介紹一種低壓配電系統(tǒng)無功補(bǔ)償綜合控制的方法

無功補(bǔ)償是低壓配電系統(tǒng)電能質(zhì)量治理的重要環(huán)節(jié)。在現(xiàn)有的無功補(bǔ)償技術(shù)中，針對多個(gè)無功補(bǔ)償柜采用多個(gè)獨(dú)立的無功補(bǔ)償控制器，正常工作時(shí)各個(gè)控制器之間無法實(shí)現(xiàn)有效調(diào)配，造成柜內(nèi)電容不斷反復(fù)投切，從而導(dǎo)致滿負(fù)荷的無功柜過快老化甚至損壞；同時(shí)，柜內(nèi)的靜止無功發(fā)生器（SVG）無法與電容進(jìn)行整體控制，其毫秒級的響應(yīng)速度使自身一直處于滿負(fù)荷工作狀態(tài)，無法發(fā)揮其優(yōu)勢。

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，醫(yī)療、商業(yè)、生產(chǎn)制造等行業(yè)的整體用電量激增，變壓器擴(kuò)容后所需的無功功率補(bǔ)償容量隨之增加，每臺變壓器所配置的無功補(bǔ)償柜也不斷增多。無功補(bǔ)償設(shè)備不僅有傳統(tǒng)的LC，靜止無功發(fā)生器（static var generator, SVG）的用量也在逐年遞增。在這種情況下，用戶不僅希望能夠靈活均衡地控制各個(gè)無功補(bǔ)償柜內(nèi)的電容電抗，還希望能夠?qū)崟r(shí)有效調(diào)配電容和SVG的工作比例，實(shí)現(xiàn)綜合控制，從而保證整個(gè)系統(tǒng)工作在一個(gè)有序健康的環(huán)境中。

國內(nèi)外學(xué)者對低壓配電系統(tǒng)無功補(bǔ)償綜合控制方法開展了深入的研究和分析。

• 有文獻(xiàn)提出一種SVG+晶閘管投切電容器（transistor switched capacitor, TSC）的混合補(bǔ)償器及基于專家決策的混雜控制方法，充分利用SVG和TSC的優(yōu)勢，解決了SVG在復(fù)雜環(huán)境中的穩(wěn)定性和魯棒性問題；
• 有文獻(xiàn)結(jié)合原有LC電容器組補(bǔ)償設(shè)備的特性，提出基于SVG+LC的混合補(bǔ)償系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠協(xié)調(diào)控制LC與SVG對負(fù)載無功功率進(jìn)行精確補(bǔ)償；
• 有文獻(xiàn)提出一種SVG+LC的混合補(bǔ)償器，既可利用小容量SVG的快速精確動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，又可利用原有LC應(yīng)對三相不平衡補(bǔ)償中的粗補(bǔ)償需求，并研究了其總體協(xié)調(diào)與子系統(tǒng)的控制策略；
• 有文獻(xiàn)提出一種新型無功功率補(bǔ)償主電路形式，將無功補(bǔ)償裝置SVG與LC無源濾波器并聯(lián)使用，詳細(xì)分析了該主電路形式并給出了實(shí)例驗(yàn)證；
• 有文獻(xiàn)提出一種由H橋級聯(lián)型SVG與晶閘管控制電抗器（thyristor controlled reactor, TCR）型靜止無功補(bǔ)償器（static var compensator, SVC）組成的新型拓?fù)?，結(jié)合SVG的快速可控性和SVC大容量的優(yōu)勢直接對高壓配電網(wǎng)的大容量無功、諧波同時(shí)進(jìn)行治理。

基于上述參考文獻(xiàn)，結(jié)合LC補(bǔ)償和SVG補(bǔ)償各自的優(yōu)劣，本文提出一種低壓配電系統(tǒng)無功補(bǔ)償綜合控制方法，給出綜合控制的工作原理和操作流程，以期為綜合無功補(bǔ)償控制系統(tǒng)的研究提供參考。

1 無功補(bǔ)償概述

從能量角度進(jìn)行分析，電力系統(tǒng)中大多數(shù)的非線性負(fù)載是感性負(fù)載，比如變壓器、電動(dòng)機(jī)、壓縮機(jī)、空調(diào)等。傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償是將感性負(fù)載與提供容性功率負(fù)荷的設(shè)備（如并聯(lián)電容器或同步調(diào)相裝置）并聯(lián)在同一電路中，從而為感性負(fù)載提供所需的無功功率。無功能量流動(dòng)示意圖如圖1所示。

圖1 無功能量流動(dòng)示意圖

從無功相位角度（感性/容性）進(jìn)行分析，純阻性負(fù)載的電壓和電流同相位，感性負(fù)載的電壓超前電流，容性負(fù)載的電壓滯后電流。無功相位分析如圖2所示。

圖2 無功相位分析

圖3 分析電路

圖4 相量圖

2 無功補(bǔ)償形式

2.1 LC補(bǔ)償控制

GB/T 15576—2020《低壓成套無功功率補(bǔ)償裝置》對“低壓成套無功功率補(bǔ)償裝置”的描述為：由一個(gè)或多個(gè)低壓開關(guān)設(shè)備、低壓電容器和與之相關(guān)的控制、測量、信號、保護(hù)、調(diào)節(jié)等設(shè)備，由制造廠家負(fù)責(zé)完成所有內(nèi)部的電氣和機(jī)械的連接，用結(jié)構(gòu)部件完整地組裝在一起的一種組合體。

LC電容電抗補(bǔ)償整柜并聯(lián)在整個(gè)供電系統(tǒng)中，集無功補(bǔ)償、電網(wǎng)監(jiān)測功能于一體，通過互感器采集電流并輸入功率因數(shù)控制器進(jìn)行功率因數(shù)高低的判斷，進(jìn)而控制開關(guān)投切電容器。無功補(bǔ)償電氣原理圖如圖5所示。

圖5 無功補(bǔ)償電氣原理圖

2.2 SVG補(bǔ)償控制

SVG將三相橋式電路通過電抗器直接并聯(lián)在電網(wǎng)，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值或直接控制其交流側(cè)電流，使該電路吸收或發(fā)出滿足要求的無功電流，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)哪康?。SVG工作原理如圖6所示。

圖6 SVG工作原理

2.3 LC與SVG補(bǔ)償對比

在成本價(jià)格方面，LC補(bǔ)償比SVG更經(jīng)濟(jì)，但在功能和產(chǎn)品性能方面，LC補(bǔ)償相對較差。例如，LC補(bǔ)償柜采用多個(gè)獨(dú)立的無功補(bǔ)償控制器，正常工作時(shí)各個(gè)控制器之間無法有效調(diào)配，造成柜內(nèi)電容不斷重復(fù)投切；在負(fù)荷變化較快或存在沖擊負(fù)荷時(shí)，由于電容器內(nèi)部放電影響無法做到快速響應(yīng)補(bǔ)償；控制器控制投切開關(guān)反復(fù)投切，出現(xiàn)分組投切階梯式無功輸出，容易出現(xiàn)過補(bǔ)償或欠補(bǔ)償?shù)膯栴}。同時(shí)，LC補(bǔ)償裝置中的并聯(lián)電容器對諧波電流具有放大作用，一般可放大2～3倍，諧振（串/并聯(lián)諧振）時(shí)可放大20倍以上。

SVG作為一種新型電力電子動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，可對大小變化的感性/容性無功及負(fù)序量進(jìn)行連續(xù)快速的補(bǔ)償（連續(xù)可調(diào)），避免過補(bǔ)償和欠補(bǔ)償情況的發(fā)生，且不會與系統(tǒng)或負(fù)載設(shè)備產(chǎn)生諧振，適用于負(fù)載快速變化的場合，但其成本也相應(yīng)較高。

3 無功補(bǔ)償綜合控制方法

結(jié)合LC和SVG補(bǔ)償各自的優(yōu)勢及現(xiàn)場應(yīng)用特點(diǎn)，本文提出一種無功補(bǔ)償綜合控制方法，該方法主要包括以下內(nèi)容：

• 1）實(shí)時(shí)采集電力系統(tǒng)中的電參量。電參量包括三相電壓、三相電流、三相有功功率、三相無功功率、三相視在功率、三相功率因數(shù)、諧波電壓畸變率、諧波電流畸變率等。
• 2）實(shí)時(shí)檢測電力系統(tǒng)中的電氣告警保護(hù)。電氣告警保護(hù)包括過電壓告警、欠電壓告警、過電流告警、過電壓諧波告警、過電流諧波告警、過頻告警、欠頻告警、過溫告警、電網(wǎng)斷相告警、電網(wǎng)錯(cuò)序告警等。
• 3）實(shí)時(shí)判斷是否存在電氣告警。
• 4）保護(hù)動(dòng)作。保護(hù)動(dòng)作包括電容器組保護(hù)（快速切除工作的電容器組）、SVG保護(hù)（控制SVG進(jìn)入關(guān)機(jī)模式）、需要重新進(jìn)行無功補(bǔ)償初始化標(biāo)記。
• 5）計(jì)算無功補(bǔ)償分配方案。包括剩余無功功率計(jì)算和SVG補(bǔ)償系數(shù)修正。剩余無功功率計(jì)算是根據(jù)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)和預(yù)設(shè)目標(biāo)功率因數(shù)，以及LC已投入容量，計(jì)算電力系統(tǒng)中需要補(bǔ)償?shù)氖Ｓ酂o功功率；SVG補(bǔ)償系數(shù)修正是根據(jù)剩余無功功率和系統(tǒng)中負(fù)載側(cè)總無功功率，計(jì)算出SVG補(bǔ)償系數(shù)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)修正。
• 6）無功補(bǔ)償初始化。包括LC補(bǔ)償初始化，此時(shí)LC響應(yīng)速度大于SVG響應(yīng)速度，LC補(bǔ)償電力系統(tǒng)負(fù)載側(cè)大部分無功功率，補(bǔ)償穩(wěn)定后，LC補(bǔ)償初始化結(jié)束；SVG補(bǔ)償初始化，此時(shí)SVG響應(yīng)速度大于LC響應(yīng)速度，SVG補(bǔ)償系統(tǒng)中剩余的無功功率。
• 7）SVG補(bǔ)償功率實(shí)時(shí)檢測模塊。包括SVG補(bǔ)償功率大小檢測（實(shí)時(shí)檢測SVG輸出無功功率大小）和SVG補(bǔ)償功率方向檢測（實(shí)時(shí)檢測判斷SVG輸出無功功率是容性還是感性）。
• 8）SVG補(bǔ)償功率反饋比較模塊。包括判斷SVG輸出功率大小SVG_I是否大于設(shè)定的容性無功功率反饋值m，并且持續(xù)時(shí)間T是否大于時(shí)間設(shè)定值t1；判斷SVG輸出功率大小SVG_I是否大于設(shè)定的感性無功功率反饋值n，并且持續(xù)時(shí)間T是否大于時(shí)間設(shè)定值t2。
• 9）LC補(bǔ)償控制模塊。包括電容隊(duì)列投切模塊，在有效電容器組序列中投入一組電容器組或在有效電容器組序列中切除一組電容器組；電容有效性判定模塊，判斷電容器組投入是否有效，并進(jìn)行有效或無效標(biāo)記。
• 10）SVG補(bǔ)償控制模塊。包括SVG關(guān)機(jī)模塊、SVG待機(jī)模塊、SVG補(bǔ)償模塊。SVG關(guān)機(jī)模塊控制SVG進(jìn)入關(guān)機(jī)模式，停止運(yùn)行；SVG待機(jī)模塊控制SVG進(jìn)入待機(jī)模式，降低補(bǔ)償響應(yīng)速度，進(jìn)入補(bǔ)償?shù)却隣顟B(tài)；SVG補(bǔ)償模塊控制SVG進(jìn)入補(bǔ)償模式，提高響應(yīng)速度，實(shí)時(shí)補(bǔ)償無功功率。SVG補(bǔ)償控制模塊用于補(bǔ)償負(fù)載側(cè)剩余的無功功率，減小因負(fù)載波動(dòng)而引起的系統(tǒng)功率因數(shù)波動(dòng)，在提高功率因數(shù)的同時(shí)，維持和穩(wěn)定系統(tǒng)側(cè)功率因數(shù)。

4 無功補(bǔ)償綜合控制方法步驟

無功補(bǔ)償綜合控制方法主要包括實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)保護(hù)模塊、計(jì)算無功補(bǔ)償分配方案、SVG補(bǔ)償功率實(shí)時(shí)監(jiān)測模塊、SVG補(bǔ)償功率反饋比較模塊、無功補(bǔ)償綜合控制模塊6個(gè)流程，其詳細(xì)流程如圖7所示，具體步驟說明如下。

圖7 無功補(bǔ)償綜合控制方法詳細(xì)流程

• 步驟1：實(shí)時(shí)采集電力系統(tǒng)中的電參量。
• 步驟2：實(shí)時(shí)檢測電力系統(tǒng)中的電氣告警保護(hù)。
• 步驟3：實(shí)時(shí)判斷是否存在電氣告警。
• 步驟4：在電氣告警的情況下執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作。
• 步驟5：在不存在電氣告警的情況下，計(jì)算無功補(bǔ)償分配方案。
• 步驟6：判斷是否需要無功補(bǔ)償初始化。
• 步驟7：在需要無功補(bǔ)償初始化的情況下，執(zhí)行無功補(bǔ)償初始化。
• 步驟8：SVG補(bǔ)償功率方向檢測，實(shí)時(shí)檢測判斷SVG輸出無功功率是容性或是感性。
• 步驟9：在SVG輸出無功功率是容性無功的情況下，判斷SVG輸出功率大小SVG_I是否大于設(shè)定的容性無功功率反饋值，并且持續(xù)時(shí)間是否大于時(shí)間設(shè)定值t1。
• 步驟10：在SVG輸出無功功率是感性無功的情況下，判斷SVG輸出功率大小SVG_I是否大于設(shè)定的感性無功功率反饋值，并且持續(xù)時(shí)間是否大于時(shí)間設(shè)定值t2。
• 步驟11：在SVG輸出功率大小SVG_I大于設(shè)定的容性無功功率反饋值，并且持續(xù)時(shí)間大于時(shí)間設(shè)定值t1的情況下，判斷是否有待投入電容器組。應(yīng)注意容性無功功率反饋值、感性無功功率反饋值、時(shí)間設(shè)定值t1、時(shí)間設(shè)定值t2都需要提前設(shè)置。
• 步驟12：在SVG輸出功率大小SVG_I大于設(shè)定的感性無功功率反饋值，并且持續(xù)時(shí)間大于時(shí)間設(shè)定值t2的情況下，判斷是否有待切除電容器組。
• 步驟13：在有待投入電容器組的情況下，執(zhí)行SVG待機(jī)模塊，控制SVG進(jìn)入待機(jī)模式，降低補(bǔ)償響應(yīng)速度，進(jìn)入補(bǔ)償?shù)却隣顟B(tài)。
• 步驟14：在有待切除電容器組的情況下，執(zhí)行SVG待機(jī)模塊，控制SVG進(jìn)入待機(jī)模式，降低補(bǔ)償響應(yīng)速度，進(jìn)入補(bǔ)償?shù)却隣顟B(tài)。
• 步驟15：電容隊(duì)列投切模塊，遵循循環(huán)投切算法，在有效電容器組序列中投入一組電容器組。
• 步驟16：電容隊(duì)列投切模塊，遵循循環(huán)投切算法，從有效電容器組序列中切除一組電容器組。
• 步驟17：SVG補(bǔ)償模塊，控制SVG進(jìn)入補(bǔ)償模式，提高響應(yīng)速度，實(shí)時(shí)補(bǔ)償無功功率。

電容隊(duì)列投切模塊在有效電容器組序列中投入一組電容器組后，還會進(jìn)行電容有效性判定，在電容器組投入前記錄無功功率有效值，電容器組投入10s（可設(shè)置，設(shè)置范圍在2～30s）后記錄無功功率有效值（應(yīng)該對應(yīng)分補(bǔ)或混合補(bǔ)的情況），如果前后無功功率差值小于該電容器組設(shè)定值的20%，則相關(guān)計(jì)數(shù)器加1，否則相關(guān)計(jì)數(shù)器清零。如果相關(guān)計(jì)數(shù)器連續(xù)累加計(jì)數(shù)超過5，就說明連續(xù)5次出現(xiàn)該電容器組的投入基本無效，則生成相關(guān)故障記錄，并將該電容器組脫離有效電容器組序列。

5 實(shí)際工程案例

本文所提無功補(bǔ)償綜合控制方法已應(yīng)用于無功補(bǔ)償綜合控制器單元產(chǎn)品中，下面結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用案例分析其優(yōu)越性。

江蘇某生產(chǎn)陶瓷廠的主要負(fù)荷為球磨機(jī)，球磨機(jī)采用變頻驅(qū)動(dòng)。由于原材料體積不規(guī)則，導(dǎo)致球磨機(jī)在運(yùn)行時(shí)的電流沖擊很大，影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)，致使無功補(bǔ)償電容器損壞較多、系統(tǒng)功率因數(shù)較低?，F(xiàn)場變壓器容量為1600kV?A，負(fù)荷率較低，現(xiàn)場原電容柜容量300kV·A。無功補(bǔ)償綜合控制裝置投入前的電能質(zhì)量如圖8所示。

圖8 無功補(bǔ)償綜合控制裝置投入前的電能質(zhì)量

無功補(bǔ)償容量按照變壓器容量的30%進(jìn)行配置，預(yù)估整柜容量為500kvar（兩套250kvar），采用SVC+SVG綜合控制器控制的混合無功補(bǔ)償方案，考慮到現(xiàn)場諧波主要以3次、5次和7次諧波為主，電容電抗SVC應(yīng)配置14%的串抗率，單套250kvar整柜配置方案見表1。

表1 單套250kvar整柜配置方案

圖9 無功補(bǔ)償綜合控制裝置投入后的電能質(zhì)量

無功補(bǔ)償綜合控制裝置投入后的電能質(zhì)量如圖9所示。通過采用SVC+SVG綜合控制器控制的混合無功補(bǔ)償方案，協(xié)調(diào)SVC和SVG的無功輸出，對比無功補(bǔ)償綜合控制裝置投入前后數(shù)據(jù)可以看到，功率因數(shù)由0.86提高到0.98以上，由于SVG裝置在補(bǔ)償無功功率的同時(shí)也可以治理3次、5次、7次和11次以內(nèi)的諧波，電流畸變率由原來的23.28%降低到9.06%，效果較明顯。

6 結(jié)論

本文提出的無功補(bǔ)償綜合控制方法，通過實(shí)時(shí)采集電力系統(tǒng)中的電流、電壓及功率，實(shí)時(shí)控制LC補(bǔ)償控制模塊和SVG補(bǔ)償控制模塊對電力系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償。參考實(shí)際工程應(yīng)用案例，選用綜合補(bǔ)償控制裝置，對比前后的治理效果，解決了現(xiàn)有技術(shù)中LC和SVG無法統(tǒng)一調(diào)配而導(dǎo)致的空載或滿載問題，以及LC頻繁投切的問題，能夠靈活均衡地控制各個(gè)無功柜內(nèi)的電容電抗，同時(shí)電容和SVG的工作比例也可進(jìn)行實(shí)時(shí)有效調(diào)配，從而改善了供電品質(zhì)，提高了功率因數(shù)。