徐彥

摘要：節(jié)能減排是世界性主題，對(duì)我國(guó)尤其意義重大。通過(guò)科學(xué)手段節(jié)約電能，減少電力輸送的空載損失，已經(jīng)勢(shì)在必行。論述如何通過(guò)采用相間能量平衡型無(wú)功補(bǔ)償裝置，有效降低無(wú)功損失、提高供電設(shè)備效率，達(dá)到節(jié)約電能的目的。

關(guān)鍵詞：無(wú)功補(bǔ)償；節(jié)約電能

中圖分類號(hào)：TM761 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.14031/j.cnki.njwx.2016.10.002

Abstract：Energy saving and emission reduction is a worldwide theme， which is of great significance to our country. It is imperative to save energy by means of scientific method and reduce the no-load loss of power transmission. This paper discusses how to reduce the reactive power loss and improve the efficiency of power supply equipment by using the energy balance reactive power compensation device， which can achieve the goal of saving energy.

Key word：reactive power compensation；energy saving

0 引言

當(dāng)前，全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展原則是節(jié)能減排，對(duì)我們處于發(fā)展中的國(guó)家，能源的節(jié)約尤其重要。電力工業(yè)最重要的節(jié)能措施就是“無(wú)功補(bǔ)償”，如何最大限度地提高發(fā)電和輸配電設(shè)施的利用率，是電力部門和用電單位都十分關(guān)心的問題，其中蘊(yùn)涵著巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

總體技術(shù)方案“相間能量平衡型無(wú)功補(bǔ)償裝置”是一種電力工業(yè)必須的調(diào)控設(shè)備，為電力無(wú)功功率補(bǔ)償提供了更完善的方法。它可有效降低無(wú)功損失、提高供電設(shè)備效率、改善供電質(zhì)量，在不平衡的三相四線制供電系統(tǒng)中節(jié)能效果明顯，是當(dāng)前電力工業(yè)主推的節(jié)能手段。

本裝置用于供電系統(tǒng)的用戶（負(fù)載）端，綜合完成以下三種功能：（1）無(wú)功功率補(bǔ)償功能；（2）相間有功能量自動(dòng)平衡功能；（3）有源濾波功能。

第一個(gè)無(wú)功功率補(bǔ)償功能的工作原理很簡(jiǎn)單，是在用戶端并聯(lián)適當(dāng)大小的電容器，以抵消電感分量，這是常規(guī)的無(wú)功補(bǔ)償柜采用的方法，也稱之為靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償。

第二項(xiàng)相間有功能量自動(dòng)平衡是創(chuàng)新項(xiàng)目，它針對(duì)供電系統(tǒng)的這種情況：供電系統(tǒng)總是用三相（ABC）供電，而大多用戶端是分別使用三相中的一相（單相用戶），因而三相系統(tǒng)各相用電的不平衡現(xiàn)象是絕對(duì)的，這種不平衡會(huì)造成嚴(yán)重的后果。首先是中性點(diǎn)偏移，使各相的供電電壓改變，電壓升高的相，會(huì)燒毀電器，電壓降低的相，會(huì)使電器無(wú)法工作；其次是嚴(yán)重影響供電設(shè)備最大容量的發(fā)揮，比如變壓器，它的最大容量對(duì)各個(gè)單相是一致的，因而任何一相達(dá)到最大容量時(shí)，變壓器就處于危險(xiǎn)的飽和狀態(tài)，其它兩相則發(fā)揮不出最大容量；最后，三相的不平衡，使得靜態(tài)補(bǔ)償失效，甚至取得的效果適得其反?？梢姳狙b置功能的重要性。

相間有功能量自動(dòng)平衡功能是用圖1所示的方法實(shí)現(xiàn)的：采用圖1的三相移相電路，給連接在三相線路上的能量轉(zhuǎn)移電容注入電流，依靠調(diào)節(jié)相位把電容電流調(diào)整與該相的有功電流同相，從而實(shí)現(xiàn)有功能量在相間的轉(zhuǎn)移。依靠圖1的控制器，調(diào)節(jié)能量轉(zhuǎn)移大小，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移能量的三相平衡。

第三項(xiàng)是有源濾波功能。能量平衡后的三相電路的各相無(wú)功電能出現(xiàn)新的分布狀態(tài)（不平衡狀態(tài)），此時(shí)按新狀態(tài)對(duì)各相單獨(dú)實(shí)現(xiàn)分相式無(wú)功補(bǔ)償。分相式無(wú)功補(bǔ)償由兩部分補(bǔ)償完成：有源濾波（圖2） 和靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償（圖3）。

靜態(tài)補(bǔ)償部分是為減少有源濾波部分的最大容量，從而減少裝置成本。有源濾波起到四個(gè)作用：一是對(duì)可能出現(xiàn)的感性無(wú)功的補(bǔ)償作用；二是對(duì)靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償殘留的無(wú)功部分進(jìn)行補(bǔ)償；三是對(duì)無(wú)功分量快速變化進(jìn)行跟蹤；四是對(duì)電流波形修正，實(shí)現(xiàn)高頻濾波。

在本裝置的靜態(tài)補(bǔ)償上也采用了新型電壓過(guò)零接通、電流過(guò)零斷開的無(wú)弧開關(guān)新技術(shù)，它們與有源濾波部分相迭加使用，可有效地提高開關(guān)壽命、提高補(bǔ)償電容壽命、對(duì)網(wǎng)絡(luò)無(wú)沖擊、可快速通斷、開關(guān)無(wú)能耗和反應(yīng)靈敏等特點(diǎn)。

它的突出優(yōu)點(diǎn)是：（1）提高補(bǔ)償質(zhì)量和效率，可對(duì)各單相實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償；（2）均衡相間負(fù)荷，降低變壓器溫升、提高負(fù)荷能力；（3）降低線損、設(shè)備損失和補(bǔ)償裝置的自身?yè)p失；（4）實(shí)現(xiàn)對(duì)快速變化負(fù)荷進(jìn)行快速跟蹤補(bǔ)償；（5）完成各種設(shè)備保護(hù)和監(jiān)控功能；（6）實(shí)現(xiàn)電氣參量的自動(dòng)檢測(cè)、控制、傳輸和存儲(chǔ)，具備聯(lián)網(wǎng)功能；（7）應(yīng)用新型電壓過(guò)零接通、電流過(guò)零斷開的無(wú)弧開關(guān)新技術(shù)，提高開關(guān)壽命、提高補(bǔ)償電容壽命，對(duì)網(wǎng)絡(luò)無(wú)沖擊，可快速通斷，開關(guān)無(wú)能耗。

1 裝置主要技術(shù)指標(biāo)

有功能量轉(zhuǎn)移范圍：小于100 kW/相；

靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償范圍：100 kW/相；

有源濾波和無(wú)功補(bǔ)償能力：100 kW/相；

有源響應(yīng)速度：0.1 s/響應(yīng)值；

工作溫度：-40～75 ℃。

2 技術(shù)創(chuàng)新

相間能量自平衡式有源無(wú)功分相補(bǔ)償裝置是一種電力工業(yè)必須的調(diào)控設(shè)備，它為電力無(wú)功功率補(bǔ)償提供更完善的方法。在不平衡三相四線制供電系統(tǒng)中用于快速無(wú)功功率補(bǔ)償和能量平衡，其節(jié)能效果明顯，是當(dāng)前電力工業(yè)主要的節(jié)能手段，是一種新型的創(chuàng)新技術(shù)。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4所示。

綜合完成無(wú)功功率補(bǔ)償、相間有功能量自動(dòng)平衡、有源濾波三種功能。

2.1 相間能量平衡電路的研發(fā)

其中兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，即移相技術(shù)和可控硅導(dǎo)通角控制。它們均采用DSP系統(tǒng)的編程信號(hào)，難度不大，主要是算法方面的軟件問題。

2.2 靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償電路的研發(fā)

采用了新型電壓過(guò)零接通、電流過(guò)零斷開的無(wú)弧開關(guān)新技術(shù)，有效地提高開關(guān)壽命、提高補(bǔ)償電容壽命、對(duì)網(wǎng)絡(luò)無(wú)沖擊、可快速通斷、開關(guān)無(wú)能耗等特點(diǎn)。其中的技術(shù)關(guān)鍵是雙向可控硅的耐壓壽命以及雙穩(wěn)態(tài)觸點(diǎn)開關(guān)的機(jī)械壽命，這主要決定硬件的可靠性，目前通過(guò)對(duì)產(chǎn)品篩選，已經(jīng)獲得解決。

2.3 有源功率因數(shù)校正和濾波功能

它是基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的控制算法完成的。這需要同時(shí)完成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)控制兩大任務(wù)，系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)包括系統(tǒng)的電壓和電流的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，調(diào)整前后的輸出數(shù)據(jù)等。實(shí)時(shí)控制任務(wù)包括移相控制、能量轉(zhuǎn)移控制、靜態(tài)補(bǔ)償控制和有源濾波控制等。這類任務(wù)的實(shí)時(shí)性很強(qiáng)，所以軟件程序的優(yōu)先級(jí)也較高，算法也越顯得重要，所以采用瞬時(shí)無(wú)功功率理論的控制算法，化三維坐標(biāo)A、B、C為二維坐標(biāo)α、β，從而大大提高運(yùn)算速度，各相無(wú)功電流按在坐標(biāo)α、β中計(jì)算，可節(jié)約大量時(shí)間。坐標(biāo)變換后的電壓電流計(jì)算公式如下：

eαeβ=c32eaebec iαiβ=c32iaibic

之后，再依據(jù)三相瞬時(shí)無(wú)功和為零的原理，判定有源補(bǔ)償器的輸出，即實(shí)現(xiàn)了接近零差的開環(huán)隨動(dòng)控制。

3 理論創(chuàng)新

電力參數(shù)的立即測(cè)量：本裝置采用交流周期參數(shù)的立即測(cè)量理論，采用先進(jìn)的技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)了周期性的電力參數(shù)的立即測(cè)量。交流周期參數(shù)是全周期眾多次測(cè)量結(jié)果的演算值，因而想得出這個(gè)演算值，最快也需一個(gè)周期的時(shí)間。傳統(tǒng)的測(cè)量方法，電力參數(shù)的檢測(cè)至少要經(jīng)過(guò)一個(gè)周期25 ms之后，才能獲得測(cè)量結(jié)果。而本項(xiàng)目要求立即得出這個(gè)測(cè)量結(jié)果的演算值，以便開環(huán)修正。這種把測(cè)量時(shí)間提高近25 ms的方法，對(duì)于必須進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的應(yīng)用非常重要，因此可以把本系統(tǒng)成功運(yùn)用到各種有實(shí)時(shí)性要求的環(huán)境中。

電力參數(shù)的立即測(cè)量是指導(dǎo)實(shí)時(shí)控制算法的重要理論依據(jù)，該理論與傳統(tǒng)方法的結(jié)果具有完全的一致性。但本方法的有效性、簡(jiǎn)捷性、實(shí)用性和快速性使得交流電的調(diào)控成為可能，并在補(bǔ)償裝置上得到應(yīng)用和驗(yàn)證。

這里所指的電力參數(shù)包括：電壓、電流、功率、電能、頻率、功率因數(shù)等全信息，它們是電力生產(chǎn)、輸配供應(yīng)和電力用戶所必須測(cè)量的參數(shù)，也是電力電子設(shè)備必需的監(jiān)控對(duì)象。

這些參數(shù)的基礎(chǔ)量是正弦電壓和正弦電流。它們?cè)陔姽W(xué)中理論定義，均是以周期為依據(jù)的，如：

電流（有效值）I=1T∫T0i2dt

電壓（有效值）U=1T∫T0u2dt

有功功率 P=1T∫T0iudt

功率因數(shù)cosθ=PUI等。

傳統(tǒng)的測(cè)量方法，正是依據(jù)這些定義進(jìn)行的。顯而易見，電力參數(shù)的傳統(tǒng)檢測(cè)至少要經(jīng)過(guò)一個(gè)周期之后，才能獲得測(cè)量結(jié)果。

隨著電力技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)電力參數(shù)立即測(cè)量的要求越來(lái)越迫切。所謂的立即測(cè)量，就是指能立即對(duì)樣品進(jìn)行采樣，而不是指測(cè)量的速度有多高。

該技術(shù)的理論突破，對(duì)電力電子技術(shù)的發(fā)展必將起到推動(dòng)作用。

實(shí)現(xiàn)正弦交流量立即測(cè)量的困難是沒有即時(shí)樣本，各種量不斷變化，只是在一個(gè)周期內(nèi)才有完整定義。

所幸的是，作為表征正弦交流的矢量法中常用的旋轉(zhuǎn)矢量，具備提供即時(shí)樣本的條件：它在任意時(shí)刻，都能提供出它的模、幅角等全信息特性。因而在本文后述部分，稱與正弦交流對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矢量為特征量。

顯然，對(duì)特征量檢測(cè)，可實(shí)現(xiàn)電力參量的立即測(cè)量，立即獲得希望的各種信息。我們稱這種針對(duì)特征量的檢測(cè)技術(shù)為全信息立即測(cè)量。

在電工學(xué)中廣泛使用矢量法，就是把正弦交流量的大小表示成一個(gè)旋轉(zhuǎn)矢量在坐標(biāo)軸上的投影（如圖5）。在今后討論中，我們采用余弦函數(shù)表示交流量，并且幅值用有效值表示，因?yàn)檫@會(huì)給問題的討論帶來(lái)意外的方便。

可以說(shuō)，我們真正關(guān)心的，就是對(duì)特征量（旋轉(zhuǎn)矢量）I·的檢測(cè)技術(shù)。 特征量（旋轉(zhuǎn)矢量）并不總是客觀存在的，例如，為對(duì)交流電流i=Icos（ωt+φ）進(jìn)行測(cè)量，實(shí)際上我們己知的條件，只是特征量I·在X軸上的一個(gè)坐標(biāo)lx-l而已。

然而通過(guò)鎖相和幅值跟蹤技術(shù)，不難創(chuàng)造另外一個(gè)Y軸坐標(biāo)iy=Icos（ωt+φ+π2）（如圖6所示）。在己知的條件下，特征量I·變成己知ix、iy，故可對(duì)交流電流的任何參數(shù)實(shí)現(xiàn)立即測(cè)量。

利用圖7的測(cè)量方案，可立即測(cè)得正弦交流的有效值，而不必等待一個(gè)工頻周期之后。

功率的測(cè)量涉及到電壓和電流兩個(gè)特征量，分別構(gòu)造完成它們的X、Y軸分量后（如圖8），即可得到功率的即時(shí)樣本，實(shí)現(xiàn)有功功率P的立即測(cè)量。

4 應(yīng)用創(chuàng)新

本裝置在國(guó)內(nèi)率先提出相間能量平衡摡念，此功能解決了三相四線制供電系統(tǒng)最大的歷史性技術(shù)障礙，消除因不平衡造成的相電壓變化、中性點(diǎn)偏移和中線電流過(guò)大等危害，取得最大的節(jié)能效果，也使設(shè)備容量得到最大發(fā)揮。

5 結(jié)論

本裝置已在企業(yè)得到實(shí)際應(yīng)用，證明可以有效降低無(wú)功損失、提高供電設(shè)備效率、改善供電質(zhì)量，達(dá)到了節(jié)約電能的目的，為節(jié)能減排作出了貢獻(xiàn)。