【導讀】無功功率的危害·································································································1

　　

【正文】 ，電容器的端電壓 Uc已通過上次導通時段最后導通的晶閘管 V1充電至電源電壓 es 的峰值，且極性為正。本次導通開始時刻取 es 為和 Uc相等的時刻 t1，給 V2以觸發(fā)脈沖而使之開通，電容電流 ic開始流通。以后每半個周波發(fā)出脈沖輪流給 V1和 V2。直到需要切除這條電容支路，如在 t2時刻，停止發(fā)脈沖， ic為零，則 V2關斷， V1因未獲觸發(fā)而不導通，電容器電壓保持為 V2IUA B CU0I C I L I 13 導通結束時的電源電壓負峰值，為下次投入電容器做了準備。 圖 裝置理想投切時刻 方案的改 進 采用晶閘管和二極管反并聯(lián)的方式代替兩個反并聯(lián)的晶閘管，可以使導通前電容充電電壓維持在電源電壓的峰值。如圖 所示，一旦電容電壓比電源電壓峰值有所降低，二極管都會將其充電至峰值電壓，因此不會發(fā)生兩晶閘管反并聯(lián)的方式中電容器充電電壓下降的現(xiàn)象。但是，由于二極管是不可控的，當要切除此電容支路時，最大的時間滯后為一個周波，因此其響應速度比兩晶閘管反并聯(lián)的方式稍慢，但成本上要低，而且考慮到實際需要，此種方式足以滿足補償?shù)目焖傩缘囊蟆? 主電路如下圖 所示： es uc uv1 ic 2V 1t 2t 1V 14 圖 主電路 V 為晶閘管， VD 為反并聯(lián)的二 極管， C 為補償電容， R 為與 C 并聯(lián)的大阻值的瀉荷電阻?？梢员ＷC當晶閘管沒有工作時，電容兩端的電壓能動態(tài)的跟隨電網(wǎng)的最高電壓變化而變化，減少晶閘管導通電容投入時所產(chǎn)生的沖擊電流。 圖 波形圖 圖 是晶閘管導通前后電源電壓、電容兩端電壓、晶閘管兩端電壓和電路電流的波形圖（ t1到 t4為導通時間段）。 觸發(fā)電路 以晶閘管為執(zhí)行元件的低壓電容無功補償裝置能快速跟蹤沖擊性負荷的動態(tài)行為，具有無合閘浪涌和過渡過程、無操作過電壓等顯著優(yōu)點。這類裝 置通常要求對系統(tǒng)電壓進行同步跟蹤，以便在特定的時刻由控制器準確的發(fā)出晶閘管的觸發(fā)脈沖。這使得它在電路設計上必須解決好觸發(fā)電路的功放驅動、電氣隔離、與主電路的同步等問題，因而常使控制電路過于復雜，或是易受電源畸變和電網(wǎng)波動的影響。在配電網(wǎng)無功優(yōu)化補償 15 裝置中運用光控電壓過零觸發(fā)技術，以電壓過零型光耦雙向晶閘管取代由分立元件組成的攻防電路及脈沖變壓器等驅動環(huán)節(jié)，簡化了觸發(fā)控制電路的結構，降低了成本；同時，由于無需考慮與系統(tǒng)電壓的同步問題且控制電路與主電路實現(xiàn)了光電隔離，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性 [6]。 MOC3061 的內(nèi)部結構及管腳排列見圖 ，它采用雙列直插 6 腳封裝。主要性能參數(shù)：可靠觸發(fā)電流 515mA；超阻斷電壓 600V；重復沖擊電流峰值 1A；關斷狀態(tài)額定電壓上升率 dV/dt 為 100V/μs。 選用 MOC3061 光電雙向可控硅驅動器，它是美國摩托羅拉公司最近推出的光電新器件。該系列器件的特點是大大加強了靜態(tài) dv/dt 能力 ,保證了電感負載穩(wěn)定的開關性能。由于輸入與輸出采用光電隔離，絕緣電壓可達 7500V。由于內(nèi)部的采用了過零檢測電路，因而可以很方便的利用其這個觸發(fā)導通的特性來判斷 TCR 電路中的電容 C 是否已 經(jīng)被充滿到 Es，以保證當晶閘管沒有工作時，電容兩端的電壓能動態(tài)的跟隨電網(wǎng)的最高電壓變化而變化，減少晶閘管導通電容投入時所產(chǎn)生的沖擊電流。 圖 MOC3061 內(nèi)部結構圖 器件由輸入、輸出兩部分組成。 2 腳為輸入端 ,輸入級是一個砷化鎵紅外發(fā)光二極管 (LED)，該二極管在 5～ 15mA 正向電流作用下，發(fā)出足夠的紅外光觸發(fā)輸出部分。 5 腳為空腳， 6 腳為輸出端，輸出級為具有過零檢測的光控雙向可控硅。當紅外發(fā)光二極管發(fā)射紅外光時，光控雙向可控硅觸發(fā)導通。一般采用 6 腳接相線 ， 4 腳接 零線的方式，這樣可以保證電壓過零時發(fā)出觸發(fā)脈沖。 在實際應用中，采用圖 接法： 16 圖 觸發(fā)電路圖 圖 VA 和 MOC3061的 6腳和四腳之間的電壓 uV以及觸發(fā)脈沖 VF波形圖（ t1到 t4為導通時間段）。 由圖 可知，由 MOC3061 根據(jù)電壓 uv的過零點來投切電容，此時電源電壓為峰值，電容的電壓與電源電壓的差值為零，而且此時電路中的電流為零，故晶閘管導通電容投入時所產(chǎn)生的沖擊電流很小。 圖 觸發(fā)波形圖 無級調(diào)節(jié) 采用通斷率控制來實現(xiàn)無級補償，即改變固定周期內(nèi)可控 硅交流開關的通斷時間比例，調(diào)節(jié)輸出到電網(wǎng)的無功電功率。在實際中，通斷周期設為 秒，因為一個工頻周期為 20ms，故最小的調(diào)節(jié)容量為最小電容器的 1/30，基本可以看作是無級調(diào)節(jié)。在實際實驗中效果良好。 一般來說，可以在得出需投切組數(shù) N1 后一次投入或切除，但由于存在實際電容值與標稱值不一致和在運行中電容可能損壞等因素，可能產(chǎn)生控制誤差，同時也容易造成對電網(wǎng)的沖擊過大。所以，采用步進控制，即利用循環(huán)結構，每隔 t 秒投切一組電容器， 17 末端電壓又遠遠超過國家標準，不僅電能浪費十分嚴重，而且影響用電設備的使用壽命。因此 ，在公用變低壓側進行無功功率補償已成為目前提高供電水平、降低無功損耗急需解決的問題 [1][3]。 無功功率補償?shù)臍v史與現(xiàn)狀 無功功率補償?shù)姆诸? 無功補償可以分為串聯(lián)補償和并聯(lián)補償，歐美一些國家普遍采用串聯(lián)補償來提高輸電線傳輸能力，但我國至今投入運行的串聯(lián)補償裝置甚少，而是采取并聯(lián)補償?shù)姆绞?。串?lián)補償?shù)哪康脑谟诳刂凭€路的阻抗參數(shù)，并聯(lián)補償?shù)哪康脑谟诳刂凭€路的電壓參數(shù)。并聯(lián)補償按補償對象不同可分為負荷補償和系統(tǒng)補償兩類。 負荷補償通常是指在靠近負荷處對單個或一組負荷的無功功率進行補償，其目的 是提高負荷的功率因數(shù)，改善電壓質量，減少或消除由于沖擊性負荷、不對稱負荷和非線性負荷等引起的電壓波動、電壓閃變、三相電壓不平衡及電壓和電流波形畸變等危害。負荷補償可分為靜態(tài)補償和動態(tài)補償 [9]。 靜態(tài)補償即根據(jù)三相負荷的平衡化原理，通過在負荷點串、并入無功導納網(wǎng)絡，把三相不對稱負荷補償成對于供電系統(tǒng)來說是三相對稱的。該方法優(yōu)點是結構和控制簡單、造價低，缺點是對于工業(yè)電弧爐、電焊機等動態(tài)負荷難以達到理想的補償效果。真正意義上的不對稱負荷動態(tài)補償是從 1977 年 Grandpierre 提出分相控制的靜止無功補償器 （ Static Var Compensator,SVC）的方法后開始的。分相控制的 SVC 能根據(jù)系統(tǒng)的實際情況，通過調(diào)整可控硅觸發(fā)角來改變 SVC 的各相補償度，從而達到補償負荷負序分量和調(diào)整負荷功率因數(shù)的目的。因此，該方法一提出就受到了普遍關注 [10][11]。 系統(tǒng)補償通常指對交流輸配電系統(tǒng)進行補償，目的是維持電網(wǎng)樞紐點處的電壓穩(wěn)定，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增大線路的輸送能力以及優(yōu)化無功潮流，降低線損等。 IEEE 定義了兩個專門的術語來表達綜合的并聯(lián)無功補償技術，其一是靜止無功發(fā)生器（ Static Var Generator,SVG） ,定義為能向電網(wǎng)提供可控的容性和 /或感性電流從而發(fā)出或吸收無功功率的靜止電力設備、裝置或系統(tǒng)；其二是“靜止無功補償系統(tǒng)”（ Static Var System,SVS）定義為不同的靜止補償器以及機械投切電容器 /電抗器相結合并可協(xié)調(diào)操作的綜合體。靜止無功補償器 SVC 和靜止同步補償器 STATCOM 都屬于 SVG， SVS的范圍更廣，不但包括了具有良好可控性的 SVG，還包括了機械開關切換的電容器和電抗器 [2][4]。 18 無功功率補償技術的現(xiàn)狀和發(fā)展方向 目前，電力系統(tǒng)和工業(yè)企業(yè)中應用最多的 無功補償設備是 SVC。截止到 2020 年，全世界已有超過 400 套、總容量約為 60Gvar 的 SVC 在輸配電系統(tǒng)中運行；全世界已有超過 600 套、總容量約為 40Gvar 的 SVC 在工業(yè)部門使用。我國的輸電系統(tǒng)中有 6 套容量為 105～ 170Mvar 的 SVC 安裝在 5 個 500KV變電站，均為進口；工業(yè)用戶安裝了 100多套 SVC，約有 1/5 是進口的。從 2020 年起中國電力科學研究院已為工業(yè)用戶提供了26 套 10～ 35KV TCR 型 SVC 新平臺， 10KV TSC 型 SVC 裝置于 2020 年、 2020 年在變電站分別投入運行，填補了 SVC 國內(nèi)工程化應用的空白 [12]。 而 STATCOM 裝置是基于交流器的無功功率補償裝置，其技術是所有基于變流器的FACTS 裝置的基礎，已經(jīng)獲得了廣泛的重視。世界上各大著名的電氣設備制造商（如西門子公司、 ABB 公司、阿爾斯通公司、 GE 公司、三菱公司等）都開發(fā)了 STATCOM工業(yè)裝置產(chǎn)品。 1999 年我國清華大學也開發(fā)了 ? 20Mvar STATCOM 裝置，且在河南電網(wǎng)成功投入運行。 STATCOM 裝置在國際上已有幾十套示范工程投入使用，單套容量已達到 200Mvar , 該技術 正在逐漸成熟。 從無功功率補償裝置的應用來看， SVC 裝置因為控制簡單、價格低、能滿足大多數(shù)用戶對于無功功率補償?shù)男枰?，因此應用最為普遍，目前在電力系統(tǒng)和工礦企業(yè)用戶中擁有廣大的市場，是并聯(lián)無功補償?shù)闹饕獞醚b置。國內(nèi)外對 SVC 的研究仍在繼續(xù)，研究的重點集中在控制策略上，試圖借助于人工智能提高 SVC 的性能。而采用可關斷器件的 STATCOM 裝置，由于歷史和價格的原因，目前在國內(nèi)外應用并不多。然而STATCOM 是性能最優(yōu)的無功補償裝置，是 FACTS 的核心，值得加強研究和推廣使用[13][14]。 本文研究 的主要內(nèi)容 本課題研究用的 TSC 型低壓動態(tài)無功補償裝置，采用 80196KC 單片機系統(tǒng)作為控制器的核心，新穎的快速無功功率檢測方法和獨特的晶閘管技術，實現(xiàn)了對多組電容器快速自動分級投切，達到了對沖擊負荷動態(tài)無功補償?shù)囊蟆? 19 第 2 章 無功功率理論 無功補償?shù)淖饔? 采用無功補償可以收到以下效果： （ 1） 減少電力損失，一般工廠動力配線依據(jù)不同的線路及負載情況，其電力損耗約 2%3%左右，使用電容提高功率因數(shù)后，總電流降低，可降低供電端與用電端的電力損失。 （ 2） 改善供電品質，提高功率因 數(shù)，減少負載總電流及電壓降。于變壓器二次側加裝電容可改善功率因數(shù)提高二次側電壓。 （ 3） 延長設備壽命。 改善功率因數(shù)后線路總電流減少，使接近或已經(jīng)飽和的變壓器、開關等機器設備和線路容量負荷降低，因此可以降低溫升增加壽命（溫度每降低10176。C ，壽命可延長 1 倍） （ 4） 最終滿足電力系統(tǒng)對無功補償?shù)谋O(jiān)測要求，消除因為功率因數(shù)過低而產(chǎn)生的罰款。 功率因數(shù)的概念 功率因數(shù) cosφ是電網(wǎng)有功功率 P 與視在功率 S 的比值，記為 UIPSP3c o s ??? （ ） 式中 U—— 線電壓， k V I—— 線電流， A 其物理意義是線路的視在功率 S 供給有功功率的消耗所占百分數(shù)。 功率因數(shù)的大小代表著電源被利用的程度，它的最大值為 1，這時 P=S，電源利用率最高；同時，由于 ?cosU PI ? （ U為電網(wǎng)相電壓）， 因此在同一電壓下要輸送一定的功率，功率因數(shù)越大，線路中的電流越小，故線路中的損耗也越小。功率因數(shù)最小值為零，這時 P=0，表示負載和電源之間只有往返的無功功率在交換。因此，在電力系統(tǒng)中力求功率因數(shù)接近 于 1。 在電力網(wǎng)的運行中，為了合理利用資源，充分發(fā)揮設備的能力，我們希望功率因數(shù)越大越好。 上式說明，在電壓和電流一定的條件下，功率因數(shù) cosφ越高，其有功功率 P越大，電網(wǎng)發(fā)揮的視在功率 S中用來做有功功率的比重越大。因此，改善 cosφ可以充分 20 發(fā)揮設備的潛力，提高設備的利用率。 提高功率因數(shù)，不但可以充分發(fā)揮發(fā)、供電設備的生產(chǎn)能力、減少線路損失、改善電壓質量，而且可以通過設備的工作效率和節(jié)約電能 。 無功補償?shù)幕驹? 無功功率補償?shù)脑砣鐖D 所示，在工業(yè)和生活用電負載中，阻感負載占有很大的比例：異步電 動機、變壓器、 熒光燈 等都是典型的阻感負載。異步電動機和變壓器所消耗的無功功率在電力系統(tǒng)所提供的無功功率中占有很高的比重。電力系統(tǒng)的電抗器和架空線等也要消耗一些無功功率；同時，各種諧波源也要消耗一定的無功功率。阻感負載可看作電阻 R 與電感 L串聯(lián)的電路，其功率因數(shù)為 22c o s LXRR??? （ ） 式中 LXL ?? ，將 R、 L電路并聯(lián)接入 C 之后，電路如圖 所示。該電路的電流方程為 RLC III ??? ?? （ ） 由圖 的相量圖可知，并聯(lián)電容后電壓 U? 與 I? 的相位變小了，即供電回路的功率因數(shù)提高了。此時供電電流 I? 的相位滯后于電壓 U? ，這種情況稱為欠補償。若電容 C 的容量過大，使供電電流 I? 的相位超前于電 壓 U? ,這種情況稱為過補償，其相量圖如圖 所示。通常不希望出現(xiàn)過補償?shù)那闆r，因為這會引起變壓器二次電壓的升高，而且容性無功功率同樣會增加電能損耗。如果供電線路電壓因此而升高，還會增大電容器本身的功率損耗，使溫升增大，影響電容器的壽命。 圖 無功功率補償?shù)脑砜驁D 提高功率因素意義 （ 1） 減少線路的電壓損失 電力網(wǎng)的電壓損失可以表示為： 21 U QxPRU ??? （ ） 可看出，影響 ΔU 的因數(shù)四個：線路的有功功率 P、無功功率 Q、電阻 R 和電抗 x。如果采用容抗為 xc的電容來補償，則電壓損失為： U xxQPRU c )( ???? （ ） 故采用補償電容提高功率因數(shù)后，電壓損失 ΔU 減小，改善了電壓質量。 （ 2） 減少線路的電能損耗 當線路通過電流 I 時，其有功損耗為： )(103 32 kwRIP ???? （ ） 或 )(10c os3 322 2 kwU RPP ???? ? （ ） 可見，線路有功損耗 ΔP 與 cos2φ成反比， cosφ越高， ΔP 越小。對全網(wǎng)線路有功損耗的降低值，應按線路節(jié)點間電阻以及所通過的無功負荷分段求出，再將各段的值相加。 投入電容補償后，流過變壓器繞組中的電流減少，故繞組的有功損耗也相應減少。單臺變壓器減少的有功功率為： 32 102 ????? BeccB RU QP （ ） Qc：補償電容量； Q： 變壓器無功負荷； RB：變壓器等效電阻。 銅損減少的有功功率為 ： 2212 c o sc o s1 ???????? ???? ??? KT PP （ ） β：變壓器的負載率； cosφ cosφ2 ：補償前、后的功率因數(shù)； ΔPK：變壓器的額定銅損。 （ 3） 提高電網(wǎng)的傳輸能力 視在功率與有功功率成下述關系： ?cosSP? （ ） 可見，在傳送一定有功功率 P 的條 件下， cosφ越高，所需視在功率越小。 由于補償后無功負荷的減少，負載降低，相應地增加了變壓器的富裕容量，提高了輸出能力。 設補償后的功率因數(shù)為 cosφ2，補償后新增負荷的功率因數(shù)為 cosφ0，則有四種情況： 22 ①當 cosφ0 cosφ2時，可增加的視在功率為： )c os ()(c os 202222120222 ???? ??????? SSSSS （ ） ②當 cosφ0= cosφ2時 21 SSS ??? （ ） ③當 cosφ0 cosφ2時 )c os ()(c os 022222102222 ???? ??????? SSSSS （ ） ④當 cosφ0=1 時，令式（ 914）中 φ0=0，得 2222212222 c o sc o s ?? SSSSS ????? （ ） S S2：補償前、后的視在功率； ΔS：補償后增加的視在功率。 目前國內(nèi)主要補償方案簡介 配電網(wǎng)中常用的無功補償方式包括：就地補償、分散補償、集中補償。 近 年來企業(yè)中普遍利用并聯(lián)電容器進行供用電線網(wǎng)的無功補償，提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，降低供電線路的電流，減少了線損，取 得了較好的效果。但不同的補償方式，在實際中的補償效果仍有所差異。若能根據(jù)具體情況，選用綜合性的全方位補償方式進行補償，克服單一補償方式的不足，其補償效果會更好。 （ 1） 就地無功補償方案 該方案又稱“個別補償”，電容器直接裝于用電設備附近，與電動機的供電回路相并聯(lián)，常用于低壓網(wǎng)絡。它使用可控硅或者機械開關來作為投切開關，通過就地電壓傳感器控制而自動地投切電容器。一般的包含了一個電抗器用來對諧波進行濾波。它在其連接點通過改變流入或者吸收系統(tǒng)的無功電流來改變系統(tǒng)的電壓。在效果上，它起著一個可變無功負載作用，調(diào)整其 值起到保持交流電壓為常數(shù)的作用。通常適用于經(jīng)常投入運行，負荷較穩(wěn)定的中小型低壓電動機。 在電 機等感性負載旁和電容器直接并聯(lián)，與電機等同開 ， 同停 。 停機后電容器通過電機直接放電，電容器不再另需放電裝置。運行時電機所需無功由電容器就地供給，能量交換距離最短，可以最大限度的降低線路的電流。在線路相同的條件下，線路損耗 與電流的平方成正比，所以電容就地補償，節(jié)電效果最好，投資也小。特別是能夠有效抑制設備瞬間出現(xiàn)的電流波動沖擊電網(wǎng)。但是一般工業(yè)生產(chǎn)，現(xiàn)場環(huán)境相對較差，特別是冶金企業(yè)，金屬粉塵含量高，維護、保養(yǎng)若不能定時進 行，往往最易損壞。同時，對于頻繁操作的設備，由于瞬間大電流的頻繁沖擊，也是造成電容器易損壞的一個方面 ， 所以， 此種方式中電容器 使用壽命短。由于隨機開、停，電容器的有效使用率也最低 。 23 (2)分散無功補償方案 常見有以下幾種方式： ① 高壓電容器分組安裝于城鄉(xiāng)電網(wǎng) 10KV、 6KV配電線路的桿架上； ②低壓電容器安裝于公用配電變壓器的低壓側； ③低壓電容器安裝于電力用戶各車間的配電母線上。 這種補償方式 在變壓器低壓側的輸電線路中，分散進行電容器固定容量的補償，克服了集中固定補償中容量較大時的涌流過大等問題，并能有效的 增大配電線網(wǎng)的供電能力，節(jié)電效果較好。其優(yōu)點是在低負荷時，可以相應停運數(shù)組，以防過補 償 。投資較為經(jīng)濟。其缺點是需要人工頻繁投、切。在投、切不 及時 或投、切容量不合適時，也易造成過補 償 或欠補 償 現(xiàn)象。 (3)集中無功補償方案 通常指裝于地區(qū)變電站或高壓供電電力用戶降壓變電站母線上的高壓電容器組；也包括集中裝設于電力用戶總配電高低壓母線上的電容器組。其優(yōu)點是有利于控制電壓水平，且易于實現(xiàn)自動投切，利用率高，維護方便，能減少配電網(wǎng)，用戶變壓器及專供線路的無功負荷和電能損耗。缺點是不能減少電力用戶內(nèi)部各條配電線路的無功 負荷和電能損耗。 集中 補償分為固定容量補償和自動補償，均可最大限度的挖掘變壓器的容量潛力，增大負載能力。根據(jù) P=Scosφ 當功率因數(shù) cosφ=1時，有功功率 P 等于變壓器的視在功率 S，而一般自然功率因數(shù)在 ～ 之間，如不進行補償，供電變壓器的效率就很難提高，例如， 1000KVA 的變壓器僅能帶 600～ 700Kw 的有效功率。特別是自動補償，功率因數(shù)可控制到 ～ ，其增容效果更為顯著。電容器的充、放電功能，可以有效的穩(wěn)定電壓，提高供電質量。電容器的安裝環(huán)境也可以選擇有利于日常維護、保養(yǎng)的地方 ，有利于延長電容器的使用壽命。但其缺點是不能解決低壓網(wǎng)絡內(nèi)部無功電流的流動，補償容量大，投入資金高，特別是自動補償，按循環(huán)方式投、切，被切除的電容要有充足的放電時間，才能再次投入，電容配置容量相對較大，相應損耗也大。固定補償雖然投資小，但如果補償?shù)娜萘窟^大，在低負荷時，易出現(xiàn)過補現(xiàn)象。在開、停過程中涌流較大，易造成設備損壞。 城網(wǎng)無功補償應根據(jù)就地平衡和便于調(diào)整電壓的原則進行配置，可采用分散和集中補償相結合的方式。目前在我國城市中較普遍采用集中安裝方式，但衡量兩種方式則以分散補償為好，因而應提倡在 380/220V低壓網(wǎng)應采用分散補償方式 [2]。 24 目前主要的無功補償裝置存在的缺點 從外部特性和各項指