凌鵬飛

（上海交通大學(xué)電氣工程系，上海 200240）

0 引言

電能是影響我國工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一，電力節(jié)能降損在我國建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的進(jìn)程中將占有越來越重要的地位。由于電網(wǎng)容量的增加，對(duì)電網(wǎng)的無功需求也相應(yīng)地與日俱增。低壓電網(wǎng)消耗的無功功率主要靠上級(jí)電網(wǎng)遠(yuǎn)距離輸送，如果供電線路中存在大量無功功率流動(dòng)，勢(shì)必造成線損、壓降增大，降低了電能質(zhì)量與電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。因此，無功補(bǔ)償是電力系統(tǒng)節(jié)能降損的必要措施，對(duì)于減少無功功率在電網(wǎng)中流動(dòng)，降低輸電線路因無功輸送造成的電能損耗，改善電網(wǎng)的運(yùn)行條件都有著極為重要的意義。如何科學(xué)、合理地選擇無功補(bǔ)償方式，是減少配電網(wǎng)電能損耗、改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的關(guān)鍵。

1 傳統(tǒng)無功補(bǔ)償存在不足

電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用，使得電力系統(tǒng)的無功負(fù)荷構(gòu)成發(fā)生了很大的變化，軋鋼機(jī)、電弧爐、各種整流裝置、電力機(jī)車、空調(diào)等非線性負(fù)荷比例增長很快，同時(shí)還具有很強(qiáng)的沖擊性和波動(dòng)性。這些負(fù)荷不僅給電網(wǎng)帶來諧波、電壓波動(dòng)、閃變等電能質(zhì)量問題，也使得負(fù)荷節(jié)點(diǎn)處綜合負(fù)荷的動(dòng)態(tài)特性和非線性特性更為突出。

目前，配電網(wǎng)中常用的無功補(bǔ)償設(shè)備為直接并聯(lián)電容器或采用接觸器、復(fù)合開關(guān)或晶閘管等方式投切電容器與電抗器進(jìn)行無功補(bǔ)償，改善系統(tǒng)的電壓水平和負(fù)荷的功率因數(shù)。但此種方式無法滿足負(fù)荷無功需求的快速變化，同時(shí)因?yàn)槊拷M投切的電容器組容量固定，所以只能階梯式投切無功補(bǔ)償容量，補(bǔ)償精度差，無法提供較好的補(bǔ)償效果，而且頻繁的投切操作導(dǎo)致電容器的壽命不長。若使用晶閘管投切電抗器（TCR）的補(bǔ)償裝置，則又會(huì)產(chǎn)生大量低次諧波，需要增加額外的濾波器。而能夠?qū)崿F(xiàn)快速動(dòng)態(tài)連續(xù)無功補(bǔ)償，并達(dá)到很高補(bǔ)償精度的靜止無功功率發(fā)生器（SVG），目前由于技術(shù)、工藝及元器件的限制，大容量SVG的成本十分昂貴難以在配電電網(wǎng)中廣泛應(yīng)用。

2 混合型無功補(bǔ)償方法

針對(duì)上述問題，對(duì)于10 k V及0.4 k V配電網(wǎng)，提出一種混合式的無功補(bǔ)償方案，即采用SVG與投切型電容器相結(jié)合的配置方案，根據(jù)現(xiàn)場的需求實(shí)現(xiàn)快速、高效、平滑、低成本的無功補(bǔ)償，達(dá)到成本和效果的最佳化。

2.1 設(shè)計(jì)思路

由于無功補(bǔ)償裝置在配電系統(tǒng)中的使用量非常大，所以采用的無功補(bǔ)償裝置要求補(bǔ)償速度快、補(bǔ)償精度高、補(bǔ)償平滑、成本較低等特性?？紤]到實(shí)際電網(wǎng)對(duì)無功補(bǔ)償?shù)娜萘亢吞匦缘囊蟾鞑幌嗤瑔我坏难a(bǔ)償設(shè)備不能很好地滿足需求，而混合型SVG將各種并聯(lián)補(bǔ)償模塊組合起來，使用高效、合理的投切策略協(xié)調(diào)各單元工作，可以最大限度地滿足實(shí)際需求。

投切無功補(bǔ)償模塊成本較靜止無功發(fā)生模塊低很多，但后者的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償性能更好，故決定在滿足電網(wǎng)所需動(dòng)態(tài)性能的前提下，將部分動(dòng)態(tài)無功發(fā)生模塊的無功補(bǔ)償容量用投切電容器模塊取代，并且在電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)進(jìn)行最優(yōu)投切無功補(bǔ)償模塊和動(dòng)態(tài)無功發(fā)生模塊的組合配置，從而最大限度優(yōu)化成本和提高運(yùn)行的靈活性。

2.2 裝置結(jié)構(gòu)

混合型無功補(bǔ)償裝置包括有源無功發(fā)生模塊、多組晶閘管或接觸器投切電容器模塊、多組無源無功補(bǔ)償模塊（電容器與電抗器），即SVG＋晶閘管投切電容器（TSC）或SVG＋MSC?；旌闲蜔o功補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。

圖1 混合型無功補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)

混合型無功補(bǔ)償裝置將電容器投切無功補(bǔ)償模塊和動(dòng)態(tài)無功發(fā)生模塊組合使用，當(dāng)系統(tǒng)無功需求在q組和q＋1組TSC之間時(shí)，投切q組TSC，再由SVG補(bǔ)償小容量的無功功率，從而在較低成本的前提下實(shí)現(xiàn)無級(jí)連續(xù)無功補(bǔ)償。

動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置在投切無功補(bǔ)償裝置前需要提供無功輸出，使得補(bǔ)償裝置能夠?qū)崿F(xiàn)快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)。動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置在投切無功補(bǔ)償容量的基礎(chǔ)上進(jìn)行平滑、無級(jí)的無功輸出，并且根據(jù)電網(wǎng)的實(shí)際負(fù)荷進(jìn)行最優(yōu)配置。

2.3 控制方法

混合型無功補(bǔ)償程序控制流程圖如圖2所示。

圖2 混合型無功補(bǔ)償控制流程圖

混合型無功補(bǔ)償裝置中基于數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的系統(tǒng)控制器對(duì)設(shè)備所需要的各種信號(hào)進(jìn)行采集，系統(tǒng)瞬時(shí)交流電流、電壓等，快速計(jì)算模塊對(duì)采集來的系統(tǒng)瞬時(shí)電流、電壓數(shù)據(jù)，計(jì)算系統(tǒng)側(cè)的功率因數(shù)和無功功率，獲得系統(tǒng)各部分的無功輸出情況和補(bǔ)償效果，確定無功分配基準(zhǔn)。

無功功率優(yōu)化分配模塊生成無功補(bǔ)償最優(yōu)策略，確定電容器組的投切控制和SVG功率模塊的無功功率輸出容量。根據(jù)SVG功率模塊輸出的無功功率大小，通過控制策略確定脈寬調(diào)制（PWM）波形，控制絕緣柵雙極晶體管（IGBT）變換動(dòng)作，就可以改變逆變器的輸出，就達(dá)到所需要的補(bǔ)償效果。

2.4 接線方式

混合型無功補(bǔ)償裝置采用并聯(lián)方式，需要采集系統(tǒng)電流和電壓量，安裝示意圖如圖3所示。

圖3 混合型無功補(bǔ)償裝置安裝

表1 補(bǔ)償前后的各項(xiàng)參數(shù)平均值

3 混合型無功補(bǔ)償裝置的應(yīng)用

3.1 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

3.1.1 提高電壓質(zhì)量

電網(wǎng)在進(jìn)行功率傳輸時(shí)，電流會(huì)在線路等值阻抗上產(chǎn)生電壓損耗ΔU＝［PR＋Q（X－XC）］U，影響ΔU的是有功功率P、無功功率Q、線路電阻R和電抗X。如果保持有功功率恒定，線路X、R為定值，無功功率Q越小，則電壓損失就越小；如果通過容抗XC來補(bǔ)償，則線路傳輸?shù)臒o功功率減小，相應(yīng)的線路電壓損耗ΔU也減小，改善了電能質(zhì)量。

3.1.2 降低線路損耗

無功功率不僅影響配電系統(tǒng)的電壓質(zhì)量，還導(dǎo)致配電系統(tǒng)供電線損的增加。功率因數(shù)是電力系統(tǒng)的綜合經(jīng)濟(jì)運(yùn)行指標(biāo)，功率因數(shù)的提高可以降低線損。如果在某一額定電壓下，有功功率恒定不變，由于功率因數(shù)的變化，當(dāng)將原有功率因數(shù)由0.7提高到補(bǔ)償后的0.9時(shí)，線路中的功率損耗可以減少39.5%。

3.2 選擇補(bǔ)償容量

中低壓配電系統(tǒng)具有負(fù)荷較為集中，但是負(fù)荷設(shè)備容量不同、線路短、分支多的特點(diǎn)。對(duì)其中設(shè)備容量較大的應(yīng)采用分散補(bǔ)償（就地補(bǔ)償），容量偏小的采用集中補(bǔ)償。因此，在低壓配電系統(tǒng)中，補(bǔ)償方式一般以集中補(bǔ)償、就地補(bǔ)償相結(jié)合的綜合補(bǔ)償方式最為合理。這樣不僅可取得較好的降損效果，而且投資合理，方便日常維護(hù)。

1）配電站 根據(jù)配電站的無功需求特點(diǎn)和負(fù)荷特性，分為沖擊性強(qiáng)的工業(yè)客戶和低（或無）沖擊性的普通客戶。

沖擊性強(qiáng)的工業(yè)客戶對(duì)無功的需求是瞬時(shí)的、非穩(wěn)定的，推薦使用SVG＋TSC，快速補(bǔ)償容量為150 kvar、240 kvar，相比純SVG，在成本上得到了良好的控制。對(duì)于低（或無）沖擊性的普通客戶，由于對(duì)無功的需求量不大，而且具有一定的持續(xù)性、規(guī)律性，推薦使用TSC、MSC無功補(bǔ)償裝置，既能滿足無功補(bǔ)償?shù)男枨笥帜芄?jié)約成本，安裝維護(hù)也較為方便。

2）箱變客戶 一般為大型新建住宅區(qū)、商務(wù)樓宇、大型商場等，其負(fù)荷特點(diǎn)是對(duì)無功需求量并不是很大，故推薦小容量的混合補(bǔ)償裝置SVG＋TSC或SVG＋MSC，補(bǔ)償容量為45 kvar、75 kvar或90 kvar。此補(bǔ)償裝置投入成本相對(duì)較低，補(bǔ)償效果良好。

3.3 應(yīng)用效果

三林港水閘變壓器容量為100 k VA，最高負(fù)載率為35%，專門為水閘供電，負(fù)荷變大后功率因數(shù)降到0.5左右，考慮到該臺(tái)區(qū)最大負(fù)荷月的平均有功功率，確定加裝混合型無功補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償容量為20 kvar。

表1為1天24個(gè)點(diǎn)的各參數(shù)平均數(shù)額，通過無功補(bǔ)償前后數(shù)據(jù)對(duì)比，可以看出進(jìn)行無功補(bǔ)償后，三相功率因數(shù)每相都達(dá)到0.97以上，功率因數(shù)明顯提高，并且諧波畸變率得到了顯著的降低，保障了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語

針對(duì)電網(wǎng)無功需求的增長，合理地選擇無功補(bǔ)償裝置，不但能提高設(shè)備運(yùn)行效率，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性，減少電能損耗，而且還能降低設(shè)備的投入成本。在中低壓配電網(wǎng)中，混合型無功補(bǔ)償裝置SVG＋TSC（MSC）可以實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)荷進(jìn)行分級(jí)、快速連續(xù)的無功功率補(bǔ)償，在快速高效和低成本中間找到了平衡，是中低壓配電網(wǎng)的一種理想的無功補(bǔ)償裝置方案。