智能电网无功补偿分级投切的仿真研究

欧 志 新

(安徽交通职业技术学院 城市轨道交通与信息工程系，合肥 230051)

0 前 言

城市电力系统供电负荷的自然功率因子普遍较低，一般为0.5～0.7。电力系统电网容量有限，负荷线路用电载荷的大小不同，这对线路远距离传输和用电负荷的安全稳定工作提出了较高的技术要求[1]。为了确保从发电端到用电端电网运行设备参数实时在线可控，必须在电能传输环节增加一套智能无功补偿装置，自动补偿线路传输中的电能损耗，在电网受到干扰时实时监测线路和负荷设备运行状况。

电力系统负荷电能损耗的大小与电源侧母线功率补偿参数相关，电网运行中电能损耗过大会造成变电所电气设备运行不稳定，在用电负荷端安装并联无功补偿装置，能够提高供电电压质量、减少电能损耗等[2]。在智能电网中加装无功补偿装置的目的是提高电网的功率因子，降低电力变压器和输电线路的损耗，提高供电效率，改善和控制供电系统容量等。

智能电网具备电路故障预警和自保护功能，能自动检测电气设备的运行状态，有效地抑制供电系统电压波动及谐波造成的过电流，以确保电网安全稳定运行和各项设备参数指标正常。如果电力系统出现补偿不足或者过补偿的现象，则会影响线路运行的稳定性。智能电网的发电总容量取决于负荷运量额定参数的设定，设计与控制总容量的目的是有效调节负荷高峰周期误差带来的波动。

1 传统无功补偿的特点

传统无功补偿系统主要包括SVC静态无功补偿和基于晶体管的TSC动态无功补偿等两种方式。传统无功补偿的特点是根据补偿电路结构与用电负荷的电能变化，判断需要补偿的电能量，并进行人工干预操作和补偿电能计算。由于动态负荷电能的变化影响着电力负荷运行的可靠性，所以在电能传输和电压等级变换过程中，为了避免电网供电并列解体造成大面积供电中断，可以通过控制电能损耗和提高无功补偿因子来稳定电压。

在TSC动态无功补偿电路中加装LC电路结构(见图1)，其特点是在动态负荷变化过程中，电抗器和并联电容器能及时提高电压损耗和抑制波动区间。TSC晶体管组能预防操作过电压，使计算负荷用电量和采集、识别补偿数据的精确度更高。传统无功补偿对于动态变化的负荷或电网母线故障检测的补偿效果不明显，需要将电容器组并联在分段母线上来提供电能，以防止出现反向击穿晶体管组和损坏电容器等情况。

图1 TSC晶体管组加装LC电路结构

在TSC动态无功补偿电路中加装LC电路结构，可以通过电容器的接入或断开来补偿电阻消耗的能量。串联的电感可以抑制高次谐波，稳定供电质量。当电容器投入时，电压-电流特性就是其伏安特性，它向系统提供恒定容性无功功率，具有滤除谐波的作用。

电力系统负荷电能供应的增加主要考虑的是功率和谐波，可以通过容性阻抗与感性补偿装置的结合来提高负荷用电设备的功率因子。这既满足了损耗补偿的需求，又可以防止瞬时过电流，进而提升了电网的供电质量及稳定性。

2 智能无功补偿的原理与电流计算

相较于TSC动态无功补偿装置和SVC静态无功补偿装置，智能无功补偿装置可以通过补偿电路控制器来自动调节功率因子，投切电容器组进行稳压。智能无功补偿装置的核心是通过对电抗器的智能调整，达到对补偿电容器的连续调整，进而产生连续可调的无功功率。无功补偿装置是将可控电抗器与电容器并联使用，将功率因子控制在设定值范围内，若功率因子在0.9以上则自动补偿切换。智能无功补偿系统主要包括并联电容无功补偿和并联电抗无功补偿等两种结构。

2.1 并联电容无功补偿

并联电容无功补偿结构如图2所示。传输线路电压损失ΔU如式(1)所示：

图2 并联电容无功补偿结构

ΔU=ES-EX=(PR+QX)/U

(1)

式中：ΔU——电压损耗差，即输入电压与线路传输电压的损耗值；

ES——输入电能容量；

EX——补偿前负荷用电容量；

PR——电阻有功功率；

QX——输入端无功功率；

U——额定电压。

可以得出，电压损失的影响因素包括有功功率、无功功率、电阻和电抗，则：

ΔU=ES-EX

=PR+[Q(X-XC)]/U

(2)

式中：Q——无功功率；

X——感性阻抗；

XC——补偿阻抗值。

(3)

(4)

由式(3)、式(4)解得：

UC=Um-(U0-Um)cosω0t

当断路器闭合前U0=0时，ω0t=π，则UC=2Um；当断路器闭合前U0=-Um时，ωot=0，则UC=3Um。

容性充电电流流过线路串联电感引起的暂时过电压检测不稳定，导致出现无功补偿输电线路的受电端电压总是高于送电端电压的现象。无功补偿的电能损耗与负荷用电量相关，其目的是提高功率因子，增强供电电压，保证用电负荷容量的稳定性。要避免出现过电压和过电流，防止谐波产生的过电流侵入无功补偿装置，进而影响电容器组的补偿效果。

2.2 并联电抗无功补偿

并联电抗无功补偿结构如图3所示。随着电网容量增大，电缆使用较多，电缆的充电功率增大。当系统负荷较小时，容性无功功率得不到平衡，导致线路电压升高，系统损耗增加[6]。

图3 并联电抗无功补偿结构

计算输入电能到输出负荷电能的中间损耗能量I：

Bsin(ωt+φ+ψ)

(5)

其中，

(6)

式中：θ——电容与电感数值乘积的倒数；

δ——电阻与电感值的比值；

ψ——开关控制量的有效触发角度；

A——输入补偿电能计量控制范围；

B——输出补偿电能计量控制范围。

(7)

涌流峰值为：

(8)

式中：SS——电容器在外的母线短路容量；

Im——电流峰值；

SC——电容器的额定容量。

涌流倍数为：

(9)

由此可见，系统短路容量越大，涌流越大。

因此，必须进行感性无功补偿，使用并联电抗器代替并联电容器，以降低电路电压，减少系统损耗，提高系统电能质量。TSC动态无功补偿谐波干扰曲线(见图4)表示晶体管补偿在涌流峰值下过电压的限定范围。

图4 TSC动态无功补偿谐波干扰曲线

牵引变电所采用的并联电容器补偿装置不能智能跟随负载变化，导致出现欠补偿和过补偿现象[7]。电容器组和电抗器选择补偿的时机和参数不对，观测供电波形会发生波形畸变出现锯齿形，电流波形比电压波形更明显。其中，无功电源的分布、无功电力的传输及无功电力的管理，直接影响着电网的运行[8]。晶体管组在补偿电容提高功率因子后，降低了电压损失，提高了电压质量。

3 晶体管分级投切装置结构与原理

作为无触点开关投切电容器的快速智能无功补偿系统，晶体管基于对牵引网无功功率等电气量的实时监测，智能补偿功率因子及抑制谐波[9]。补偿方式为自动跟踪投切式，将总补偿容量分为若干组，自动根据负荷的变化快速投入必要的补偿量。智能无功补偿分级投切装置由补偿电路、数据采集电路和微机控制电路等3个部分组成(见图5)[10]。

图5 智能无功补偿分级投切结构

(1)考虑到继电保护设备的可靠性，将晶体管开关置于电容器和电抗器之间，补偿电路电气设备的连接顺序依次为电源母线、断路器、电抗器、晶体管开关、电容器和接地线。

(2)实时监控上位机的作用是便于操作人员随时监控系统参数收集处理与稳定补偿的状态[11]。基于计算结果进行智能调整，控制无功功率输出的大小，使功率因子达到规定要求。

智能自动投切无功补偿的作用在于：根据微机控制界面运行曲线的波动和参数误差的变化情况，判断是否需要对负荷电能进行计算和投入补偿，不需要人工干预调节。一旦补偿电能满足负荷的正常运行，补偿回路会自动切除电容器组和电抗器，以防止补偿电能过量。

数据采集电路中，利用互感器获取与分析原始参数(包括电流有效值、电压有效值、无功功率、有功功率、电流峰值和功率因子等)，对采集的模拟量进行数字量转换，分析波形变化与传输通道，再通过补偿电路进行计算并将结果反馈至微机控制回路显示。

4 TSC晶体管投切与SVC仿真的比较

SVC静态补偿装置的最大缺点是计算与反馈缓慢，且误差无法修正，易造成母线过补偿线路与电压损耗过大。

TSC动态智能补偿的特点在于：在互感器采集数据的基础上，若出现过电流和过电压，则在电源侧安装保护单元。在智能无功补偿分级投切装置中补偿电路，通过断路器与继电保护装置快速切断电路，以防止事故扩大，造成主接线与负荷母线停电，负荷用电量出现谐波干扰，电网系统出现损耗增大、供电电压质量不高、功率因子补偿过低等情况。用电负荷根据不同数量的电容器进行自动投切补偿，晶体管触发电路选择合适的补偿电路对负荷进行电能补偿。

比较TSC静态补偿方法和并联补偿电容器组在补偿电路中功率因子对电能补偿效果。晶体管分级投切无功补偿装置曲线，如图6所示。控制开关接通电路处于导通状态，电容器补偿负荷电能时会出现波动区间，但在电抗器的作用下，波动会迅速回到设定值范围内。此时，电能补偿并触发晶体管电流防护过程已完成，不会产生开关分断电路过电压和短路过电流等情况。

图6 晶体管分级投切无功补偿装置曲线

SVC静态无功补偿满足负荷电能随着电网输入参数的变化而不断变化的要求，在母线侧加装并联电容器组，根据支路负荷用电量的波动情况，自动投切电容器组。一旦负荷的波动范围超出了设定的误差区间，就会自动选择合适的电容器组进行无功补偿，从而提高功率因子。

3种无功补偿装置投切功率曲线如图7所示。波动和误差的取值设定根据电抗器的阻抗值和电容器组的投切进行计算。当出现负荷电能需要补偿时，基于自动投切晶体管方式的智能补偿电路既能自动检测与反馈运行曲线和负荷参数，并自动投入补偿器，又能在补偿电能达到要求后，自动切除补偿电容器组。

图7 3种无功补偿装置投切功率曲线

其中，TSC动态无功补偿的特点是负荷用电量固定，负荷波动范围小、变化时间短，误差可控且具有连续性。SVC动态负荷的无功补偿在波动性能和误差控制方面的稳定性差，可以加入人工干预装置手动切除持续快速变化的负荷电量，以保证误差在正常范围内。晶体管组的智能投切补偿装置具有鲁棒性和低延迟性等优点，将采样电路参数传输至补偿回路，自动存储和计算负荷的电能损耗和需要补偿的功率因子，根据负荷用电量的上位机监控系统，准确地选择电抗、阻抗和电容器组，并将其投入到补偿电路中，以补偿其波动和误差。

5 结 语

并联电容补偿系统采用智能投切方式来实现无功补偿量快速无冲击的投入和切除，有利于电网安全稳定运行。并联电容器组的晶体管分级投切补偿的意义在于合理选择补偿设备，这既满足了供电负荷的有效用电量，又实现了供电线路的安全稳定。智能电网在电能传输和补偿负荷用电需求等方面，具有电流稳定和电能容量可控的功能。传统负荷补偿电路设计采用的是电容器组和电抗器相结合的模式，电能波动小且能满足损耗补偿的需求，但容易受到采集参数变化的影响而无法快速控制电流，有造成干扰和谐波电网解体的危险。因此，必须快速诊断和切除故障点，更换供电方式，以确保用电负荷的最短停电时间和最少电能损耗。