无功补偿技术在电气自动化中的应用

胡定友

摘 要：随着科技水平的发展以及人民生活水平的提高，无论是生产企业还是居民用户，对电力能源的需求也越来越多，质量也越来越精。传统电网中，由于在最初建设时，并未考虑到电网后期会注入或吸收大量的感性或容性无功，因此现如今电网功率因素较之前低，且电压稳定性较差，频率出现偏差等。文章首先介绍了无功补偿的意义，介绍了几种无功补偿的方法，分析了新型的无功补偿装置SVG的应用机理。

关键词：无功补偿；电气自动化；SVG

中图分类号：TM92 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）32-0047-02

1 无功补偿意义

随着我国经济水平的高速发展以及人民用电需求的日益增长，电力能源的应用逐渐趋向于电气自动化了，近年来，电气自动化已经应用在更多的领域了。电气自动化的发展的技术要求，对电能质量的要求相比于传统的用电设施，要严格的多。其首要条件就是要满足电压波动和频率波动要求，必须在正常工作的范围内，才会对设备影响很小，才适合长期稳定工作。因此就需要调节电网的无功，无功平衡带来的就是电压的稳定，一些常用的方法比如并联电容器、电抗器等无功电源，从而使功率因素得到提高，效率得到改善。结合电力滤波器的使用，无功补偿在电气自动化系统中起着至关重要的作用，提高功率因数的同时，降低了损耗，提高了用电效率，为用户和供电企业减少了经济损失。

无功补偿技术主要是对电网电压进行控制。通过对工作电压进行采样，结合一些控制方法比如电压矢量控制，SPWM控制等方法，控制电容器的投入与切除，从而控制无功的补偿，在经过滤波，使电能质量改善到技术要求的范围内，用电设备可以高效运行。

电网中无功的多少与电压有着明显的关系。输电线路的容升效应就是由于在输电过程中对地导纳的原因，使得对地电容对输电网中注入无功，这样就造成输电线路末端电压高出首端，若偏离值高于10%，则造成用电设备不能正常使用，严重时会损坏设备。电网电压会不稳定，严重时造成大电网停电，电网崩溃，造成的损失和影响是不可估量的。因此无功补偿在电气自动化领域，有着极其重要的意义。

2 无功补偿常见装置和技术

2.1 常见的无功补偿方式

在电力系统中，可以通过多种方法进行无功补偿，最常见的三种方式是：就地补偿，分散补偿，集中补偿。补偿方式没有优劣与先进之分，需要根据实际情况确定合适的补偿方式。就地补偿：由于电网中因为接入大量的感应电机从而使得无功缺少或者电压降低，因此就地补偿就是在异步电动机或者一些感性的电气自动化设备附件加入无功补偿装置，并联电容，对该点注入无功。这种方式对小型电动机等设备比较有优势。不但补偿了无功，还提高了电动机的功率因数，改善了电动机机端的电压，工作更稳定，对生产企业大有优势。分散补偿就是在电气自动化设备区域内，隔一段距离布置一个无功补偿装置，其特点是容量比较小，但是数量比较多，优点是可以使整体的电压电能质量得到改善，调节无功时也基本可以做到连续调节，即使有一个补偿装置发生故障，对整体的补偿效果影响不是很大，可靠性系数高。缺点是比较分散，控制成本比较高，同时需要的人力成本也相对较高。集中补偿在电网中选取一点，一般选择在变电所的母线上，实现在源头处注入无功，从而实现对所以设备的补偿。这种方式比较简单，无论是感应电机处，还是一般照明负荷，补偿效果都是均等的，只是需要接入的无功补偿装置容量要比较大，为系统留有一定的裕量。缺点是对无功需求量大的电气设备，不能给予足够的补偿，因此对敏感负荷要求高的电能质量比较难满足，另外，灵活性较低。

2.2 常见的无功补偿装置

无功补偿目的就是向电网注入无功功率，从而保证电网中的功率、电压平衡，电气自动化技术得以成功施展。常见的补偿装置有以下几种：电容器，电抗器，同步调相机，静止无功补偿器（SVC），静止无功发生器（SVG）。本文，我们谈到的无功，不做特殊说明时，一般指的是感性无功。因此感应电动机是消耗无功的电气设备。

电容器与感应电机正好相反，是发出无功的设备，因此可以当做是无功发生源。因此电容器只有在系统中无功缺失的情况下工作，在无功过剩时则不会起到作用（由于电气自动化系统中包含大量的感应电动机，因此一般电网基本都工作在无功缺失的状态），所以电容器是最常见的无功补偿装置。

电抗器与感应电机类似，与电容器相反，是吸收无功的，相当于补偿负的无功，因此电抗器只有在系统中无功过剩的情况下进行工作，由于电网中一般很少出现无功过剩（在输电线路空载时由于容升效应会出现无功过程，末端升高），因此纯粹的电抗器在无功补偿中使用很少。

同步调相机是一个同步发电机，调整其输出电压的相位，从而使得调相机不向电网注入有功，只注入无功，调相机是早期的补偿无功常见的设备。

静止无功补偿器（SVC）内部主要元件是电容器或者电容器和电抗器结合，在加上电力电子开关器件，通过控制开关的导通以及占空比，从而控制无功的补偿大小。SVC目前常见的有以下几种形式：晶闸管控制电抗器型（TCR），可发可吸收无功功率；晶闸管开关电容器型（TSC）只能发出无功功率；饱和电抗器型（SR）可发可吸收无功功率。静止无功补偿器是在近十几年由于电力电子开关器件的发展，变得越来越受到人们的关注，的特点是利用开关器件的快速开通关断以及高频率，可以做到无功的连续调节，这一点是非常重要的，这也是将来无功补偿装置的发展趋势。

静止无功发生器SVG是这几年关注度最高的无功补偿装置，本文将在下一节对SVG进行深入的说明。

3 电气自动化中应用中SVG的优点

随着电力电子技术的进一步发展，一种更为先进的静止型无功补偿装置出现了，即静止无功发生器SVG。SVG的产生使得无功补偿技术进入了一个新的时代，与上文提到的SVC相比，SVG有着以下明显的优势。

3.1 运行范围

SVC和SVG的工作原理都属于变阻抗型的补偿装置，都是通过控制晶闸管的触发占空比，以达到补偿不同无功功率的目的。但SVC补偿装置的补偿容量与电网电压成正比关系。而SVG则是基于变流器的补偿装置，其相当于一个电压源型逆变器，通过调整其变流器交流侧电压的幅值和相位，可保持最大无功电流不变，因而在运行范围比SVC有更大的空间。

3.2 谐波抑制

SVC是电容通过晶闸管的开通和关断并联到线路中，因此本身就是一个谐波源，其运行时会产生高次谐波，因此需要额外的接入有源电力滤波器。而SVG装置为电源型逆变装置，接入系统不会改变阻抗特性，并且调整逆变侧输出的电压相位及幅值可抑制相应的谐波。

3.3 补偿功能

除了补偿无功功率之外，SVG还具补偿电力系统中不平衡负载情况下负序电流的功能。当三相电力系统中出现负载不平衡时，在系统中将出现负序电流，SVG可以通过改变控制进而改善补偿处理， SVC是不具备这些功能的。

3.4 响应速度

SVC装置一般采用半控型的器件，其信号延迟时间比较长，再加上SVC本身的过渡过程，整个装置响应延迟可达 50～60 ms。而SVG一般都采用的是全控型器件IGBT，其传输延迟非常小，一般仅为SVC的一半左右。

3.5 成 本

虽然SVG 要使用数量较多的大容量全控型功率元件，其价格比目前SVC使用的普通晶闸管高一些。但是随着SVG的广泛应用，以及高功率开关器件制造技术和控制技术的不断成熟，其价格必然下降。

综上所述，若在电气自动化中进行连续的实时无功补偿，SVG要比SVC在诸多方面都具有明显的技术优势，因此在电气自动化无功补偿的研究中，非常有必要对SVG的关键技术进行深入研究，提高其对动态负荷的补偿效果和运行的安全可靠性，降低动态无功补偿的成本，这一工作在实际应用中有非常重大的意义。

4 总 结

本文通过简单介绍电气自动化中无功补偿的意义，在此基础上，对常见的几种无功补偿方式进行简单说明，并提出其不同适应的适应场合，在电气自动化中可以作为参考。接着对目前常见的无功补偿装置的种类进行介绍，透彻地分析了无功补偿的原理，从基本的电容器电抗器出发进行分析。最后结合近些年电力电子技术的发展，对新型的SVC以及SVG补偿装置的优势和劣势进行比较，提出SVG的在电气自动化中的研究意义和应用价值。综上所述，本文提出的观点和思想，不管是对工程应用还是理论研究，都有极大的指导作用。

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