張麗珍 王娟平

（山西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院電力工程系）

0 引言

電能質(zhì)量問題的提出由來已久，而衡量電能質(zhì)量的指標(biāo)隨著電力事業(yè)的發(fā)展得到人們的關(guān)注。在早期，電力負(fù)荷的組成都比較簡單，20世紀(jì)80年代以來，越來越多的非線性電力電子器件和裝置在現(xiàn)在的企業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，使配電網(wǎng)無功補(bǔ)償電壓嚴(yán)重降低。電壓降低給企業(yè)帶來很大的不利，電壓降低使電能在生產(chǎn)、傳輸和利用的過程中效率降低，不僅導(dǎo)致電能損耗增加和設(shè)備壽命縮短，使系統(tǒng)的功率因數(shù)降低；還會干擾保護(hù)繼電器、測量設(shè)備、控制和通訊電路以及用戶的電子設(shè)備等等，使靈敏的設(shè)備誤動(dòng)或元件故障，影響電網(wǎng)的可靠性。因此，隨著全社會環(huán)保意識的加強(qiáng)，對配電網(wǎng)無功補(bǔ)償?shù)难芯考撼蔀閲鴥?nèi)外學(xué)者們所必須解決的問題[1]。

為了使無功功率得到最合理的配置，在配電網(wǎng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無功功率補(bǔ)償就顯得尤為重要。因此，開展中低壓配電網(wǎng)無功補(bǔ)償技術(shù)的研究，對幫助降低線路損耗，改善配電網(wǎng)的功率因數(shù)，提高電力系統(tǒng)電壓質(zhì)量有重要意義[2]。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們生活質(zhì)量的提高，非線性負(fù)載的使用導(dǎo)致電網(wǎng)的電壓和電流發(fā)生嚴(yán)重畸變，含有大量諧波，進(jìn)而嚴(yán)重影響電網(wǎng)質(zhì)量，影響設(shè)備的正常運(yùn)行，給企業(yè)的安全生產(chǎn)帶來嚴(yán)重后果。因此，為了提高電網(wǎng)的供電質(zhì)量，對無功功率和無功補(bǔ)償技術(shù)研究非常有意義[3]。

1 中低壓配電網(wǎng)的無功補(bǔ)償

1.1 配電網(wǎng)無功補(bǔ)償基本原理

區(qū)別于對外做功的有功功率，無功功率是一種在電氣設(shè)備中用于建立和維護(hù)磁場的功率，由于在電網(wǎng)中存在著大量的變壓器與電動(dòng)機(jī)，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，想要在用電設(shè)備的兩端建立起穩(wěn)定的電壓以維持其正常工作，電氣設(shè)備就必須從電網(wǎng)中的無功電源汲取足夠大小的無功功率，從而建立起正常的電磁場來維持設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)[4]。

假設(shè)負(fù)載的復(fù)阻抗為Z，當(dāng)電流流過負(fù)載時(shí)，可得到如圖 1所示的阻抗三角形。若負(fù)載的電抗值為零，即為純電阻負(fù)載時(shí)，流過負(fù)載的電流和其兩端電壓具有相同的相位角，此時(shí)電網(wǎng)只消耗有功功率；若負(fù)載的電抗值不為零，此時(shí)的電壓和電流存在一個(gè)相位差?，則電網(wǎng)除了消耗有功功率外，還要消耗一定量的無功功率，可知，電抗值越大，相位差? 就越大，消耗的無功功率就越多。

圖1 負(fù)載阻抗三角形

在電力系統(tǒng)中，把電壓電流相位差? 的余弦值cos? 稱為功率因數(shù)，由電路原理可知，功率因數(shù)同時(shí)可以表示為有功功率與視在功率的比值，電力系統(tǒng)中的有功功率P、無功功率Q和視在功率S存在如下關(guān)系式：

根據(jù)式（1），可以得到如圖2所示的功率三角形。從圖中可以看出，若無功功率Q為零，即? 為零則有功功率P就是視在功率S，此時(shí)相當(dāng)于輸電設(shè)備提供的能量全部用于用電器的做功，電能得到最大化的利用，功率因數(shù)為1。然而實(shí)際的配電網(wǎng)中，由于感性負(fù)載的存在，必將導(dǎo)致有無功功率在系統(tǒng)中流動(dòng)，若要使負(fù)載端消耗的有功功率不變，只能提高輸出的視在功率，即輸電設(shè)備的容量，這相當(dāng)于增加了電力設(shè)備的投資和運(yùn)行維護(hù)的資金，此時(shí)功率因數(shù)小于1。

圖2 功率三角形

可見，無功補(bǔ)償?shù)膶?shí)質(zhì)是提高電力系統(tǒng)的功率因數(shù)從而提高電能的利用率。無功補(bǔ)償基本原理圖如圖3所示。

圖3 無功補(bǔ)償原理示意圖

用戶端所消耗的功率為 P+jQ，為了補(bǔ)償無功功率Q，在配電變壓器低壓側(cè)配置無功補(bǔ)償裝置，則用電設(shè)備所需的無功功率由無功補(bǔ)償裝置就地提供，這就使輸電線路中傳輸?shù)臒o功功率大大減少，系統(tǒng)的功率因數(shù)得以提高。

1.2 無功補(bǔ)償?shù)目刂撇呗?/h3>

依據(jù)負(fù)載側(cè)測得的無功功率指令信號，結(jié)合繼電器對無功投切信號進(jìn)行滯環(huán)控制，其實(shí)現(xiàn)原理圖如圖4所示。

圖4 滯環(huán)控制原理圖

從三相電網(wǎng)中捕捉三相電壓電流，根據(jù)功率因數(shù)算出所需補(bǔ)償?shù)臒o功功率 Qc，并以此為指令信號導(dǎo)入繼電器中。繼電器根據(jù)所設(shè)定的上下限閾值與無功量進(jìn)行比較，當(dāng)無功大于上限時(shí)，繼電器輸出信號為1；當(dāng)無功低于下限時(shí)，繼電器輸出信號0。

T1、T2、T3、T4為滯環(huán)輸出信號，它們被引入觸發(fā)單元中，當(dāng)信號為1時(shí)，則導(dǎo)通對應(yīng)信號的電容器組，為零則切除相應(yīng)的電容器組。本文依據(jù)此法，將指令信號與投切狀況例舉表展現(xiàn)見下表。

表 滯環(huán)控制策略投切控制示意表

2 無功補(bǔ)償觸發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

從圖5中可知，在設(shè)計(jì)觸發(fā)電路時(shí)，TSC的觸發(fā)角應(yīng)嚴(yán)格按照峰值觸發(fā)機(jī)制，以防止導(dǎo)通瞬間產(chǎn)生過電流，而TCR則應(yīng)使其觸發(fā)角保持在90°～180°之間。由于本文主要以模擬TSC和TCR的控制原理為主，旨在實(shí)現(xiàn)其精準(zhǔn)的投切，而沒有設(shè)計(jì)到晶閘管觸發(fā)角的計(jì)算，所以當(dāng)控制單元判定一組TSC進(jìn)行投切時(shí)，觸發(fā)單元中的鎖相環(huán)模塊將采樣電網(wǎng)電壓并進(jìn)行同步，于電網(wǎng)電壓自然換相點(diǎn)處給出觸發(fā)脈沖。而當(dāng)控制單元判定TCR進(jìn)行投切時(shí)，需先通過一組計(jì)算電路，當(dāng)投入無功量為負(fù)值時(shí)，認(rèn)為系統(tǒng)發(fā)生了過補(bǔ)償，此時(shí)計(jì)算電路將直接導(dǎo)出觸發(fā)角90°，脈沖信號于90°點(diǎn)給出，TCR全導(dǎo)通；若是無功量為正，計(jì)算導(dǎo)出的觸發(fā)角就為 180°，認(rèn)為此時(shí)TCR關(guān)斷[5-6]。

圖5 觸發(fā)系統(tǒng)電路圖

圖6 無功補(bǔ)償仿真模型

圖7 SVC_TSC+TCR仿真圖

2.1 無功補(bǔ)償?shù)姆抡婺Ｐ?/h3>

用中低壓配電網(wǎng)作為補(bǔ)償對象進(jìn)行研究，分析其補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)過程以及出現(xiàn)的效果，并且搭建無功補(bǔ)償模型進(jìn)行驗(yàn)證可行性。圖 6為無功補(bǔ)償仿真總模型圖，其中TSC、TCR以及控制模塊封裝于節(jié)點(diǎn)B3前的SVC_TSC+TCR模塊內(nèi)部。

圖6中電源側(cè)通過串聯(lián)一個(gè)三相負(fù)載，模擬出了一個(gè)10kV、600MVA的電力系統(tǒng)，負(fù)載端為一個(gè)由外部信號控制其功率的三相動(dòng)態(tài)負(fù)載，線路上則通過并聯(lián)一個(gè) 3MW、0.2Mvar的負(fù)載來模擬輸電線路的線損、雜散損耗以及電暈損耗等系統(tǒng)本身的特性。B1節(jié)點(diǎn)與B3節(jié)點(diǎn)內(nèi)封裝了三相測量元件，用以測量補(bǔ)償前后電網(wǎng)的電壓電流變化情況。其核心模塊SVC_TSC+TCR的內(nèi)部示意圖如圖7所示。

根據(jù)負(fù)載的無功值，設(shè)計(jì)的是4個(gè)TSC型補(bǔ)償器和1個(gè)TCR補(bǔ)償器進(jìn)行配合使用，補(bǔ)償容量可調(diào)，這里設(shè)置為5Mvar和20Mvar。5個(gè)補(bǔ)償裝置的輸入端分別與控制模塊相連，通過控制模塊給出的觸發(fā)信號來實(shí)現(xiàn)對補(bǔ)償器的投切，補(bǔ)償器由觸點(diǎn) 1、2、3并聯(lián)配置于電網(wǎng)中。

為了考察TSC和TCR的投切情況和補(bǔ)償能力進(jìn)行仿真。最后，通過仿真前后電網(wǎng)電流波形的大小以及電壓電流相位差來分析補(bǔ)償效果，并根據(jù)TSC投切信號圖結(jié)合仿真前后電網(wǎng)側(cè)無功量來判定TSC和TCR的投切狀態(tài)。

2.2 固定感性負(fù)載的補(bǔ)償仿真

由于無功補(bǔ)償實(shí)質(zhì)上是以補(bǔ)償感性無功量為主，這里將設(shè)置一固定不變的感性負(fù)載來考核TSC的補(bǔ)償能力，其模型建立如圖8所示。

圖8 無功負(fù)載Qset1

通過圖8中無功負(fù)載模塊的建立可知，把信號模塊的輸出 Qset1導(dǎo)入三相動(dòng)態(tài)負(fù)載，則負(fù)載的有功功率與無功功率將按照信號模塊里所設(shè)值進(jìn)行變化，其仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 固定感性無功

從圖9中看出，負(fù)載的有功功率固定為19.9MW，而在0.24s的時(shí)候，將產(chǎn)生一個(gè)幅值為14.9Mvar的感性無功功率并一直保持到2s后結(jié)束。把系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間設(shè)為2s，運(yùn)行仿真后得到圖10所示的電壓電流波形圖。

圖10 中采集了0.22～0.32s內(nèi)的電壓電流波形。圖10a中，電流波形在經(jīng)過0.24s這一點(diǎn)時(shí)發(fā)生了畸變，此點(diǎn)即為無功負(fù)載的投入點(diǎn)。0.24s之后的電流幅值明顯變大，且其滯后于電壓一個(gè)相位。補(bǔ)償后的波形如圖10b所示，電流波形于0.24s后，經(jīng)歷了一個(gè)周期的時(shí)間（0.02s）基本恢復(fù)了正常幅值，與電壓的相位差也顯著縮小，波形在0.28s時(shí)趨于穩(wěn)定。從電網(wǎng)側(cè)的無功功率變化圖可以更加直觀地看出補(bǔ)償情況。

在圖11的示意圖上，從0.24s開始，到0.28s，歷經(jīng)約兩個(gè)周期的時(shí)間，無功功率基本實(shí)現(xiàn)了全補(bǔ)償。再看TSC的投切信號圖，如圖12所示。

圖11 無功功率變化示意圖

圖12 TSC投切信號圖

在圖12中，將4組輸入的TSC信號分別乘上1、2、3、4，即可在示波器中清楚地看到各組TSC的投切情況。圖12中的實(shí)線1為TSC1，其在0.244s時(shí)導(dǎo)通，實(shí)線2為TSC2，在0.252s時(shí)導(dǎo)通，可見反映時(shí)間非常的短，具有很好的速動(dòng)性。根據(jù)設(shè)定的閾值，當(dāng)無功功率 Q＞3Mvar時(shí)，導(dǎo)通第一組 TSC，Q＞9Mvar時(shí)，導(dǎo)通第二組，第三組TSC的導(dǎo)通條件為Q＞15Mvar。負(fù)載設(shè)定的無功值為 14.9Mvar，應(yīng)投入兩組TSC，結(jié)合圖12可知，TSC實(shí)現(xiàn)了正確的投切。

3 結(jié)束語

本文對無功負(fù)載進(jìn)行了仿真研究。即檢測負(fù)載側(cè)的無功電壓電流，求得所需補(bǔ)償?shù)臒o功容量 Qc，把變量Qc作為指令信號，配合繼電器預(yù)設(shè)的滯環(huán)寬度，給觸發(fā)單元發(fā)出相應(yīng)的導(dǎo)通信號，觸發(fā)單元根據(jù)所得信號，發(fā)出相應(yīng)的觸發(fā)脈沖，SVC投入運(yùn)行。把補(bǔ)償前后的電網(wǎng)電壓電流波形圖進(jìn)行對比，補(bǔ)償后的電流波形恢復(fù)到了補(bǔ)償前的幅值大小，并與電壓具有相同的相位，實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)償。另外，根據(jù)補(bǔ)償后的無功測量值和電容器投切信號圖，得知SVC準(zhǔn)確地進(jìn)行了投切。