电⼒电⼦技术与⽆功补偿
电⼒电⼦技术与⽆功补偿
张思建
⾃动化 0303 班， 3039911161
摘要：本⽂介绍了⽆功补偿技术在电⼒系统的发展情况。将从⽆功补偿新技术、控制器、电容接线⽅式及投切开关等⽅⾯对⽆功补偿技术的发展现状作⼀简述。
关键字：⽆功补偿，电⼒电⼦技术
Power Electronic Technology and Reactive Power Compensation
Abstract: The paper introduces the development of reactive power compensation used in power system.The new technologies,control strategies,type of capacitance connection and its switches are discussed.
Key words: reactive power compensation, power electronic technology
0 、引⾔
电能从发电⼚送到⽤户要经过输电、变电、配电等环节，当电流通过这些环节时要产⽣有功和⽆功损耗。⽆功功率是建⽴交流电、磁场⽽需的功率，⽆功功率同有功功率⼀样，是保证电⼒系统电能质量以及安全运⾏所不可缺少的部分。在有功功率不变的情况下，⽆功功率的存在会使功率因数降低，视在功率增⼤，从⽽需要增⼤发、输电设备的容量，增加投资和电⼒损耗，增加运⾏费⽤，输电线路压降变⼤，不利于电⼒的输送与合理应⽤。降低电能损耗，减少⽆功功率，采⽤⽆功补偿是最⽅便、经济有效的⽅法之⼀。
⽆功补偿技术发展到现在已经有⼏⼗年的历史，以前采⽤同步电机来产⽣⽆功功率，但随着电⼒电⼦技术的发展，⽆功补偿中的补偿控制器、⽆功检测装置、投切⽅式都有了很⼤的进步。所以本⽂将从补偿控制器、⽆功检测装置、电容器的接线⽅式及投切开关等⽅⾯对⽆功补偿技术的现状作⼀简单的介绍。
1 、⽆功补偿的新技术
低压补偿箱和补偿柜的技术改进和新技术应⽤归纳起来主要有以下⼏⽅⾯
（1）采⽤智能型⾃动控制器，根据⽆功功率确定补偿容量⽽克服了根据功率因数补偿的⼀些缺点。有些控制器还运⽤⼀些先进的算法，综合考虑⽆功功率和功率因数，控制补偿系统的运⾏。
（2）由三相共补到分相补偿。以求达到更理想的补偿效果。由于单相⽤电负荷的⽐例增加，三相不平衡程度增⼤，所以需要根据三相⽆功功率不平衡的情况，分相补偿。
（3）由单⼀的⽆功补偿发展为同时具有滤波及抑制谐波功能的补偿装置。由于很多⾼级设备对电能的质量要求很⾼，⽽且有些补偿装置本⾝就会产⽣⾼次谐波，所以以前是单独采⽤滤波装置来消除⾼次谐波，但这往往增⼤了成本。现在的⽆功补偿装置，就把这两种功能结合在⼀起，尽量减少因为⽆功补偿⽽给电⽹带来的“污染”
（4）从采⽤交流接触器进⾏投切，到选⽤晶闸管开关电路进⾏投切，以及发展为等电压投、零电流切的最佳投切模式。关于投切⽅式，后⽂将作详细的讨论。
（5）将低压⽆功补偿的功能纳⼈配电综合测试仪、箱式变电站、变台多功能箱、落地式封闭变台等设备的低压部分。现在的配电箱功能都很齐全，⽽且由于有些地⽅的电⼒部门对减少⽆功功率使⽤⽅⾯有⼀套奖励措施，所以很多⽤户都希望加装补偿器。所以这种新⽅法可以使配电箱功能更齐全，更容易管理。
2 、补偿控制器
补偿控制装置的检测量主要有⽆功电流、系统某点电压有效值、功率因数 cosθ和⽆功功率Q四种。其中，检测量为⽆功电流的控制器，优点是检测
reactive power什么意思
⽅法简单，不会发⽣振荡，补偿效果与电⽹电压波动⽆关；电压是线路⽆功功率的敏感参数，以电压为检测量，这种控制⽅式简单、可靠、实现起来也⽐较容易，但这种控制⽅式在系统⼤，系统内电抗X较⼩的情况下，控制灵敏度和精确度就受到了⼀定的限制；以功率因数为检测量的控制器，主要缺点是轻载时容易产⽣投切振荡，重载时⼜不易达到充分补偿。故新型的控制器已不再选⽤以功率因数为检测量，⽽选⽤以⽆功功率为检测量的新型控制器。
2．1 功率因数控制
功率因数控制就是以功率因数满⾜要求为控制⽬标，使电⽹的功率因数满⾜要求。功率因数式控制器通过对电⽹的电压、电流
进⾏采样检测，分析计算当前的功率因数值，⽤当前的功率因数值与设定的投切门限值进⾏⽐较，以确定是否投⼈、切除电容器，还是保持现有状态不变。假设补偿前的功率因数 cos<0．9。当将投⼈门限设定为cosa=0．9，控制器检测到当前的功率因数值⼩于0.9时，发出指令，投⼈⼀电容器组进⾏补偿。如果补偿后的功率因数cos<0时，即⽆功功率向上级电⽹倒送，控制器便发出指令，切除⼀电容器组。当检测到的功率因数介于0．9和1．0之间时，则不论实际的⽆功功率值是多少，都保持当前的补偿状态不变。由于功率因数值是⼀个⽐例值，因此在重负荷或轻载时，补偿效果较差。重负荷时，虽然功率因数满⾜0．9—1的要求，但电⽹所需的⽆功功率仍然很⼤，⽽电容⽆法投⼈电⽹进⾏补偿，最终达不到理想的降损节能效果。
功率因数控制的另⼀个问题是轻载下的投切振荡。轻载时，功率因数较低，当⽆功功率⼩于 1组电容器的补偿容量时，按照补偿原理将投⼈1组电容器，补偿的结果是得到了超前的功率因数。功率因数只要超前，就要⽴即切除⼀组电容器，⽽切除1组后功率因数⼜不够，因此形成振荡。
2．2 ⽆功功率控制
控制器以⽆功功率为控制对象，如果⽆功功率⼤于 1组电容器的补偿容量，则投⼈电容器组，当由上级电⽹输送来的⽆功功率⼩于1组电容器容量时，将不投⼈电容器组。如果当⽆功功率向上级电⽹倒送时，则切除1组电容器。这种补偿⽅法将会使电⽹中的⽆功功率(⽆功电流)始终保持在⼀个较低的⽔平上，因此，不会出现功率因数控制⽅式的弊端。选⽤⽆功功率(⽆功电流)控制⽅式⽐功率因数控制⽅式优越。
2.3 检测点的设置⽅案
检测点的设置有两种选择⽅案 :
（1）控制器输⼈电压和电流的检测点设在补偿装置的前端 .如图1中的A点处
（2)检测点设在补偿装置的后端如图中的B点处。
图 1 电流电压检测点的设置
检测点 A由于不能直接检测负载的⽆功功率，不易实现多组电容器的⼀次快速投切，通常采⽤逐级渐进的投切⽅式，较慢地达到应补偿值，因此仅适⽤于负载运⾏较平稳，⽆⼤容量冲击负载，不需要快速动态补偿的场合。如接于检测点B，其优点是仅根据负载的Q和IQ测得值，决定电容器投⼈组数，是⼀种只管投切，不控制补偿后实际效果的控制⽅式，其优点是控制⽅式简单，可⼀次投切多组电容器、缺点是静态补偿的精度较差。⽽现在有些控制器在A、B两点都设置检测点，通过微机算法处理，再来控制电容器的投切。
3 、补偿电容器接线⽅式
3.1 三相共补的接线
传统的低压补偿都是采⽤三相共补的⽅式，根据控制器统⼀取样，各相投⼈相同的补偿容量，这种补偿⽅式的接线如图 2所⽰。适⽤于三相负载基本平衡，各相负载的cos θ相近的⽹络。
图 2 三相共补接线
3.2 三相分补的接线
三相分补的⽅式如图 3所⽰，就是各相分别取样，各相分别投⼈不同的补偿容量。适⽤于各相负载相差较⼤，其cos θ中值也有较⼤差别的场合。与三相共补的不同特点是： a)单台并联电容器的额定电压为230 V,Y接。b)控制器分相进⾏⼯作，互不影响。当然其价格相对⾼于三相共补的装置。
图 3 三相分补接线
3.3 - Y 共补与分补相结合的接线
从经济的⾓度出发，也可以采⽤电容器Δ -Y接线，即⼆相共补与三相分补相结合的接线⽅式如图5所⽰。三相共补部分的电容器为△接线，三相分补部分的电容器为Y接。这种⽅式的补偿装置，运⾏⽅式机动灵活，其成套价格低于三相分补的并联电容器接线⽅案。
图 4 共补与分补的结合
4 、并联电容器的投切开关
4. 1 ⽤交流接触器投切
传统的补偿柜，都是采⽤交流接触器作为并联电容器的投切开关，迄今仍有沿⽤。其缺点是：
（1）投⼈电容时产⽣倍数较⾼的涌流，容易在接触器的触点处产⽣⽕花，烧损触头。甚⾄形成接地故障;
（2）切断电容时，容易粘住触头，造成拉不开；
（3）涌流过⼤对电容器本⾝有害，会影响使⽤寿命。
虽采⽤适当选择额定容量较⼤的接触器，如⽤额定电流 40A 接触器投切15 kvar三相电容器，每台电容器加装串联⼩电抗器，⽤以抑制涌流等措施，但仍统计故障率较⾼。
4.2 双向晶闸管开关电路
采⽤双向晶闸管的⽆触点开关电路取代交流接触器⽤于投切电容器的接线如图 5所⽰。其优点是零电压投零电流切，⽆拉弧，动作时间短，可⼤幅度地限制电容器合闸涌流，特别适合于频繁投切的场合。但也存在以下缺点：
（1）采⽤双向可控硅制造成本⾼，晶闸管开关电路的补偿柜价格要⽐采⽤接触器的补偿柜贵70%-80%左右、
（2）晶闸管开关电路运⾏时有较⼤的压降，运⾏中的电能损耗和发热较⾼，同时有功消耗的发热量还会增加整个补偿装置的温升。
（3）晶闸管电路本⾝也是谐波源，⼤量的应⽤对低压电⽹造成谐波污染。
因此除了对晶闸管开关电路加以改进外，还应使之在完成开合闸操作后退出。仍由与之并联的接触器维持电容器的正常运⾏
图 5 晶闸管双向反并联
4.3 晶闸管和⼆极管反并联的开关电路
1只晶闸管和1只⼆极管反并联的接线⽅案如图6所⽰与图5的接线⽅案对⽐，由于相同容量的功率⼆极管的价格低于晶闸管，故⽤1只晶闸管和1只⼆极管反并联的⽆触点开关电路制造成本较低，⽽技术性能相近。但反应时间则较慢些，切除电容器时，如采取两个晶闸管反并联，从切除指令的输出到⼯作任务的完成，可以半周波内完成（即时间(t ≤ 10 ms)。如采⽤下图的⽅案，由于⼆极管的不可控性，通常其切除时间t ≤ 120 ms。
图 6 晶闸管和⼆极管反并联电路
4.4 等电压投、零电流切的新型⽆触点开关电路
电路的接线如图 7所⽰。图中K为交流接触器。其运⾏操作顺序说明如下：当投⼊电容器时，微机发出信号给开关电路，使之在等电压时投⼊电容器，紧接着⼜发出信号给接触器，使其触点也闭合，将晶闸管开关电路短路，由于K 闭合后的接触电阻远⼩于开关电路导通时的电阻，达到了节能和延长开关电路使⽤寿命的⽬的。当需要切除电容器时，微机先发出信号给K，使K 触点断开，此时开关电路处于导通状态，并由开关电路在电流过零时，将电容器切除。该⽅案的优点是：运⾏功耗低、涌流⼩、制造成本低，且开关电路和接触器的使⽤寿命长。
图 7 等电压投、零电流切的新型⽆触点开关电路
5 、总结
本⽂对现在⽆功补偿技术的应⽤情况作了简单的概述，并从⽆功补偿⽤到的⼀些新技术、补偿控制器、补偿电容接线⽅式、并联电容的投切开关等⽅⾯做了简单分析。随着新型电⼒电⼦器件的应⽤以及电⼒电⼦技术的发展，将会出现更多⽆功补偿及滤波的新技术。⽽且随着单⽚机以及 DSP等微处理器的应⽤，
⽆功补偿的响应速度更快，控制⽅式越来越灵活，控制策略也越来越先进。现在很多精密的电⼦设备对电源的质量要求很⾼，所以相信在将来⽆功补偿技术及电源滤波技术将会得到更⼤的发展。
参考⽂献：
1 、《电⼒电⼦技术》贺益康、潘再平编著，科学出版社， 2004
2 、《低压⽆功补偿装置综述》匡满武，《⼭西电⼒》总第 117 期， 200
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3 、《动态⽆功补偿技术应⽤综述》夏祖华、沈斐、胡爱军、童陆园，《电⼒设备》第 5 卷第 10 期， 200
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4 、《关于低压⽆功补偿装置的探讨》余兆荣、陈曦，《贵州电⼒技术》， 200
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5 、《我国低压⽆功补偿的技术发展概况》刘乾业、邹慕震、许伟、黄向前，《电世界》， 2005 年第 1
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6 、《⽆功补偿装置的现状和发展趋势》张刘春、韩如成、张守⽟，《太原重型机械学院学报》第 25 卷第 1 期， 2004 年 3⽉
7 、《⽆功功率动态补偿⽅法》殷⽂亭、张红卫、张学军、⾼波、朱⽟波、司光磊，《电⽓时代》 2003 年第 4 期

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