（电气工程专业论文）无功补偿设备控制方案及调试装置的开发和应用探讨.pdf

摘要 无功补偿是保证电网电压稳定与经济运行的重要手段。合理的选择无功补偿 方式和补偿装置，能有效改善系统的电压质量，提高发、变电设备的利用率，降 低网损，经济效益和社会效益极其可观。 由于低压电力用户的数量庞大，无功功率能否就地得到平衡，将对整个电网 系统产生重大影响。为解决无功补偿技术和补偿装置在实际应用中存在的一些问 题，文章通过对各种无功补偿方式的比较，分析了各种无功补偿技术的原理、优 缺点，并对无功补偿的具体方法和内容进行了研究分析，提出了“统一规划、正 确引导、合理补偿”的综合补偿方案；对常见的低压无功补偿设备投切及控制装 置的选择进行了探讨，提出了改进方案和意见。同时，着重介绍了无功补偿调试 装置的工作原理和功能要求，通过对工厂原有普通通电试验台的改造，利用三相 电压之间的相位关系及电压电流的转化来实现电流相位的调节，采用过电压继电 器作为启动元件，电秒表作为计时元件，构成了过电压保护和计时功能检测电路， 从而有效的解决了无功补偿设备的出厂试验问题。 关键词：无功补偿成套设备，补偿方式比较，控制方案改进，调试装置研制 a b s t r a c t t h ec o m p e n s a t i o no fr e a c t i v ep o w e ri s 锄i m p o r t 觚t 印p r o a c ht 0e n s u r et l l e s 讪i l i 锣o fp o w e rs y s t e ma l l dm a k et l l ep o w e rs y s t e mp e 响肌m o r ee 伍c i e n t t h a t t l l em o d e sa i l dt y p e so ft h er e a c t i v ep o 、v e rc o m p e n s a t i o nb e i n gr a t i o n a l l yc h o s e nc a i l e a e c t i v e l yi i l l p r o v ev o l t a g eq u a l i t ) ，a n d u t i l i z a t i o nr a t i oo f g e n e r a t i n g 锄d 仃锄s f o m l i n ge q u i p m e n t ，r e d u c e sm el o s so fp o 、e rn e t 、o r k b e c a u s e 廿l el a 唱e 删m b e ro fl o w - v o l 殷谵ee l e c t r i c i t ) ，u s e r se x i s t ，w 1 1 e 1 h e rt l l e r e a c t i v ep o w e rc 锄b eb a l 锄c e di ns h ，i tw i l lh a v eas i 班i f i c 肌ti m p a c tt ot h ee n t i r e 鲥ds y s t e m t bs o l v ep r o b l e m st h m t h ec o m p e n s a t i o nd e v i c e 觚dt h et e c h n i q u eo ft h e r e a c t i v ep o 、e rc o m p e n s a t i o ni n 也ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n o na v 撕e t yo fw a y so ft h e r e a c t i v ep o w e rc o m p e i l s a t i o nt oc o m p a r e ，m e 两n c i p l e ，a d v a n t a g e s 锄dd i s a d v 撒g e s o f k rc o m p e n s a t i o nt e c h n o l o g ya r ea n a l y z e d t h e 积i c l ea 1 1 a l y z et l l es p e c i f i c m e t l l o d s 锄dc o n t e n to f t h er e a c t i v ep o 、e rc o m p e n s a t i o n ，t h es y n t h e s i sc o m p e n s a t i o n p l a i lt h a t ”u i l i f i e dp l 锄i n g ，t h er i g h tg u i d a i l c e ，r e a s o n a b l ec o m p e n s a t i o n ”i sp r o p o s e d ，n l ea n i c l ed i s c u s s e st h ec h o i c et 0t h es w i t c ha n dc o 砷r o ld e v i c e s ，t h ei m p r o v e m e n t p l a na i l da d v i c eo f t h ec o 删n o nl o w v o l t a g er e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o ne q u i p m e n t a tt h es 锄et i m e ，t h ea n i c l ei n t r o d u c e st h eo p e r a 矗o m lp r i n c i p l ea 1 1 dm n c t i o 枷 r e q u i r e m e n t so ft i l er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o ne q u i p m e n t sd e b u g g i n gd e v i c e b y t l l er e f o r mo ft h eo r i g i n a lg a l v 枷z i n gt e s td e v i c ei nt h ef a c t o r y ，t l l ep h a s ea n d 锄p l i t u d ev a l u er e l a t i o no ft h em r e e - p h a s ev o l t a g e c u r r e n ti su s e dt or e a l i z ep h a s e a 由u s t m e mo fc 肼e n t t l l et e s tc i r c u i to fo v e r - v o l t a g er e l a yi sm a d eu po fs t a r t i n g e l e m e n ta n dt i m e r ，w h i c hi su s e dt ot i l er e l a yo fo v e r - v o l t a g ea n de l e c t r o - s e c o n d m e t e r t h eq u e s t i o no fr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o ne q u i p m e n t sf a c t o d rt e s ti s e 艉c t i v es o l v e d k e y w o r d s ： 他a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o ne q u i p m e n t ，c o m p e n s a t i o nm o d e s c o m p a r i s o n ，i m p m v et h ec o n t r o lp r o g r a m ，d e s i g no fd e b u g 画n g d e v i c e i i i - 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得逝姿本堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 气l 耷签字日期：，刁年7 月t 厂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂 有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘鲎可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期：伊7 年 弘仁 9 刖f 日_ ， | 翩繇妊碎 签字日期：砷年夕月日 致谢 本文是在我的指导老师吴为麟教授的精心指导下完成的。从选题、撰写到修 改都倾注了大量的心血，给予我耐心、细致的指导，还为我提供了多方面的资料 来源，为我论文的顺利完成奠定了坚实的基础。与吴老师的接触虽然只有短短一 年多，但他广大精深的专业知识、严谨的治学态度，以及对知识精益求精、不断 进取的精神都深深打动了我。为我树立了学习的榜样，使我获益非浅，对此我要 在今后的工作学习中付出更多的努力，取得好成绩来表达我诚挚的敬意。 在我工程硕士研究生班三年多的学习生活中，浙大的吴国忠教授、市局领导 及人力资源处的领导和同事给了我们无微不至的关心与孜孜不倦的教导，还有我 的同学、我的领导和同事们，在整个三年的学习生活过程及论文的写作过程中， 都给了我很大的工作和学习上的帮助与支持。在此毕业论文完成之际，我向曾经 帮助过我的老师、同学们致以最衷心的感谢。我衷心的谢谢你们，正是由于你们 的大力支持，我的论文才能顺利完稿，我将永远铭记你们陪我走过的美好学习经 历! 1绪论 电力工业是国民经济的基础，电能质量是国民经济发展和人民正常生产生活 的重要保证。随着我国电力工业和电力系统输配电网络的不断发展，工农业和人 民生活水平的不断提高，除了对电能的需求成倍增长，对供电质量和供电可靠性 的要求也越来越多，电压质量正受到人们的日益关注和重视。 电力系统中的电压与无功功率的状况密切相关，电力系统中无功功率的变 化，会使各节点电压发生变化，并引起电力线路和变压器的损耗发生变化。网络 节点的无功潮流分布对电力系统的安全运行和电压质量及网络损耗等的影响问 题显得越来越突出。 近年来，由于电网容量的增加，对电网无功要求也与日增加，无功电源如同 有功电源一样，是保证电力系统电能质量，降低网络损耗以及安全运行所不可缺 少的部分。电力系统中，无功功率不平衡，将会使得系统电压下降，严重时还会 导致设备损坏、系统解列。此外，网络的功率因数和电压降低，使电气设备得不 到充分利用，促使网络传输能力下降，损耗增加。因此，解决好网络补偿问题， 对网络降低损耗节约能源有着极为重要的意义。 另外，虽然多年来无功补偿技术和补偿设备得到了很大程度的发展，但专门 针对补偿设备的调试装置却很难在市场中找到。 从2 0 0 7 年开始，国家已对低压无功补偿成套设备实行了国家强制性认证 ( c c c 认证) ，未通过认证的企业，不得进行生产和销售。按照相关国家标准的 要求，无功补偿调试装置需要实现单相三相电流的相位调节及补偿装置过电压 保护及动作时间等功能的测试。如何对无功补偿装置的各项功能进行简单方便的 出厂调试，是一个需要及时解决的实际问题。 1 1 无功补偿概述 1 1 1 无功功率补偿的基本概念和目的 配电网中的电力负荷如感应式异步电动机、变压器等，大部分属于感性负载， 在运行过程中系统需要向这些设备提供相应的无功功率，从而使电网的功率因数 降低。在电网中安装并联电容器、同步调相机等装置后可以供给感性电抗消耗的 部分无功功率，从而减少了电网电源通过输电线路向感性负荷输送的无功功率， 也即减少了无功功率在电网中的流动，从而可以降低输电线路因输送无功功率造 成的电能损耗，改善电网的运行条件，这种方法称为无功补偿。无功补偿可以提 高电网的功率因数、挖掘设备的输电能力，改善电能质量，是一项投入少、收效 快的节能措施，也是电网中重点采用的节能措施。节能降耗是当今世界解决能源 危机问题的一大主题。 1 1 2 无功补偿装置技术的发展 综观国内外无功补偿装置及技术的发展，大致可分为以下几个阶段。 1 、早期的无功补偿装置 早期的无功补偿的典型代表主要有静电电容器补偿装置和同步调相机。 静电电容器可以改善线路参数，减少线路的感性无功功率，辛i 、偿系统的无功 功率。由于它供给的无功功率与节点电压的平方成正比，当节点电压下降时，它 供给的无功功率反而会减少，所以静电电容器的无功功率调节性能较差。但由于 其具有结构简单，经济方便，装设容量可大可小，既可集中使用又可分散装设， 因此成为早期采用的主要补偿装置。采用并联电容器补偿方式，其阻抗是固定的， 故不能跟踪负荷无功需求的变化，即不能实现对无功功率的动态补偿。随着电力 系统的发展，要求对无功功率进行动态补偿，从而产生了同步调相机。 同步调相机又称同步补偿器，它不仅能补偿固定的无功功率，对变化的无功 功率也能进行动态补偿。当系统电压下降时，它通过控制励磁发出和吸收无功功 率，并通过电压调节器自动调节无功功率的大小以维持端电压恒定。但它的损耗 和噪声都较大，运行维护复杂，响应速度慢。 2 、国内外无功补偿装置及技术现状 2 0 世纪7 0 年代以来，随着电力电子技术的发展及其研究的进一步加深，出 现了一种静止无功补偿技术。所谓静止无功补偿是指用不同的静止开关投切电容 器或电抗器，使其具有吸收和发出无功电流的能力，用于提高电力系统的功率因 数，稳定系统电压，抑制系统振荡等。目前这种静止开关主要分为两种，即断路 器和电力电子开关。随着电力电子器件在电力系统中应用的不断加深，交流无触 点开关s c r 、g t r 、g t 0 等的出现，将其作为无功补偿装置投切开关，速度可以提 高5 0 0 倍( 约为1 0us ) ，对任何系统参数，无功补偿都可以在一个周波内完成， 而且可以进行单相调节n 引 静止无功补偿器s v c ( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ) 是目前基于灵活交流输电系 统( f a c t s ) 技术应用最广泛的无功补偿装置，s v c 基于相控的方法对无功功率进 行补偿，在系统中相当于可变电纳，随着电压的变化而改善其电纳值，向系统提 供有效的无功支持，从而维持装设点的电压基本不变。常用的s v c 有以下几种形 式：饱和电抗器型( s r 型s v c ) ，晶闸管投切电容器型( t s c 型s v c ) 、固定电容一 晶闸管控制电抗器型( f c t c r 型s v c ) 、机械投切电容器一晶闸管控制电抗器型 ( m s c t c r 型s v c ) 以及晶闸管投切电容器一晶闸管控制电抗器型( t s c t c r 型 s v c ) 4 5 1 t s c 型s v c 由电容器和双向导通晶闸管组成，晶闸管仅起开关的作用。t s c 只能提供容性电流，将多组t s c 并联使用，根据容量需要逐个投入可以获得近似 连续的容抗。t s c 虽然不会产生谐波且损耗较小，但它对于冲击性负荷引起的电 压闪变不能进行很好的抑制哺7 1 。f c t c r 型s v c 由t c r 和若干组不可控电容器并 联而成，其中电容器为固定连接，t c r 支路采用触发延迟控制，形成连续可控的 感性电流，t c r 的容量大于f c 的容量，以保证既能输出容性无功功率也能输出 感性无功功率。f c t c r 型s v c 虽响应速度快，但由于t c r 在工作中产生的感性 无功电流会被固定电容中的容性无功电流平衡，所以容易造成器件和容量的浪 费，造成很大经济损失伸1 运行实践证明，t s c 型补偿装置具有较快的反映速度( 约为5 2 0 m s ) 、体积 小、重量轻、对三相不平衡负荷可以分相补偿、操作过程不产生有害的过电压和 过电流。但t s c 对于抑制冲击负荷引起的电压闪变，单靠电容器投入电网的电容 量的变化进行调节是不够的，所以t s c 装置一般与电感相并联，其典型设备是 t s c + t c r 补偿器。这种补偿器均采用三角形连接，以电容器作分级粗调，以电感 作相控细调，三次谐波不能流入电网，同时t s c 中可以串联小电抗器，用于抑制 电容器投入电网运行时可能产生的冲击电流，通过参数的合理选择还可滤除5 次谐波，从而大大减小了电路中的谐波。 2 0 世纪8 0 年代l g y u g y i 发明了基于电压源逆变器的无功功率调节装置一 一静止同步补偿器( s t a t c o m ) ，亦称静止无功发生器s v g ( s t a ti c v a r g e n e r a t o r ) 。这种新型的s t a t c 0 m 无功补偿装置与传统的电容器组、电抗器组 和调相机等无功补偿装置不同，也与过去的静止无功补偿装置s v c ( s t a ti cv a r c o m p e n s a t o r ) 不同，是按照调相机原理，由新型大功率固体电子元件门极可关断 晶闸管g t 0 ( g a t et u r n o f ft h y r is t o r ) 或绝缘栅双向三极管i g b t ( i n s u l a t e d g a t eb i p o l a rt r a n s is t o r ) 构成的可调节逆变器、直流电容器组和输出变压器等 部分组成的无转动结构的静止无功补偿装置阳1 。 s t a t c o m 是一种可连续、快速、双向调节的无功电源，可用于高压电网维持 电压稳定性，同时还可用于抑制配电网的电压闪变。s t a t c o m 不会像s v c 那样因 为容量不足而使补偿能力下降。s t a t c o m 主要工作原理是将直流电压变换为交流 电压，而交流电压的大小、频率和相位可以通过控制g t o 的驱动脉冲进行控制， 连接变压器将逆变器输出的电压变换到与系统电压等级相同，从而使s t a t c o m 装置可以并联到电力系统中n0 1 。 静止无功补偿器会导致电流波形畸变，生成大量谐波，而且电压降低时其无 功控制能力大大削弱。相比之下，s t a t c o m 有着明显的优越性。除了在维持电压 稳定的能力强之外，s t a t c o m 在浮空状态下的损耗很小，响应时间短，不会产生 谐振，产生谐波含量少，所需电器、电抗器容量小，占地面积小，能在一定范围 内提供有功功率，运行过程中电磁噪声很低。然而s t a t c o m 控制比较复杂，而且 成本比较高。 目前国内t c r 、t s c 、s t a t c o m 所接母线的最高电压分别是3 5k v 、1 0k v 和 2k v ，要将它们应用于2 2 0 5 0 0k v 变电站，主变压器需设计第三绕组，甚至加 装中间变压器。1 9 9 5 年原电力部重大科技攻关项目、由河南省电力局和清华大 学共同研制的2 0 m v a r 的s t a t c o m 投入并网运行，使中国成为世界上第4 个拥 有大容量s t a t c o m 的国家。2 0 0 2 年1 1 月，国家电网公司科环部主持通过了“上 海电网黄渡分区5 0 m v a r 的s t a t c 0 m 示范工程”，它标志着我国将实现s t a t c o m 的产业化和国产化。2 0 0 4 年1 1 月3 日上午，鞍山红一变电站s v c 工程的建成投 运标志着中国拥有自主知识产权的s v c 技术进入了实用化阶段。目前中国已能生 产配电网用的s v c ，但用于5 0 0k v 输电系统的大容量、高电压s v c 尚未实现国 产化。 另外，还有其它一些新型无功补偿设备，如：磁控电抗器( m c r ) 和有源滤波 装置a p f ( a c ti v ep o w e rf il t e r ) 等。由于s t a t c o m ( s v g ) 、a p f 等设备的控制复 杂且价格昂贵，故采用并联电容器组来进行无功补偿，仍是我国现行使用的主要 低压无功补偿装置n 2 1 3 1 。 1 2 无功功率补偿的作用 综观当今技术，采用无功补偿方法仍是目前提高电压质量，降低电能损耗的 一种主要手段。 无功补偿的作用主要有以下几个方面。 1 2 1 减少电力系统的无功缺额，保证系统的安全稳定运行 配电系统中的用电负荷如电动机、变压器，低压系统中的空调、照明设备等， 大部分属于感性负荷，要从电网中吸收感性无功功率。由于电网架构、电网发展 和经济发展等的不平衡，导致了某些区域电网无功功率的不足。无功功率不平衡， 将导致系统电压的巨大波动，严重时会导致用电设备的损坏，出现系统电压崩溃 事故。因此，必须对系统的无功功率进行补偿。 1 2 2 提高功率因数，从而提高设备容量的利用率 电力网除了要负担用电负荷的有功功率p ，还要负担负荷的无功功率q 。有 功功率p 、无功功率q 、功率因数c o s 由和视在功率s 之间存在下述关系，即 s 2 = p 2 + 0 2 ( 1 1 ) p = s c o s 由 ( 1 2 ) 可见，在一定的设备容量s 下，提高c o s 由，其输出的有功功率就越大。因 此，改善功率因数是充分发挥设备潜力，提高设备的利用率的有效方法。 1 2 3 提高电压质量 电力网的电压损失可由下式求出 u = ( p r + q x ) u ( 1 3 ) 从上式可以看出，影响u 的因素有：线路的有功功率p 、无功功率q 、电 阻r 和电抗x 。如果采用容抗为x 。的电容来补偿，则电压损失为 u = ( p r + q ( x x c ) ) u ( 1 4 ) 故采用适当的无功补偿后，电压损失u 将减小，电压质量将得到改善。 1 2 4 减少线路损耗，节约电能 当线路通过电流i 时，其有功损耗 p = 3 i 2 r ；( p 2 r + q 2 r ) u 2 ( 1 5 ) 在电网中安装无功补偿设备以后，可以就地提供感性负荷所需消耗的无功功 率，减少电源及线路向感性负荷输送无功功率。由于减少了无功功率在电网中的 流动，因此可以降低线路和变压器因输送无功功率造成的电能损耗，从而节约电 能。 从以上分析可以看出，对无功补偿技术、补偿方式及无功补偿相关装置的研 究和应用具有十分重要的现实意义。 1 3 低压无功补偿控制器的发展趋势 无功补偿控制器是自动补偿装置的核心部分，它根据用户的负荷状况和电网 的运行参数，进行并联电容器的自动投切控制，以达到合理补偿及减少电能损耗 的目的。我国从6 0 年代起开始研制无功补偿控制器，综观我国现有低压无功补 偿控制器产品现状，其发展趋势可归纳为以下几点： 1 、早期的无功补偿控制装置是采用晶体管或集成电路实现的，无功控制逻 辑非常复杂，采用上述电路实现的装置性能难以满足现场的要求。八十年代以来， 随着微机技术的发展，出现了以8 0 5 1 单片机为核心的无功补偿装置；为了达到 实时采集的目的，随之又出现了以d s p 为核心的电脑型智能化产品，可以获得优 良的调节性能和设定某些独特的环节，使控制器更趋于完善；近年来又出现了以 能量采集模块( 专用电能计量芯片) + m c u 模块( 微控制器) 为核心的新型动态 无功补偿控制器，不仅大大降低了软硬件设计的复杂度，而且还提高了系统采样 和计算精度n ”1 。 2 、在控制器的控制物理量方面，从单一按功率因数值自动投切的产品，向 多参数综合控制方向发展。实践证明，按无功功率或无功电流的数值为主要控制 参数，再辅以其它物理量为限制条件，无功补偿调控的效果更好，可以彻底消除 老式产品易发生“投切振荡”的弊病。同时，控制策略也不断更新和完善，推出 了基于模糊逻辑算法的控制器( 防投切振荡) 、基于自适应预测算法的控制器( 闪 变补偿) 、基于人工智能的控制策略，基于遗传算法的控制策略等。 3 、无功补偿的电容器的分组方式也发生较多的变化。除过去的按等容量分 组的控制器外，还有按1 ：2 ：4 或l ：2 ：4 ：8 不等容量分组，调控补偿设备的 容量分组分别为7 级和1 5 级。目前使用最多的为“先投先切，后投后切”的队 列式等容量分组投切方式，以使各组电容器投入运行的时间大至相等，并可以减 少增减补偿容量过程中电容器的投切次数n 钉。 4 、控制器向多功能化方向发展。从过去单一的控制电容器投切，发展到多 种功能聚于一体的控制器，如电容器保护功能，三相电流显示、频率测试、电网 谐波测试、远方通讯等等功能。 1 4 主流低压补偿控制器的技术性能要求及特点 1 、对控制器基本功能的要求 ( 1 ) 应具有电容器投入及切除门限设定值、延时设定值、过电压保护设定值 的设置功能。 ( 2 ) 对可按设定程序投切的控制器，应具有投切程序设置功能。 ( 3 ) 面板功能键的操作应具有容错功能。 ( 4 ) 面板的设置应具有硬件或软件闭锁功能。 2 、对保证控制器正常工作功能的要求 ( 1 ) 具有自动复归的功能。控制器每次接通电源应进行自检，并复归输出回 路( 使输出回路处于断开状态) 。 ( 2 ) 具有轻负荷投切振荡闭锁功能。系统负荷较轻时应具有防止投切振荡的 措施，使控制器在负荷较轻时暂时不起自动投切的作用。 ( 3 ) 具有闭锁报警的功能。控制器内部发生故障及执行回路发生异常时，闭 锁输出回路并报警。 ( 4 ) 系统电压大于或等于1 1 0 标称值时过电压保护动作，经一定的延时后 切除所有电容器支路，保护动作分段总时限应不大于6 0 s 。 3 、对控制器显示功能的要求 ( 1 ) 为了便于使用，控制器面板上的显示功能应包括：工作电源工作显示； 功率因数超前或滞后显示；输出回路工作状态显示；过电压保护动作显示n7 1 。 ( 2 ) 对带有数字显示的控制器应具有电网即时运行参数和设定值的显示。 ( 3 ) 对具有电压监视和统计功能的控制器应具有监视或统计数据的调显功 能。 4 、主流低压无功补偿控制器的特点 以d s p 为核心的无功补偿控制器，d s p 芯片运行速度很快，可以实现实时测 量但d s p 芯片价格较贵，且要扩展e e p r o m 和a d 转换器，因此以d s p 芯片为 核心器件的电网参数测量仪表的价格都比较昂贵，不利于此类仪表的推广使用。 数字式测量算法在进行极性自动识别时，多采用泰勒展开，利用繁琐的浮点数计 算方式来进行数值运算，计算量大，公式复杂n 射。 以5 1 单片机为核心的无功补偿控制器，主要是面向控制的，执行和计算的 速度还不是很高，而数字式测量算法的运算量一般很大，使得5 1 单片机较难满 足实时测量的要求。但由于5 1 单片机价格低廉，测量结果以数字形式显示，非 常直观，输出的数据可以很方便的传输等特点，以5 1 芯片为基础的改进型及兼 容型芯片得到了很大的发展，功能和性能也得到了不断地完善和提高。 1 5 常用低压无功补偿装置投切开关的类型 目前在我国投入使用的低压无功补偿电容器投切开关主要有三种：接触 器；晶闸管；复合开关。传统的电容器开关采用的是交流接触器，后来为了 提高电容器开关的使用寿命，实现电容的无冲击投切，晶闸管被用作电容器开关。 而复合开关综合应用了交流接触器( 或继电器) 和晶闸管两种元器件的优点，采 用品闸管投入和切除电容器组，实现无暂态投切，而正常运行时，由交流接触器 接入电路工作，晶闸管退出运行，不仅基本消除了有功损耗，还延长了交流接触 器和晶闸管的使用寿命，是一种较为理想的电容器投切开关n 9 1 相应的由这三种投切开关组成的电容器补偿投切装置的性能及特点简要介 绍如下 1 5 1 接触器投切装置 1 、基本构成及工作原理 普通的接触器作为补偿装置投切开关使用时，合闸瞬间电网电压一般不为 零，这样会产生比较大的电流冲击，不仅对电网造成巨大的干扰，而且严重影响 电容器的寿命旺们。通过改进的投切电容器专用接触器由接触器和电阻切合电路组 成，常见的接线方式如图1 1 ( a ) 所示。当接触器投切电容装置接收到来自控 制器投入电容器的指令后，电阻切合电路提前接通，电流流经电阻向电容器充电， 电阻抑制了电容器的合闸涌流，随后主触头闭合，承载了电容器的正常工作，同 时短接电阻，完成电容器的投入过程。当该装置接收到来自控制器切除电容器的 指令后，主触头先断开，电阻切合电路延时断开，抑制了电容器切断时的操作过 电压，完成电容器的切除过程。 2 、优缺点 ( 1 ) 接触器投切电容器装置价格低，结构简单、可靠，导通时功耗小，这一 优点使它在一般性负荷的场所得到了广泛应用。 ( 2 ) 该装置响应速度慢，不适应于冲击性负载的场所使用。由于该装置投切 电容器时仍然存在合闸涌流和操作过电压，每次切除电容器后，要求电容器要经 过约1 m i n 的放电过程，以减小下一次投入该电容器的涌流和过电压。 ( 3 ) 该装置不宜用于电容器需频繁投切的无功补偿场合。如果频繁投切，在 连续涌流和过电压下，一方面会使电容器发生容量下降，加速绝缘介质的老化， 影响电容器的使用寿命；另一方面会使接触器的主触头发生熔焊，缩短投切装置 的使用寿命。 1 5 2 晶闸管投切装置 l 、基本构成及工作原理 晶闸管投切电容装置采用晶闸管双向反并联连接而成，通过补偿控制器和过 零触发电路控制晶闸管的导通，常见的接线方式如图1 1 ( b ) 所示。 最早的晶闸管投切电容器主要有两种投切控制方式。第一种是在电源电压最 大值时投切电容器。为了避免电容器投入时发生电流冲击，一般先用大功率二极 管对电容器充电。该做法的缺点就是当电容器容量与变压器容量接近时，单相的 充电电流会造成变压器饱和；而且当系统发生短路故障时，电容器将放电，造成 过流，容易损坏电容器。第二种方式是在电源电压为零时投切电容器。这种做法 会受到电容器自放电时间的限制，即电容器切除后，由于电容器内部装设有放电 电阻，使得电容器上的电压不能立刻降为零。根据国家标准要求，电容器的放电 时间大约为3 m i n 。因此为了避免电容器再次投入时产生较大的冲击电流，必须 等到电容器放电完毕后，控制器才能再次发出投入信号，不容易做到迅速响应1 。 目前，晶闸管投切电容器的控制系统已比较完善，控制方式已经过了很大的 改进。当装置接收到来自控制器投入电容器的指令后，是在触发电路检测到施加 于晶闸管两端的电压为零时，发出触发信号，使晶闸管导通，完成电容器的投入 过程。此时电容器的电压与电网的电压相等，因此不存在合闸涌流。当该装置接 收到来自控制器切除电容器的指令后，触发电路去掉触发信号，在电流过零时， 晶闸管截止，将电容器从电网中切除，因此也不会产生过电压。 2 、优缺点 ( 1 ) 该装置响应速度比较快，且解决了使用接触器投切出现涌流的问题。特 别适用于电容器需要频繁投切的无功补偿场合，投切时间小于2 0 m s ，满足动态 补偿的要求。诸如以下用电场合：电焊设备、起重设备、挤压设备、冶炼、自动 化流水线等。 ( 2 ) 该装置可以具有过电压、欠电压保护，电源缺相、负载缺相等保护功能。 ( 3 ) 该装置也存在一些缺点，在晶闸管长时间导通的情况下，功率损耗大且 发热量较大，严重影响了它的使用寿命。 1 5 3 复合开关投切装置 1 、基本构成及工作原理 复合开关投切电容装置采用双向反并联晶闸管及交流接触器( 或继电器) 组 成，装置由补偿控制器及复合开关控制电路进行控制，常见的接线方式如图1 1 ( c ) 所示。电容器过零投入过程：先由补偿控制器发出投入指令给该装置使之 在等电压时，通过晶闸管投入电容器，能够达到无涌流投入电容器的目的。在电 容器投入后，复合开关控制电路紧接着( 一般在1 0 0 m s 内) 又发出指令给接触器， 使接触器触点闭合，将晶闸管电路短接，同时承载电容器的正常工作。由于接触 器闭合后的接触电阻远小于晶闸管电路导通时的电阻，达到了节能和延长晶闸管 使用寿命的目的。电容器过零切除过程：补偿控制器首先发出切除指令给接触器， 使接触器触点断开，此时晶闸管仍处于导通状态，暂时承载着电容器的正常工作 电流，并于电流过零时截止，将电容器切除，达到电容器无过电压切除的目的。 2 、优缺点 该装置充分结合了前两者的性能优点，投切电容器时不仅实现了无涌流，无 操作过电压，而且正常运行时功耗小，谐波小，使用寿命长。因此在电力系统的 无功补偿装置中得到了广泛应用，特别是在需频繁投切的无功补偿场合。 c j l 9 c ( a ) r 叮1 9 c ( b ) 盯l ， l ( c ) c 图1 1 接触器投切示意图( a ) ，晶闸管投切示意图( b ) ，复合开关投切示意图( c ) 1 i j 2 无功补偿存在的主要问题分析 电力系统负荷大多数为感性负荷，所有电感负载均需要补偿大量的无功功 率，提供这些无功功率有两条途径：一是输电系统提供；二是无功补偿装置提供。 由输电系统传输无功功率，会造成输电线路及变压器损耗的增加，降低系统的经 济效益。而由无功补偿装置就地提供无功功率，就可以尽可能的减少由输电系统 传输的无功功率，从而降低无功损耗，提高系统的传输功率。如何对系统无功补 偿进行合理配置，从补偿设备的实际规划设计、配置，选型和使用等方面来看， 目前还存在以下一些主要问题。 2 1 电网无功功率补偿配置不合理 近年来，随着中国电力工业的不断发展，大范围的高压输电网络逐渐形成， 同时对电网无功功率的要求也日益严格。无功电源如同有功电源一样，是保证电 力系统电能质量、降低电网损耗以及保证其安全运行所不可缺少的部分；电网中 的电压水平和有功功率损耗很大程度上取决于电网中的无功功率产生和流向，即 无功潮流分布。因此，高低压线路中的无功补偿装置如何配置对提高电压合格率 和降低线损至关重要。然而，由于对无功补偿装置不同位置的补偿效果和作用的 认识还存在很大的盲区，导致实际规划设计中电网的无功功率补偿配置不合理。 无功优化配置的目标是在保证电网电压水平的同时尽可能降低网损。它应该 要考虑使补偿后的运行费用以及相应的安装成本同时达到最小化。无功补偿可看 作是无功优化中的应用实例部分，它通过调节电容器的安装位置和电容器的容量 2 羽，使系统在满足各种约束条件下网损达到最小。合理的无功补偿点的选择以 及补偿容量的确定，能够有效地维持系统的电压水平，提高系统的电压稳定性， 避免大量无功的远距离传输。 2 2 传统低压无功补偿装置补偿效果不佳 低压电力用户的数量庞大，无功功率能否就地得到平衡，将对整个电网系统 产生重大影响。由于并联电容器组补偿装置价格低廉，能够满足一般场所的无功 补偿基本需求，因此到目前为止，仍是我国现行使用的主要低压无功补偿方式。 由于电容的投切是分级进行的，故产生的补偿电流也是阶跃式的，无法使电 网无功功率得到恰当的补偿，经常使电网处于过补或欠补状态，功率因数不能接 近1 ；同时，电力负荷带有随机性，三相负荷特别是无功负荷并不是总是平衡的。 事实上，某一相负荷的功率因数接近1 而另一相的功率因数却很低的现象经常存 在，这就使得常用的三相共补的无功补偿装置无法充分发挥作用。 国家电网公司1 0k v 配电工程典型设计工作中为解决低压配电网的可靠运 行、优化运行中存在的问题而作出了有益探索。通过对o 4k v 低压无功自动补 偿等的科学合理设计，解决了配电网日常运行中发生的问题，提高了配电网运行 的可靠性和节能水平，重点介绍了0 4 k v 低压无功补偿装置等合理设计方案及其 实现乜4 1 。随着电网自动化技术的发展，如何针对不同的用户群体，简单方便的实 现通讯和远方监控功能，也是无功补偿设备自动控制装置设计中应考虑的问题。 2 3 部分无功补偿设备的主要元件使用寿命短 无功补偿设备主要由无功补偿自动控制单元( 控制器) 、投切开关和补偿元 件组成。尽管目前有很多性能优异的静止无功补偿装置，但从当前我国电力系统 运行的实际情况来看，仍然主要采用并联电容器来进行无功补偿电网不同时刻 所需要的无功是不同的，这就需要根据电网的无功需求量来控制投入电网的电容 组数，以达到电网的实时平衡。 目前，在电力系统配电网中的电力电容器大多采用接触器或真空开关等机械 装置进行投切( m s c ) ，其自动投切装置也只用来控制这些机械开关。采用这种方 法主要有以下几点不可克服的缺点： 1 、投入时会产生冲击电流采用这种方法投切在合闸过程中，由于电容器 未充电，初始电压为零，合闸的一瞬间总会产生较大的冲击电流。这冲击电流除 了对电网有冲击，使电网电压发生闪变外，也使电容器的寿命缩短。 2 、在分闸过程中，由于开关触头的电弧重燃或者为避免重燃而提高开关分 闸速度，会产生较高的分闸过电压。而对于需要频繁分组投切电容器组的场合， 往往投切开关的机械磨损、电磨损都很大，使用寿命缩短。 3 、电容器在刚切除后需待放电约数分钟才允许再次投入，因而不能在短期 内连续投切。 晶闸管投切电容器( t s c ) 技术是利用晶闸管组成的无触点的电子开关来代 替机械开关，根据输电系统的无功功率控制要求快速自动投切相应数量的电容器 组，使并联到电网上的容抗分级变化，从而实现对无功补偿量的自动控制。理论 上，采用t s c 可以做到无过电流、无过电压、无电弧；投切时闻不大于2 0 m s ， 可连续投切且对两次投切之间的间隔时间不作限制；可靠性高，不限制投切次数。 因此非常适用于冲击性电力负荷场所使用，在电力系统中作动态无功补偿设备， 特别在低压电网中得到了较多的使用。 但是，在实际的使用情况下，由于电路中存在着电感和电阻，而电容器中存 在残留电荷，跨在晶闸管两端的电压会在零和两倍峰值间变化。晶闸管的触发， 也不能完全保证在电压过零时投入，电流过零时切除。同时，晶闸管长时间导通 的情况下，功耗大且发热量较大，严重影响了它的使用寿命。 2 4 新型动态无功补偿装置应用范围不广 随着城乡和农村低压电网改造工程的实施，工业化进程的加快，电力电子技 术的发展，大功率的电力电子设备在工业领域内得到广泛应用。电力电子设备具 有非线性特性，运行时会产生大量谐波；由这些电力电子设备驱动的大量低功率 因数，冲击性负载，也会产生大量变化大而急剧的无功，使得供电电网质量恶化， 造成电压波动、谐波过大等问题。国家电网公司对城乡电网建设改造已经提出了 提高电压质量和降低电网损耗的要求，并且就电压合格率和线损规定了明确的目 标。原来应用较广的低压无功补偿装置的传统产品已难以满足市场的多样化需 求，迫切需要能够对系统进行快速、动态无功补偿及滤波或谐波抑制的装置。然 而，由于静止无功补偿器s v c 、静止无功发生器s v g ( s t a ti cv a rg e n e r a t o r ) 和 有源滤波装置a p f ( a c ti v ep o w e rf i lt e r ) 等的控制复杂且价格昂贵，难以得到 较大范围的推广使用。一些实用新型的无功补偿装置采取了在电网侧串联滤波电 感，在负载侧并联带特定电抗率的电容器，采用无触点开关动态投切等措施，达 到了较好的补偿效果和性价比旺5 ，2 6 1 。 因此，根据实际情况，对无功补偿方案进行优化是非常必要的。根据电网系 统的无功潮流分布可以解决补偿设备的整体规划配置问题，同时根据补偿地点的 负荷性质，合理的选择补偿设备的类型和补偿方式，可以达到最优补偿的目的。 3 无功补偿方案分析及优化 无功补偿装置按照补偿地点划分，可以分为变电站高压集中补偿、线路分布 补偿、变压器低压母线补偿和低压终端分散补偿等四种方式n ；按照补偿相数划 分，可分为三相补偿、分相补偿和混合补偿三种方式；按照投切元件类型划分， 可分为机电开关投切、半导体电子开关投切、复合开关投切。另外，还可以按有 无谐波抑制或滤波功能来划分盯。 以下主要从整体系统规划配置及补偿装置投切和控制方案等方面进行分析， 以提出一些优化配置方案意见。 3 1 各种无功补偿方案的选择及分析比较 3 1 1 不同安装地点无功补偿效果的分析比较 1 、变电站高压集中补偿：典型接线方案见图3 1 ( a ) 。其主要目的是改善 输电网的功率因素、提高终端变电所的电压和补偿主变压器的无功损耗，但这种 方案对配电网的降损作用很小。 2 、线路分布补偿：是在配电线路上安装并联电容器，实现无功就地补偿， 具有投资省、见效快、降损显著的优点，而且安装简单，维护工作量小，事故率 低，特别适用于线路较长、负荷供电点多的配电线路上，在世界发达国家中得到 广泛的应用。缺点是因其负荷经常波动，故主要是考虑补偿无功基荷部分；又因 该补偿方式是长期固定补偿，其适应能力较差。 3 、变压器低压母线补偿：典型接线方案见图3 1 ( b ) 。它是在配电变压器 3 8 0 v ( 4 0 0 v ) 侧进行集中补偿，其主要目的是提高专用变压器用户的功率因数， 实现无功就地平衡。这种方案对用户的降损作用同样很小。 4 、低压终端分散补偿：典型接线方案见图3 1 ( c ) 。它是在用户设备所在 的位置就地补偿，这种方式较前三种方式能大大的减少线损、改善电压质量、提 高系统供电能力。缺点是投资大，分散以后每个设备都单独补偿，加大了补偿设 备的总容量，设备利用率不高。适合于设备比较集中，单台无功较大且年运行小 时数高的用电设备。 ( a )( b )( c ) 图3 1 ( a ) 高压集中补偿，( b ) 低压母线补偿，( c ) 低压终端分散补偿 3 1 2 无功补偿设备类型及控制量的合理选择 通过第二章补偿设备的介绍我们知道，无功补偿的效果还与补偿设备的类型 有关。常用的并联电容器补偿装置由于电容的切投是分级进行的，故产生的补偿 电流也是阶跃式的，无法使电网无功功率得到恰当的补偿；而新型的t s c + t c r 型补偿设备等能够实现无功功率的连续补偿，且响应速度快，故补偿效果好，但 因控制复杂且价格昂贵，使用范围受到了很大的限制。三相补偿适用于以三相负 荷为主的工业用户及其他一般用户；分相补偿主要适用于三相无功严重不平衡的 场合，一般与三相补偿相结合使用，称为混合补偿。混合补偿的优点是以三相补 偿来平衡无功基本负荷，再通过分相补偿来细调以补偿每一相的无功缺额，使