張霞

【摘 要】根據(jù)控制物理量選擇的不同，TSC所采取的控制方法也多種多樣。較為合理的補(bǔ)償裝置應(yīng)最大限度提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，且不發(fā)生過(guò)補(bǔ)償，無(wú)投切振蕩，無(wú)沖擊投切，控制過(guò)程反應(yīng)靈敏、迅速。按照控制物理量的不同無(wú)功補(bǔ)償裝置分為：無(wú)功功率補(bǔ)償、無(wú)功電流補(bǔ)償、功率因數(shù)補(bǔ)償及綜合型補(bǔ)償。

【關(guān)鍵詞】配電系統(tǒng);電能質(zhì)量;半控器件;無(wú)功補(bǔ)償;功率因數(shù);電壓控制;技術(shù)先進(jìn);經(jīng)濟(jì)合理

0 引言

電力系統(tǒng)由發(fā)電系統(tǒng)、輸電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)和用電系統(tǒng)四大部分構(gòu)成，由于電能不能大量存儲(chǔ)，所以發(fā)電、輸電、配電和用電必須同時(shí)進(jìn)行，即電力系統(tǒng)必須保持平衡。然而來(lái)自電力線路、電力變壓器以及用電設(shè)備的無(wú)功負(fù)載大量存在，使電力系統(tǒng)的功率因數(shù)降低。

電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)元件的阻抗主要是感性的，因此在實(shí)際電力系統(tǒng)中，包括異步電動(dòng)機(jī)在內(nèi)的絕大多數(shù)電氣設(shè)備的等效電路可看作電阻 R 和電感 L 的串聯(lián)電路。網(wǎng)絡(luò)元件和大多數(shù)用電設(shè)備工作時(shí)將消耗無(wú)功功率。這些無(wú)功功率必須從網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)地方獲得。合理的方法是在需要消耗無(wú)功功率的地方產(chǎn)生無(wú)功功率，這就是無(wú)功補(bǔ)償。

1 單一物理量的控制方式

時(shí)間控制法是最常用的控制方式之一，這種方法根據(jù)電網(wǎng)中用電設(shè)備24小時(shí)無(wú)功功率變化情況，繪出全天無(wú)功變化負(fù)荷曲線，由無(wú)功變化的時(shí)間規(guī)律決定定時(shí)投入或切除一定容量的補(bǔ)償電容。例如主要負(fù)荷在上午8點(diǎn)投入運(yùn)行，到下午5點(diǎn)退出運(yùn)行，而這期間負(fù)荷變化不大，調(diào)整策略可整定為上午8點(diǎn)投入電容器組，下午5點(diǎn)切除。

顯然這種控制方式簡(jiǎn)單，但只適用于負(fù)荷穩(wěn)定且變化規(guī)律一定、功率因數(shù)變化不大的場(chǎng)合。

無(wú)功電流控制方式是把負(fù)荷無(wú)功電流作為控制變量進(jìn)行電容投切調(diào)節(jié)的一種控制策略。假設(shè)電網(wǎng)無(wú)功缺額為ΔQ，電網(wǎng)線電壓為U，其額定值為UN，線電流分量為IQ，則：

ΔQ=U·I·■=U·I■·■

令實(shí)際運(yùn)行電壓U與額定電壓UN之比為k則：

I■=ΔQk·U■·■

當(dāng)電容器組為星型聯(lián)結(jié)時(shí)：

ΔQ=ω·C·（k·U■）■

為補(bǔ)償無(wú)功電流IQ應(yīng)投入電容器組的容量為：

C=■·I■k·ω·U■

當(dāng)電容器組為三角型聯(lián)結(jié)時(shí)：

ΔQ=3ω·C·（k·U■）■

應(yīng)投入的電容器組的容量為：

C=I■k·ω·U■·■

依據(jù)無(wú)功電流分量的大小控制調(diào)節(jié)電容器組，使電容器提供的容性電流補(bǔ)償電網(wǎng)中的感性電流，補(bǔ)償效果更精確。這種控制方式比較理想，補(bǔ)償效果很直觀，但無(wú)功電流的快速、精準(zhǔn)檢測(cè)有一定難度。

電壓控制方式是檢測(cè)電網(wǎng)電壓信號(hào)，當(dāng)電網(wǎng)電壓降至某給定值的下限時(shí)檢測(cè)裝置發(fā)出信號(hào)，控制電容器組投入運(yùn)行，當(dāng)電網(wǎng)電壓超出某給定值的上限時(shí)，切除電容器組。電壓控制方式以保證安裝點(diǎn)電壓在一定范圍內(nèi)為目的，多用于電業(yè)部門集中負(fù)荷點(diǎn)的電壓調(diào)整。

早期無(wú)功補(bǔ)償?shù)目刂品绞绞且怨β室驍?shù)作為控制變量，通過(guò)檢測(cè)負(fù)荷的功率因數(shù)或者功率因數(shù)角，再經(jīng)過(guò)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的處理，由執(zhí)行元件實(shí)現(xiàn)對(duì)電容器組的投切，維持功率因數(shù)處于最佳値，若cosφ1cosφ2為功率因數(shù)的上次限，被控量應(yīng)在cosφ1

這種控制方式存在兩大缺點(diǎn)，一是當(dāng)負(fù)荷輕載時(shí)，可能產(chǎn)生投切振蕩。如圖1所示，按功率因數(shù)投切電容器組，其穩(wěn)定區(qū)域收斂于原點(diǎn)0，當(dāng)負(fù)荷減小時(shí)，存在一區(qū)域如S1點(diǎn)所處區(qū)，此時(shí)若投入一組電容器，系統(tǒng)功率因數(shù)補(bǔ)償至S2點(diǎn)處，系統(tǒng)處于過(guò)補(bǔ)償狀態(tài)，自動(dòng)裝置馬上切除電容器組，這時(shí)系統(tǒng)又回到S1點(diǎn)處，這樣系統(tǒng)投切重復(fù)往返，形成“投切振蕩”。這種振蕩對(duì)電容器、TSC投切裝置的壽命及電網(wǎng)電壓質(zhì)量產(chǎn)生不良影響。

圖1 功率因數(shù)控制方式穩(wěn)定性

其二缺點(diǎn)是當(dāng)負(fù)荷很重時(shí)，功率因數(shù)或功率因數(shù)角的微小變化能引起無(wú)功補(bǔ)償量需求的巨大變化。若系統(tǒng)采樣數(shù)據(jù)A/D轉(zhuǎn)換的精度不高，或采樣時(shí)間間隔不準(zhǔn)確，則計(jì)算出的功率因數(shù)波動(dòng)較大，從而可能導(dǎo)致電容器組的頻繁誤投切。

無(wú)功功率控制方式就是直接把系統(tǒng)的無(wú)功作為被控物理量來(lái)控制電容器組的投切。它的控制原理是根據(jù)檢測(cè)到的電網(wǎng)電壓、電流、功率因數(shù)，計(jì)算出應(yīng)投入的電容容量，在電容器分組方式中選出最接近補(bǔ)償量但不會(huì)發(fā)生過(guò)補(bǔ)償?shù)囊唤M電容器投切，投切一次到位。若計(jì)算值小于最小一組電容器的容量，則系統(tǒng)應(yīng)保持原補(bǔ)償狀態(tài)不變。只有當(dāng)所需容量大于或等于下限値時(shí)，才執(zhí)行相應(yīng)的投切。

采用無(wú)功功率補(bǔ)償方式在設(shè)置補(bǔ)償范圍時(shí)，應(yīng)合理設(shè)置補(bǔ)償目標(biāo)上下限，即上下限的范圍應(yīng)大于基本電容器組的容量。若設(shè)置不當(dāng)將會(huì)產(chǎn)生“投切振蕩”。如圖2（a）所示，電網(wǎng)實(shí)際無(wú)功缺額在切區(qū)S1處，系統(tǒng)指令切除一組電容器后，電網(wǎng)實(shí)際無(wú)功缺額落在投區(qū)S2處，隨即系統(tǒng)又投入一組電容器，這樣循環(huán)往復(fù)，形成投切振蕩。圖2（b）所示電網(wǎng)從切區(qū)S1處切除一組電容器后落在穩(wěn)定區(qū)S2點(diǎn)處，則系統(tǒng)不再發(fā)生投切振蕩。

（a） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （b）

圖2 無(wú)功功率補(bǔ)償上下限設(shè)置示意圖

2 TSC綜合控制方式及其策略

對(duì)單一物理量進(jìn)行控制，有其不足之處。如把功率因數(shù)作為投切電容器的唯一判據(jù)，不能滿足實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行的需要，當(dāng)負(fù)荷低谷時(shí)，有功功率和無(wú)功功率都很小，功率因數(shù)也很低，常有投切振蕩發(fā)生，影響設(shè)備的安全使用壽命。

若系統(tǒng)以某一物理量作為控制主判據(jù)，另一物理量作為輔助判據(jù)，實(shí)現(xiàn)多變量的綜合控制。如按功率因數(shù)控制，電壓校正;按無(wú)功電流控制，電壓校正;按無(wú)功功率控制，電壓校正;按時(shí)間控制，按負(fù)荷無(wú)功校正;按電壓控制，按負(fù)荷無(wú)功校正等。

3 “九域圖法 ”控制策略

現(xiàn)階段多參量綜合控制通常以無(wú)功功率為基礎(chǔ)電網(wǎng)電壓上限値和負(fù)載電流下限値作為控制電容器組投切的約束條件，實(shí)現(xiàn)電容器組的智能綜合控制。

“九域圖法 ”以控制器接入側(cè)電壓為主要控制目標(biāo)，以無(wú)功功率（或功率因數(shù)）為參考條件，通過(guò)界定電壓和無(wú)功功率的上下限，將平面分為九個(gè)區(qū)，規(guī)定不同區(qū)域內(nèi)的控制方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)電容器組和主變分接開關(guān)的聯(lián)合控制。目前在線運(yùn)行的電壓無(wú)功綜合控制裝置大多基于此法。

圖 3 投切區(qū)間圖

“九域圖法 ”如圖 3所示，根據(jù)電壓、無(wú)功功率兩個(gè)物理量作為判據(jù)預(yù)置電壓上下限値和無(wú)功功率的上下限値，便得到投切區(qū)間圖。其中 2b、4b 為防止投切振蕩區(qū)，其寬度由投切一組電容器負(fù)荷側(cè)相電壓的變化量決定。當(dāng)實(shí)測(cè)無(wú)功功率、電壓處于控制區(qū)間的某一區(qū)域時(shí)，可以實(shí)施不同的控制策略，在保證不出現(xiàn)過(guò)補(bǔ)、欠補(bǔ)、過(guò)壓、欠壓的情況下，可以一次投切多組電容器，各區(qū)間動(dòng)作情況如下：

1 區(qū)：欠壓區(qū)，強(qiáng)投電容，使電壓升高到合格區(qū);

2a 區(qū)：無(wú)功欠補(bǔ)償，需投入電容器;

2b 區(qū)：防止投切振蕩，不動(dòng)作或投入小容量分補(bǔ)電容器;

3 區(qū)：電壓越過(guò)上限値，切除電容器;

4a 區(qū)：無(wú)功過(guò)補(bǔ)償，切除電容器;

4b 區(qū)：防止切除電容器后振蕩，不動(dòng)作或切除小容量分補(bǔ)電容器;

5 區(qū)：電網(wǎng)無(wú)功功率及電網(wǎng)電壓値處于合理區(qū)間，不動(dòng)作。

如果用電設(shè)備本身沒有防諧波措施或不具備較強(qiáng)的抗諧波干擾的能力，有可能造成已安裝無(wú)功自動(dòng)補(bǔ)償控制器的用戶不能進(jìn)行電容器組的正常投切，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成設(shè)備的損壞。因此把電壓和電流的畸變度作為投切電容器組的另一判據(jù)，在投切前檢測(cè)電壓和電流的諧波程度，若超過(guò)額定限制，則閉鎖系統(tǒng)，從而避免諧波對(duì)設(shè)備的危害。

4 結(jié)束語(yǔ)

總之，對(duì)于配電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，為數(shù)眾多的異步電動(dòng)機(jī)、變壓器等設(shè)備要消耗大量的無(wú)功功率，對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生不良影響。保持電力系統(tǒng)的平衡，解決配電系統(tǒng)功率因數(shù)低的有效途徑就是對(duì)配電系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，提高功率因數(shù)。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]