基于半控器件的靜止無功補償技術控制策略研究

張霞

【摘 要】根據控制物理量選擇的不同，TSC所采取的控制方法也多種多樣。較為合理的補償裝置應最大限度提高電網的功率因數，且不發生過補償，無投切振蕩，無沖擊投切，控制過程反應靈敏、迅速。按照控制物理量的不同無功補償裝置分為：無功功率補償、無功電流補償、功率因數補償及綜合型補償。

【關鍵詞】配電系統;電能質量;半控器件;無功補償;功率因數;電壓控制;技術先進;經濟合理

0 引言

電力系統由發電系統、輸電系統、配電系統和用電系統四大部分構成，由于電能不能大量存儲，所以發電、輸電、配電和用電必須同時進行，即電力系統必須保持平衡。然而來自電力線路、電力變壓器以及用電設備的無功負載大量存在，使電力系統的功率因數降低。

電力系統網絡元件的阻抗主要是感性的，因此在實際電力系統中，包括異步電動機在內的絕大多數電氣設備的等效電路可看作電阻 R 和電感 L 的串聯電路。網絡元件和大多數用電設備工作時將消耗無功功率。這些無功功率必須從網絡中某個地方獲得。合理的方法是在需要消耗無功功率的地方產生無功功率，這就是無功補償。

1 單一物理量的控制方式

時間控制法是最常用的控制方式之一，這種方法根據電網中用電設備24小時無功功率變化情況，繪出全天無功變化負荷曲線，由無功變化的時間規律決定定時投入或切除一定容量的補償電容。例如主要負荷在上午8點投入運行，到下午5點退出運行，而這期間負荷變化不大，調整策略可整定為上午8點投入電容器組，下午5點切除。

顯然這種控制方式簡單，但只適用于負荷穩定且變化規律一定、功率因數變化不大的場合。

無功電流控制方式是把負荷無功電流作為控制變量進行電容投切調節的一種控制策略。假設電網無功缺額為ΔQ，電網線電壓為U，其額定值為UN，線電流分量為IQ，則：

ΔQ=U·I·■=U·I■·■

令實際運行電壓U與額定電壓UN之比為k則：

I■=ΔQk·U■·■

當電容器組為星型聯結時：

ΔQ=ω·C·（k·U■）■

為補償無功電流IQ應投入電容器組的容量為：

C=■·I■k·ω·U■

當電容器組為三角型聯結時：

ΔQ=3ω·C·（k·U■）■

應投入的電容器組的容量為：

C=I■k·ω·U■·■

依據無功電流分量的大小控制調節電容器組，使電容器提供的容性電流補償電網中的感性電流，補償效果更精確。這種控制方式比較理想，補償效果很直觀，但無功電流的快速、精準檢測有一定難度。

電壓控制方式是檢測電網電壓信號，當電網電壓降至某給定值的下限時檢測裝置發出信號，控制電容器組投入運行，當電網電壓超出某給定值的上限時，切除電容器組。電壓控制方式以保證安裝點電壓在一定范圍內為目的，多用于電業部門集中負荷點的電壓調整。

早期無功補償的控制方式是以功率因數作為控制變量，通過檢測負荷的功率因數或者功率因數角，再經過對檢測數據的處理，由執行元件實現對電容器組的投切，維持功率因數處于最佳値，若cosφ1cosφ2為功率因數的上次限，被控量應在cosφ1

這種控制方式存在兩大缺點，一是當負荷輕載時，可能產生投切振蕩。如圖1所示，按功率因數投切電容器組，其穩定區域收斂于原點0，當負荷減小時，存在一區域如S1點所處區，此時若投入一組電容器，系統功率因數補償至S2點處，系統處于過補償狀態，自動裝置馬上切除電容器組，這時系統又回到S1點處，這樣系統投切重復往返，形成“投切振蕩”。這種振蕩對電容器、TSC投切裝置的壽命及電網電壓質量產生不良影響。

圖1 功率因數控制方式穩定性

其二缺點是當負荷很重時，功率因數或功率因數角的微小變化能引起無功補償量需求的巨大變化。若系統采樣數據A/D轉換的精度不高，或采樣時間間隔不準確，則計算出的功率因數波動較大，從而可能導致電容器組的頻繁誤投切。

無功功率控制方式就是直接把系統的無功作為被控物理量來控制電容器組的投切。它的控制原理是根據檢測到的電網電壓、電流、功率因數，計算出應投入的電容容量，在電容器分組方式中選出最接近補償量但不會發生過補償的一組電容器投切，投切一次到位。若計算值小于最小一組電容器的容量，則系統應保持原補償狀態不變。只有當所需容量大于或等于下限値時，才執行相應的投切。

采用無功功率補償方式在設置補償范圍時，應合理設置補償目標上下限，即上下限的范圍應大于基本電容器組的容量。若設置不當將會產生“投切振蕩”。如圖2（a）所示，電網實際無功缺額在切區S1處，系統指令切除一組電容器后，電網實際無功缺額落在投區S2處，隨即系統又投入一組電容器，這樣循環往復，形成投切振蕩。圖2（b）所示電網從切區S1處切除一組電容器后落在穩定區S2點處，則系統不再發生投切振蕩。

（a） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （b）

圖2 無功功率補償上下限設置示意圖

2 TSC綜合控制方式及其策略

對單一物理量進行控制，有其不足之處。如把功率因數作為投切電容器的唯一判據，不能滿足實際電網運行的需要，當負荷低谷時，有功功率和無功功率都很小，功率因數也很低，常有投切振蕩發生，影響設備的安全使用壽命。

若系統以某一物理量作為控制主判據，另一物理量作為輔助判據，實現多變量的綜合控制。如按功率因數控制，電壓校正;按無功電流控制，電壓校正;按無功功率控制，電壓校正;按時間控制，按負荷無功校正;按電壓控制，按負荷無功校正等。

3 “九域圖法 ”控制策略

現階段多參量綜合控制通常以無功功率為基礎電網電壓上限値和負載電流下限値作為控制電容器組投切的約束條件，實現電容器組的智能綜合控制。

“九域圖法 ”以控制器接入側電壓為主要控制目標，以無功功率（或功率因數）為參考條件，通過界定電壓和無功功率的上下限，將平面分為九個區，規定不同區域內的控制方式，實現對電容器組和主變分接開關的聯合控制。目前在線運行的電壓無功綜合控制裝置大多基于此法。

圖 3 投切區間圖

“九域圖法 ”如圖 3所示，根據電壓、無功功率兩個物理量作為判據預置電壓上下限値和無功功率的上下限値，便得到投切區間圖。其中 2b、4b 為防止投切振蕩區，其寬度由投切一組電容器負荷側相電壓的變化量決定。當實測無功功率、電壓處于控制區間的某一區域時，可以實施不同的控制策略，在保證不出現過補、欠補、過壓、欠壓的情況下，可以一次投切多組電容器，各區間動作情況如下：

1 區：欠壓區，強投電容，使電壓升高到合格區;

2a 區：無功欠補償，需投入電容器;

2b 區：防止投切振蕩，不動作或投入小容量分補電容器;

3 區：電壓越過上限値，切除電容器;

4a 區：無功過補償，切除電容器;

4b 區：防止切除電容器后振蕩，不動作或切除小容量分補電容器;

5 區：電網無功功率及電網電壓値處于合理區間，不動作。

如果用電設備本身沒有防諧波措施或不具備較強的抗諧波干擾的能力，有可能造成已安裝無功自動補償控制器的用戶不能進行電容器組的正常投切，嚴重時會造成設備的損壞。因此把電壓和電流的畸變度作為投切電容器組的另一判據，在投切前檢測電壓和電流的諧波程度，若超過額定限制，則閉鎖系統，從而避免諧波對設備的危害。

4 結束語

總之，對于配電系統來說，為數眾多的異步電動機、變壓器等設備要消耗大量的無功功率，對配電網絡的安全穩定運行產生不良影響。保持電力系統的平衡，解決配電系統功率因數低的有效途徑就是對配電系統進行無功補償，提高功率因數。

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[責任編輯：楊玉潔]