企业变电所无功补偿技术分析
摘 要：企业变电所中存在着电压降落，功率因数低，供电设备利用率低等问题，给稳定生产和经济投资带来较为严峻的考验。无功补偿作为一种有效措施，根据生产设备的运行情况，合理的补偿无功和防止谐波放大成为重要的研究课题。本文分析了无功补偿装置的研究现状和存在的问题，根据企业变电所负载的变化规律，提出了一种混合无功补偿方案。
关键词：企业变电所；经济投资；无功补偿；谐波
一、引言
近些年来，电力系统中使用增多的感性负载和容性负载，在要求电网输送容量增大的同时，电力系统能否安全稳定运行，无功功率起着至关重要的作用，它的平衡程度对电网电压的稳定起到非常关键的作用[1]。否则，无功功率不平衡将会使电网电压降低，电气设备运行在额定电压以下，极易损坏，电压降落还可能使供电系统解列[2]。此外，电力系统的功率因数也会降低，供电设备的有功出力减小，不能充分的被利用，损耗也相应随之增加。因此，做好无功补偿措施，对电力系统的降损节能同样有着非常重要的意义。
二、无功补偿的发展历程
传统无功补偿措施是将电容器直接并联于供电系统。但其阻抗是固定的，不能实现对无功功率动态补偿[3]。随着供电系统的发展，要求无功补偿能现根据负载无功需求的变化而变化，此时同步调相机问世。它是专门用来产生无功功率的同步电动机，能够发出大小不同的容性或感性无功功率[3]。但作为一种旋转式电机，运行中损耗多、噪声大、响应速度慢，难以满足快速精确的动态补偿要求[3]。
上世纪70年代以来，静止无功补偿装置开始逐渐发展起来。它能够连续而迅速地控制无功补偿，通过发出或吸收无功功率来控制它所连接的输电系统的节点电压[4]。早期的静止无功补偿装置是饱和电抗器，相比于同步调相机，具有响应速度快等优点[3]。
随着电力电子技术的发展，电子元件在无功补偿装置中占据了重要的角色。目前这种静止开关主要分为两种，即真空接触器和电力电子开关。但随着电力电子器件在电力系统中的应用不断发展，静止无功补偿装置SVC成为了专门使用晶闸管投切的静止无功补偿装置。静止无功补偿装置主要包括晶闸管投切电容器TSC和晶闸管投切电抗器TCR [6]。将其作为无功补偿装置的投切开关，速度可以提高500倍（约为10us），无功补偿都可以在一个周波内完成，还可以进行单相调节[5]。
较为先进的现代补偿装置是静止无功发生器SVG。SVG又被称作是STATCOM。SVG也是一种电力电子装置，它的最基本的电路是三相桥式电压型或电流型变流电路[7]。目前使用的主要的电压型，且SVG需要大容量的电抗器、电容器等储能元件[8]。通过不同的控制，既可使其发出无功功率，也可使其吸收无功功率。采用PWM控制，即可使其输入电流接近正弦波[9]。
三、无功补偿的研究现状及其存在问题分析
经典的无功补偿方式是采用高压真空接触器投切并联电容器组，即真空接触器投切电容器。真空接触器投切电容器装置较好的适用于高压无功补偿装置，此装置适合于拥有大型感性负载的场所[10]。它对改善系统功率因数、稳定系统电压、改善电能质量都具有重要的作用。随着高压真空接触器向系列化、大容量、小型化、智能化等方向迅速发展，真空接触器投切电容器技术也将得到进一步推广应用[11]。但这种投切电容器开关相对于电力电子开关，存在投切速度慢的缺点。
无功补偿装置使用晶闸管后，使其具有优良的性能。对于任何需要补偿的电力系统，在一个周波内就可以完成投切，而且还可以进行分相调节和单相调节[5]。随着电力系统负荷的现实需要，出现了TCR与TSC的混合装置、TCR与固定电容器FC的混合装置、TCR与机械投切电容器MSC的混合使用装置等[6]。
SVG采用自换相变流电路的静止无功补偿装置，大功率门极可关断器件GTO和IGBT绝缘栅双极晶体管等全可控性器件应用在其中，使其得到很快发展并进入试用阶段。但因其技术不太成熟、控制比较复杂、价格比较高，未能被广泛应用于动态无功补偿领域[7]。目前国内尚处试运行阶段，还要在技术上和产业化生产中进行更好的开发。
四、本文分析的方向
随着变频器、整流器等非线性变流设备和高压异步电机的广泛应用，人们越来越重视谐波的危害[10]。用电容器进行补偿，很可能会使谐波放大，不仅导致运行的电容器过热损坏，而且会使电网遭受谐波放大的污染。所以，具有谐波治理功能的TSC动态无功补偿装置成为冶金、煤炭、化工、造纸等企业无功补偿的理想选择[10]。
TSC补偿装置采用高压大功率半导体器件的电力电子开关—晶闸管，开关无触点，其操作寿命几乎是无限的。虽然调节无功功率没有连续性，而且只能输出容性无功，但其具有成本低，自身不产生谐波，运行能耗小，可以抑制电流冲击和合闸涌流等优点[10]。不但可以实现传统自动投切电容器补偿装置的功能，而且其具有快速响应性、可频繁动作性。因此将其作为工厂变电所无功补偿装置是合适的选择。
对于工厂变电所来说，长期存在的一个问题是补偿装置元器件参数的选型不合理，使输出无功容量达不到额定容量值，导致无功补偿容量不足，特别是可调的无功容量不足，快速响应的无功调节设备少。电力系统中经常过补偿和欠补偿，造成了很大的损耗。而且用电设备大多为感性负载，在实际运行时，整个系统中不会呈现容性无功，无需补偿感性无功，且具有一定的基础无功功率，如果单纯只用TSC无功补偿装置，则有一部分电容器投切频率很低，或者说是基本用不着投切。基于这种情况，考虑到工厂投资成本、降低工程造价和变电所负荷补偿中的实际应用，这就需要对基础无功补偿实施不需要快速响应的动态无功补偿。由真空接触器投切的HVC无功补偿装置，弥补了这个缺点，而且真空接触器相比传统的接触器，增加了抑制涌流的装置及放电触头，相对TSC的区别就在于所采用的投切开关。
因此采用HVC+TSC的混合无功补偿配套装置：HVC采用真空投切电容器组，主要用来补偿系统较稳定的无功变化不频繁的基本负荷；TSC采用晶闸管投切，当负荷变化较快时，由其深度快速反应，根据负荷变化跟踪补偿[12]。二者能够实现优化互补，组合投切，既能保证补偿精度，又可实现动态跟踪补偿。其特性与变电所负荷特性将能够很好的配合，实现优化补偿，能够满足约定的补偿目标，且具有占地面积小、施工简单、投资小等显著优势。
但是，装置是否能实现其功能，需要与现场变电所实际运行负载参数及其变化情况相结合。这就需要对其内部构造及其元件参数进行合理计算搭配。分析各种主变压器的无功损耗和所带电动机的无功功率，对生产实际中电动机投入情况、启停频率等规律加以探讨，才能确定出其无功损耗变化范围和功率因数变化规律，得出总无功补偿量。
结语：本文从企业变电所经常遇到的问题入手，理论上分析了产生这些问题的根源，指出了无功补偿的重要性。现阶段对电网的无功补偿已不是单纯的投切电容器这么简单，伴随并联电容器后的谐波放大、电压振荡等问题都应随之而解。分析了近些年来无功补偿的发展历程，并进行了全面的对比分析，结合企业变电所实际运行情况进行了科学评价。提出了变电所实际生产运行需要的无功补偿措施。
参考文献
[1] T J E，米勒著.电力系统无功功率控制.胡国根译.水利电力出版社，1990.
[2] 徐余丰.无功补偿设备控制方案及调试装置的开发和应用探讨（硕士学位论文）.浙江大学.2009.
[3] 张青.静止无功补偿技术的现状及发展趋势.电气时代.2004.
[4] 杨乐.无功补偿技术的现状及发展趋势.电气时代.2013（6）.
[5] 朱罡.电力系统静止无功补偿技术的现状及发展.电力电容器.2001（4）.
[6] 潘睿.浅析电力系统的无功补偿.中国新技术新产品.2009（10）.
[7] 金立军，安世超等.国内外无功补偿研发现状与发展趋势.高压电器.2008，44.
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[9] Sun J， Czarkowski D. Voltage flicker mitigation using PWM-based distribution STATCOM. 2002 IEEE Power Engineering Society Summer Meeting.2002.
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[12] 孙凤森.千高峰.110KV/6KV变电站无功补偿及谐波治理优化设计.电气应用.2008.