基于半控器件的静止无功补偿技术控制策略研究

张霞

【摘 要】根据控制物理量选择的不同，TSC所采取的控制方法也多种多样。较为合理的补偿装置应最大限度提高电网的功率因数，且不发生过补偿，无投切振荡，无冲击投切，控制过程反应灵敏、迅速。按照控制物理量的不同无功补偿装置分为：无功功率补偿、无功电流补偿、功率因数补偿及综合型补偿。

【关键词】配电系统;电能质量;半控器件;无功补偿;功率因数;电压控制;技术先进;经济合理

0 引言

电力系统由发电系统、输电系统、配电系统和用电系统四大部分构成，由于电能不能大量存储，所以发电、输电、配电和用电必须同时进行，即电力系统必须保持平衡。然而来自电力线路、电力变压器以及用电设备的无功负载大量存在，使电力系统的功率因数降低。

电力系统网络元件的阻抗主要是感性的，因此在实际电力系统中，包括异步电动机在内的绝大多数电气设备的等效电路可看作电阻 R 和电感 L 的串联电路。网络元件和大多数用电设备工作时将消耗无功功率。这些无功功率必须从网络中某个地方获得。合理的方法是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率，这就是无功补偿。

1 单一物理量的控制方式

时间控制法是最常用的控制方式之一，这种方法根据电网中用电设备24小时无功功率变化情况，绘出全天無功变化负荷曲线，由无功变化的时间规律决定定时投入或切除一定容量的补偿电容。例如主要负荷在上午8点投入运行，到下午5点退出运行，而这期间负荷变化不大，调整策略可整定为上午8点投入电容器组，下午5点切除。

显然这种控制方式简单，但只适用于负荷稳定且变化规律一定、功率因数变化不大的场合。

无功电流控制方式是把负荷无功电流作为控制变量进行电容投切调节的一种控制策略。假设电网无功缺额为ΔQ，电网线电压为U，其额定值为UN，线电流分量为IQ，则：

ΔQ=U·I·■=U·I■·■

令实际运行电压U与额定电压UN之比为k则：

I■=ΔQk·U■·■

当电容器组为星型联结时：

ΔQ=ω·C·（k·U■）■

为补偿无功电流IQ应投入电容器组的容量为：

C=■·I■k·ω·U■

当电容器组为三角型联结时：

ΔQ=3ω·C·（k·U■）■

应投入的电容器组的容量为：

C=I■k·ω·U■·■

依据无功电流分量的大小控制调节电容器组，使电容器提供的容性电流补偿电网中的感性电流，补偿效果更精确。这种控制方式比较理想，补偿效果很直观，但无功电流的快速、精准检测有一定难度。

电压控制方式是检测电网电压信号，当电网电压降至某给定值的下限时检测装置发出信号，控制电容器组投入运行，当电网电压超出某给定值的上限时，切除电容器组。电压控制方式以保证安装点电压在一定范围内为目的，多用于电业部门集中负荷点的电压调整。

早期无功补偿的控制方式是以功率因数作为控制变量，通过检测负荷的功率因数或者功率因数角，再经过对检测数据的处理，由执行元件实现对电容器组的投切，维持功率因数处于最佳値，若cosφ1cosφ2为功率因数的上次限，被控量应在cosφ1

这种控制方式存在两大缺点，一是当负荷轻载时，可能产生投切振荡。如图1所示，按功率因数投切电容器组，其稳定区域收敛于原点0，当负荷减小时，存在一区域如S1点所处区，此时若投入一组电容器，系统功率因数补偿至S2点处，系统处于过补偿状态，自动装置马上切除电容器组，这时系统又回到S1点处，这样系统投切重复往返，形成“投切振荡”。这种振荡对电容器、TSC投切装置的寿命及电网电压质量产生不良影响。

图1 功率因数控制方式稳定性

其二缺点是当负荷很重时，功率因数或功率因数角的微小变化能引起无功补偿量需求的巨大变化。若系统采样数据A/D转换的精度不高，或采样时间间隔不准确，则计算出的功率因数波动较大，从而可能导致电容器组的频繁误投切。

无功功率控制方式就是直接把系统的无功作为被控物理量来控制电容器组的投切。它的控制原理是根据检测到的电网电压、电流、功率因数，计算出应投入的电容容量，在电容器分组方式中选出最接近补偿量但不会发生过补偿的一组电容器投切，投切一次到位。若计算值小于最小一组电容器的容量，则系统应保持原补偿状态不变。只有当所需容量大于或等于下限値时，才执行相应的投切。

采用无功功率补偿方式在设置补偿范围时，应合理设置补偿目标上下限，即上下限的范围应大于基本电容器组的容量。若设置不当将会产生“投切振荡”。如图2（a）所示，电网实际无功缺额在切区S1处，系统指令切除一组电容器后，电网实际无功缺额落在投区S2处，随即系统又投入一组电容器，这样循环往复，形成投切振荡。图2（b）所示电网从切区S1处切除一组电容器后落在稳定区S2点处，则系统不再发生投切振荡。

（a）                                                 （b）

图2 无功功率补偿上下限设置示意图

2 TSC综合控制方式及其策略

对单一物理量进行控制，有其不足之处。如把功率因数作为投切电容器的唯一判据，不能满足实际电网运行的需要，当负荷低谷时，有功功率和无功功率都很小，功率因数也很低，常有投切振荡发生，影响设备的安全使用寿命。

若系统以某一物理量作为控制主判据，另一物理量作为辅助判据，实现多变量的综合控制。如按功率因数控制，电压校正;按无功电流控制，电压校正;按无功功率控制，电压校正;按时间控制，按负荷无功校正;按电压控制，按负荷无功校正等。

3 “九域图法 ”控制策略

现阶段多参量综合控制通常以无功功率为基础电网电压上限値和负载电流下限値作为控制电容器组投切的约束条件，实现电容器组的智能综合控制。

“九域图法 ”以控制器接入侧电压为主要控制目标，以无功功率（或功率因数）为参考条件，通过界定电压和无功功率的上下限，将平面分为九个区，规定不同区域内的控制方式，实现对电容器组和主变分接开关的联合控制。目前在线运行的电压无功综合控制装置大多基于此法。

图 3 投切区间图

“九域图法 ”如图 3所示，根据电压、无功功率两个物理量作为判据预置电压上下限値和无功功率的上下限値，便得到投切区间图。其中 2b、4b 为防止投切振荡区，其宽度由投切一组电容器负荷侧相电压的变化量决定。当实测无功功率、电压处于控制区间的某一区域时，可以实施不同的控制策略，在保证不出现过补、欠补、过压、欠压的情况下，可以一次投切多组电容器，各区间动作情况如下：

1 區：欠压区，强投电容，使电压升高到合格区;

2a 区：无功欠补偿，需投入电容器;

2b 区：防止投切振荡，不动作或投入小容量分补电容器;

3 区：电压越过上限値，切除电容器;

4a 区：无功过补偿，切除电容器;

4b 区：防止切除电容器后振荡，不动作或切除小容量分补电容器;

5 区：电网无功功率及电网电压値处于合理区间，不动作。

如果用电设备本身没有防谐波措施或不具备较强的抗谐波干扰的能力，有可能造成已安装无功自动补偿控制器的用户不能进行电容器组的正常投切，严重时会造成设备的损坏。因此把电压和电流的畸变度作为投切电容器组的另一判据，在投切前检测电压和电流的谐波程度，若超过额定限制，则闭锁系统，从而避免谐波对设备的危害。

4 结束语

总之，对于配电系统来说，为数众多的异步电动机、变压器等设备要消耗大量的无功功率，对配电网络的安全稳定运行产生不良影响。保持电力系统的平衡，解决配电系统功率因数低的有效途径就是对配电系统进行无功补偿，提高功率因数。

【参考文献】

[1]李大鹏.基于模糊控制的TSC型动态无功补偿控制器的研究与设计[D].河海大学，2006.

[2]李发超.智能化TSC动态无功补偿技术的开发及应用[D].华北电力大学（北京），2006.

[3]许胜.基于DSP的TCR型SVC控制器的研究与设计[D].南京理工大学，2005.

[4]李云.配电网无功优化补偿的设计与实现[D].中南大学，2004.

[责任编辑：杨玉洁]