无功补偿自动控制中电力电子技术的运用

摘要：在电力系统应用中，使用无功补偿技术能够显著提高供电效率、降低用电损耗。在一些结构复杂、规模较大的电力系统中，推广使用无功补偿自动控制装置，可以实现对电力系统运行功耗的实时监测，并利用机械式接触器、无触点晶闸管等电力电子设备，实现对电压、电流以及投切方式的灵活调控，在保证电力系统稳定运行的前提下，将电能消耗降至最低。本文首先介绍了电力系统中常见的几种无功补偿自动控制装置，如无功补偿同步调相机、静止无功补偿装置、无功补偿电力容器等。随后概述了利用无触点晶闸管、复合开关等电力电子技术实现无功补偿自动控制的方式，为更好发挥无功补偿实用效果提供了借鉴。

关键词：无功补偿;电力电子技术;无触点晶闸管;复合开关

根据电能做功形式的不同，将电网输出功率分为两种：电能转化为热能、机械能并直接做功的，属于有功功率;电能转化后无法直接做功的，属于无功功率。如果电网的无功功率太大，除了会造成电能的浪费外，还会对电网中各类电气设备造成损害，缩短其寿命。因此，必须要采取措施进行无功功率补偿。将电力电子技术与无功补偿装置相结合，能够实现对电网运行工况的实时监测，并结合无功功率的大小自动确定最佳补偿状态，使电力系统运行的经济性和稳定性达到最佳。在这一背景下，探究电力电子技术在无功补偿自动控制中的应用策略，对进一步提高无功补偿效果、改善供电环境有积极帮助。

1.电力系统中无功补偿自动控制装置

在电力系统运行过程中，受到变压器载荷变化、供电电压波动等因素的影响，无功功率也会在一定范围内波动变化。为了取得最佳的无功补偿效果，切实降低无功功率对电力系统中发电机、输变电设备和线路的负面影响，必须要借助于自动控制装置，实现无功补偿的自动化。其中，像静止无功补偿装置、无功补偿电力容器等，都是比较常用的无功补偿自动控制装置。

1.1无功补偿同步调相机

同步调相机本质上是一种可以同步旋转的发电机。接入电力系统并正常运行的同步调相机，能够在监测到电力系统中电压降低时，自动增加无功输出功率;同样的，在监测到电力系统的电压升高时，又能吸收无功输出功率。提供灵活的无功补偿，以维持电压始终处于相对恒定的状态，达到保障电力系统稳定运行的效果。除此之外，相比于常规的无功补偿装置，同步调相机也有自己的特殊优势。例如补偿范围广、跟踪速度快、电压调整平滑等。在一些装机容量超过10MVA的变电站、换流站，同步调相机的应用效果良好。当然，同步调相机也存在缺陷，例如结构组成较为复杂，后期运行维护难度较大。近年来，随着SVC（静止无功补偿器）的大范围推广，同步调相机逐步被取代。

1.2静止无功补偿装置

作为现阶段主流的无功补偿自动控制装置，静止无功补偿器在各类电力系统中均有使用，既可以用于无功补偿，也能提供电压补偿。除了稳定电力系统的电压外，安装静止无功补偿器还会具有提高系统阻尼与维护暂态稳定等特殊效用。根据电抗器调节方式的不同，具体又可以分为三种类型，即可控饱和电抗器型、自饱和电抗器型、相控电抗器型。相比于常规的电力容器，静止无功补偿器在电力系统中的应用优势主要体现为：第一，调节速度快，尤其是在电力系统出现严重的欠电压或过电压时，几乎可以做到即时响应、立刻动作，提供无功补偿使电压尽快恢复至正常水平，从而减少对电力设备的损害;第二，组成结构简单，后期维护难度低。静止无功补偿器内部没有旋转部件，因此故障率和维护成本较低。此外，该装置也有一定的缺陷，例如在无功补偿过程中有可能产生谐波，需要在电力系统中额外采取谐波抑制措施，否则可能会对电力系统造成污染。

1.3无功补偿电力容器

电力补偿电容器是一种较早应用于无功补偿的装置，但是随着电力系统结构的复杂化、电力设备种类的多样化，电力补偿电容器的应用弊端也变得较为明显。例如，该装置不支持持续性调节，因此补偿效率不高;还有就是电力补偿电容器只支持交流接触器投切，频繁投切会加速触头振动、发生起弧现象，严重时还会导致无功补偿装置被烧毁，增加了维护成本。随着电力电子技术的成熟发展，近年来智能无功补偿电容器开始得到推广使用。该装置集合了现代测控、电力电子、人工智能等若干先进技术，具有体积小巧、功耗更低、补偿效果更好、检修维护方便等一系列优势。相比于常规的电力补偿電容器，新一代的智能无功补偿电容器工作环境温度范围扩大至-25～55℃;测量精度方面，电压、电流测量精度≤0.5%，功率因数测量精度≤±0.01;工作期间电压总畸变≤5%。

2.无功补偿自动控制中电力电子技术的应用

2.1利用机械式接触器实现无功补偿自动控制

在电力系统中实现无功补偿自动控制，需要将无功补偿装置与开关设备以并联形式连接。由于电流输入装置的初始电压为零，当无功补偿装置动作、控制开关闭合时，电力系统中的电压会快速升高，电网中涌入瞬时大电流。这种电流会增加电力设备的运行负载，严重时还会导致电力设备被烧坏。为了保护电力系统中的各类电器元件，必须要安装机械式接触器。该装置有铁芯、弹簧、线圈等组成，当监测到电力系统中电压过快升高时，机械式接触器的铁芯通电，并在电磁场作用下产生磁力、吸合线圈，电路中电阻增大，达到降低瞬时大电流冲击影响，进而稳定电压、降低能耗的效果。另外，机械式接触器还可以抑制电容器投切时产生的涌流，保护电路系统中的开关、互感器等设备不受损害，保证了无功补偿自动控制功能的实现。

2.2利用无触点晶闸管实现无功补偿自动控制

在一些投入使用年限较长的无功补偿电容器中，长期、频繁地合闸会导致接触器的触头处保护层脱落，即便是合闸以后也无法正常发挥调解电压的效果，此时电容器中产生较大的涌流，导致电容器发生故障。要想避免此类问题，一种方法是定期检查接触器的触头，如果发现有损坏要立即更换。另一种方法则是借助于电力电子技术，把无触点晶闸管安装到电力系统中，与无功补偿自动控制装置并联。在监测到无功补偿电容器的运行电压超过或低于正常范围时，自动投切进行电压调节;如果电容器的电压为零，则无触点晶闸管断开，形成断路。这样就防止在电容器合闸时出现涌流、烧毁装置的情况。需要注意的是，无触点晶闸管投入使用后，自身也会产生一定的谐波电流，进而因为电流热效应引起电力设备升温，因此还应配备排风扇加快热量散失，保护电力设备。

2.3利用复合开关实现无功补偿自动控制

基于电力电子技术的复合开关，使用微机控制，可以在电力系统无功补偿自动控制中，自动寻找最佳投切点，以更快的速度完成电压调节，实现无功补偿目的。在应用效果上，复合开关与无触点晶闸管有较高的相似性，此外还具有特定的优势：（1）复合开关在无功补偿自动控制中，不会产生谐波电流，从而避免了因为发热而导致电力设备烧毁的情况。同样的，不需要在电力系统中额外安装散热装置，系统结构简单，后期维护方便。（2）可提供多重保护功能，例如电压缺相保护、欠压保护、自诊断故障保护等。微机在实时采集电力系统中各类元件运行参数的基础上，判断有无异常数据。若发现异常数据并判断故障类型后，复合开关拒绝闭合或自动断开，从而保护电力系统。除此之外，复合开关的使用寿命更长，功耗更低，在很多场合下可代替无触点晶闸管使用。

结语：在电网覆盖范围增加、电力设备数量增多的背景下，电力系统运行过程中无功功率也呈现出上升趋势，造成了电能的浪费，影响供电的质量。因此，电力企业必须要采取无功补偿措施来增加电网运行功率、改善电能质量，满足电力用户的用电需求。无功补偿自动控制装置可以实现快速、灵活调节。在此基础上，将电力电子技术应用到无功补偿装置中，在进一步提高无功补偿效果的同时，还能延长无功补偿装置的使用寿命，对保障电力系统稳定运行和维护电力企业的综合效益也有积极帮助。

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作者简介：王荣华（1978.12—），男，籍贯：云南祥云，高级工程师，职务：研发总监，研究方向：电力電子技术、电机系统、数字电源、光伏逆变、变频器、电焊机等。