施，所以很多用戶都希望加裝補(bǔ)償器。所以這種新方法可以使配電箱功能更齊全，更容易管理。 2 補(bǔ)償控制器 補(bǔ)償控制裝置的檢測量主要有無功電流、系統(tǒng)某點電壓有效值、功率因數(shù)cos和無功功率Q四種。其中，檢測量為無功電流的控制器，優(yōu)點是檢測方法簡單，不會發(fā)生振蕩，補(bǔ)償效果與電網(wǎng)電壓波動無關(guān)；電壓是線路無功功率的敏感參數(shù)，以電壓為檢測量，這種控制方式簡單、可靠、實現(xiàn)起來也比較容易，但這種控制方式在系統(tǒng)大，系統(tǒng)內(nèi)電抗X較小的情況下，控制靈敏度和精確度就受到了一定的限制；以功率因數(shù)為檢測量的控制器，

5、主要缺點是輕載時容易產(chǎn)生投切振蕩，重載時又不易達(dá)到充分補(bǔ)償。故新型的控制器已不再選用以功率因數(shù)為檢測量，而選用以無功功率為檢測量的新型控制器。 2.1 功率因數(shù)控制 功率因數(shù)控制就是以功率因數(shù)滿足要求為控制目標(biāo)，使電網(wǎng)的功率因數(shù)滿足要求。功率因數(shù)式控制器通過對電網(wǎng)的電壓、電流進(jìn)行采樣檢測，分析計算當(dāng)前的功率因數(shù)值，用當(dāng)前的功率因數(shù)值與設(shè)定的投切門限值進(jìn)行比較，以確定是否投人、切除電容器，還是保持現(xiàn)有狀態(tài)不變。假設(shè)補(bǔ)償前的功率因數(shù)cos<0.9。當(dāng)將投人門限設(shè)定為cosa=0.9，控制器檢測到當(dāng)前的功率因數(shù)值小于0.9時，發(fā)出指令，投人一電容器組進(jìn)行補(bǔ)償。如果補(bǔ)償后的功率因數(shù)cos<

6、0時，即無功功率向上級電網(wǎng)倒送，控制器便發(fā)出指令，切除一電容器組。當(dāng)檢測到的功率因數(shù)介于0.9和1.0之間時，則不論實際的無功功率值是多少，都保持當(dāng)前的補(bǔ)償狀態(tài)不變。由于功率因數(shù)值是一個比例值，因此在重負(fù)荷或輕載時，補(bǔ)償效果較差。重負(fù)荷時，雖然功率因數(shù)滿足0.91的要求，但電網(wǎng)所需的無功功率仍然很大，而電容無法投人電網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，最終達(dá)不到理想的降損節(jié)能效果。 功率因數(shù)控制的另一個問題是輕載下的投切振蕩。輕載時，功率因數(shù)較低，當(dāng)無功功率小于1組電容器的補(bǔ)償容量時，按照補(bǔ)償原理將投人1組電容器，補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果是得到了超前的功率因數(shù)。功率因數(shù)只要超前，就要立即切除一組電容器，而切除1組后功率因數(shù)又不夠，

7、因此形成振蕩。 2.2 無功功率控制 控制器以無功功率為控制對象，如果無功功率大于1組電容器的補(bǔ)償容量，則投人電容器組，當(dāng)由上級電網(wǎng)輸送來的無功功率小于1組電容器容量時，將不投人電容器組。如果當(dāng)無功功率向上級電網(wǎng)倒送時，則切除1組電容器。這種補(bǔ)償方法將會使電網(wǎng)中的無功功率(無功電流)始終保持在一個較低的水平上，因此，不會出現(xiàn)功率因數(shù)控制方式的弊端。選用無功功率(無功電流)控制方式比功率因數(shù)控制方式優(yōu)越。 2.3 檢測點的設(shè)置方案 檢測點的設(shè)置有兩種選擇方案： (1)控制器輸人電壓和電流的檢測點設(shè)在補(bǔ)償裝置的前端。如圖1中的A點處。 (2)檢測點設(shè)在補(bǔ)償裝置的后端如圖中的B點處。 檢測點A由于不

8、能直接檢測負(fù)載的無功功率，不易實現(xiàn)多組電容器的一次快速投切，通常采用逐級漸進(jìn)的投切方式，較慢地達(dá)到應(yīng)補(bǔ)償值，因此僅適用于負(fù)載運行較平穩(wěn)，無大容量沖擊負(fù)載，不需要快速動態(tài)補(bǔ)償?shù)膱龊?。如接于檢測點B，其優(yōu)點是僅根據(jù)負(fù)載的Q和IQ測得值，決定電容器投人組數(shù)，是一種只管投切，不控制補(bǔ)償后實際效果的控制方式，其優(yōu)點是控制方式簡單，可一次投切多組電容器、缺點是靜態(tài)補(bǔ)償?shù)木容^差。而現(xiàn)在有些控制器在A、B兩點都設(shè)置檢測點，通過微機(jī)算法處理，再來控制電容器的投切。 3 并聯(lián)電容器的投切開關(guān) 3.1 用交流接觸器投切 傳統(tǒng)的補(bǔ)償柜，都是采用交流接觸器作為并聯(lián)電容器的投切開關(guān)，迄今仍有沿用。其缺點是： (1)投人

9、電容時產(chǎn)生倍數(shù)較高的涌流，容易在接觸器的觸點處產(chǎn)生火花，燒損觸頭。甚至形成接地故障； (2)切斷電容時，容易粘住觸頭，造成拉不開； (3)涌流過大對電容器本身有害，會影響使用壽命。 雖采用適當(dāng)選擇額定容量較大的接觸器，如用額定電流40A接觸器投切15 kvar三相電容器，每臺電容器加裝串聯(lián)小電抗器，用以抑制涌流等措施，但仍統(tǒng)計故障率較高。 3.2 雙向晶閘管開關(guān)電路 采用雙向晶閘管的無觸點開關(guān)電路取代交流接觸器用于投切電容器的接線。其優(yōu)點是零電壓投零電流切，無拉弧，動作時間短，可大幅度地限制電容器合閘涌流，特別適合于頻繁投切的場合。但也存在以下缺點： (1)采用雙向可控硅制造成本高，晶閘管開關(guān)

10、電路的補(bǔ)償柜價格要比采用接觸器的補(bǔ)償柜貴70%-80%左右。 (2)晶閘管開關(guān)電路運行時有較大的壓降，運行中的電能損耗和發(fā)熱較高，同時有功消耗的發(fā)熱量還會增加整個補(bǔ)償裝置的溫升。 (3)晶閘管電路本身也是諧波源，大量的應(yīng)用對低壓電網(wǎng)造成諧波污染。 因此除了對晶閘管開關(guān)電路加以改進(jìn)外，還應(yīng)使之在完成開合閘操作后退出。仍由與之并聯(lián)的接觸器維持電容器的正常運行。 3.3 晶閘管和二極管反并聯(lián)的開關(guān)電路 1只晶閘管和1只二極管反并聯(lián)的接線方案與4.2中的接線方案對比，由于相同容量的功率二極管的價格低于晶閘管，故用1只晶閘管和1只二極管反并聯(lián)的無觸點開關(guān)電路制造成本較低，而技術(shù)性能相近。但反應(yīng)時間則較慢

11、些，切除電容器時，如采取兩個晶閘管反并聯(lián)，從切除指令的輸出到工作任務(wù)的完成，可以半周波內(nèi)完成(即時間(t10ms)。如采用下圖的方案，由于二極管的不可控性，通常其切除時間t120ms。 3.4 等電壓投、零電流切的新型無觸點開關(guān)電路 電路的接線如圖7所示。圖中K為交流接觸器。其運行操作順序說明如下：當(dāng)投入電容器時，微機(jī)發(fā)出信號給開關(guān)電路，使之在等電壓時投入電容器，緊接著又發(fā)出信號給接觸器，使其觸點也閉合，將晶閘管開關(guān)電路短路，由于K閉合后的接觸電阻遠(yuǎn)小于開關(guān)電路導(dǎo)通時的電阻，達(dá)到了節(jié)能和延長開關(guān)電路使用壽命的目的。當(dāng)需要切除電容器時，微機(jī)先發(fā)出信號給K，使K觸點斷開，此時開關(guān)電路處于導(dǎo)通狀態(tài)，并由開關(guān)電路在電流過零時，將電容器切除。該方案的優(yōu)點是：運行功耗低、涌流小、制造成本低，且開關(guān)電路和接觸器的使用壽命長。 4 總結(jié) 本文對現(xiàn)在無功補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用情況作了簡單的概述，并從無功補(bǔ)償用到的一些新技術(shù)、補(bǔ)償控制器、補(bǔ)償電容接線方式、并聯(lián)電容的投切開關(guān)等方面做了簡單分析。隨著新型電力電子器件的應(yīng)用以及電力電子技術(shù)的發(fā)展，將會出現(xiàn)更多無功補(bǔ)償及濾波的新技術(shù)。而且隨著單片機(jī)以及DSP等微處理器的應(yīng)用，無功補(bǔ)償?shù)捻憫?yīng)速度更快，控制方式越來越靈活，控制策略也越來越先進(jìn)?，F(xiàn)在很多精密的電子設(shè)備對電源的質(zhì)量要求很高，所以相信在將來無功補(bǔ)償技術(shù)及電源濾波技術(shù)將會得到更大的發(fā)展。 參考文獻(xiàn) 1賀