无功功率补偿控制与选择

摘 要： 本文就低压无功自动补偿装置的产品开发等问题进行了探讨。介绍无功功率补偿的意义、计算、控制方式选择等，并就经济效益进行了初步讨论。在比对中作者根据多年现场电容器投切开关的工作经验，提出了对于合理选择使用低压并联电容器投切开关的几点建议，以供参考。

关键词： 无功功率补偿； 控制方式选择； 经济效益

中图分类号： TM761+.1 文献标识码： A 文章编号： 1009-8631（2011）02-0047-02

1 无功功率补偿控制概述

1.1无功功率的产生和影响

在交流电力系统中，发电机在发有功功率的同时也发无功功率，它是主要的无功功率电源；运行中的输电线路，由于线间和线对地间的电容效应也产生部分无功功率，称为线路的充电功率，它和电压的高低、线路的长短以及线路的结构等因素有关。电能的用户（负荷）在需要有功功率（P）的同时还需要无功功率（Q），其大小和负荷的功率因数有关；有功功率和无功功率在电力系统的输电线路和变压器中流动会产生有功功率损耗（ΔP）和无功功率损耗（ΔQ），也会产生电压降落（ΔU）。无功功率在输电线、变压器中的流动会增加有功功率损耗和无功功率损耗以及电压降落；由于变压器、高压架空线路中电抗值远远大于电阻值，所以无功功率的损耗比有功功率的损耗大，并且引起电压降落的主要因素是无功功率的流动。

1.2无功补偿的作用

无功补偿可以收到下列的效益：①提高用户的功率因数，从而提高电工设备的利用率;②减少电力网络的有功损耗；③合理地控制电力系统的无功功率流动，从而提高电力系统的电压水平，改善电能质量，提高了电力系统的抗干扰能力；④在动态的无功补偿装置上，配置适当的调节器，可以改善电力系统的动态性能，提高输电线的输送能力和稳定性；⑤装设静止无功补偿器(SVS)还能改善电网的电压波形，减小谐波分量和解决负序电流问题。对电容器、电缆、电机、变压器等，还能避免高次谐波引起的附加电能损失和局部过热。

1.3无功补偿装置

除发电机和输电线外的无功电源主要有：①并联电容器组是一种静态的无功补偿装置。用它进行的补偿称为并联电容补偿。②同步调相机；③静止无功补偿器。后两者属于动态的无功补偿装置。

另外，在远方水电站和坑口火电厂等的出线母线上，长距离输电线的两侧线路上，以及长距离输电线的开关站等地方接有并联电抗器，也是一种无功补偿装置。用其进行的补偿称为并联电抗补偿。远方电站出口母线上的并联电抗器主要是吸收发电机所发的无功功率，以使发电机能运行在合理的功率因数下而又避免无功的长距离输送。长距输电级上配置的并联电抗器，主要是吸收线路空载和轻载时的充电功率，使沿线电压分布合理并降低工频稳态和暂态过电压。

鉴于电力生产的特点，用户用电功率因数的高低对发、供、用电设备的充分利用、节约电能和改善电压质量有着重要影响。为了提高用户的功率因数并保持其均衡，以提高供电用双方和社会的经济效益，特制定功率因数的标准值与功率因数调整电费。如表一。

2 补偿方式的选择

2.1 个别补偿

即在用电设备附近按其本身无功功率的需要量装设电容器组，与用电设备同时投入运行和断开，也就是再实际中将电容器直接接在用电设备附近。

适合用于低压网络，优点是补偿效果好，缺点是电容器利用率低。

2.2分组补偿

即将电容器组分组安装在车间配电室或变电所各分路出线上，它可与工厂部分负荷的变动同时投入或切除，也就是再实际中将电容器分别安装在各车间配电盘的母线上。

优点是电容器利用率较高且补偿效果也较理想（比较折中）。

2.3集中补偿

即把电容器组集中安装在变电所的一次或二次侧的母线上。在实际中会将电容器接在变电所的高压或低压母线上，电容器组的容量按配电所的总无功负荷来选择。

优点：是电容器利用率高，能减少电网和用户变压器及供电线路的无功负荷。

缺点：不能减少用户内部配电网络的无功负荷。实际中上述方法可同时使用。对较大容量机组进行就地无功补偿。

3 控制方式的选择

3.1个别补偿的控制方式

3.1.1 启动不频繁的设备

启动不频繁的设备可选择空气自动开关、熔断器作为保护设备

3.1.2启动较频繁的设备

启动较频繁的设备可选择FKA系列智能复合开关(投切间隔时间大于30s)、TSC动态投切开关。选型如表2、表3.

3.2分组补偿、集中补偿的电力电容器柜

装置中使用了交流接触器、投切专用交流接触器、可控硅功率模块、固态继电器、复合固态继电器等作为并联电容器的投切开关，由于并联电容器的投切开关对装置的性能具有决定性的影响，因而合理的选择投切开关就显得十分重要。

3.2.1交流接触器和投切专用交流接触器

交流接触器是传统的低压补偿并联电容器的投切开关，优点是成本低、控制简单、使用方便，缺点是投切时会产生较大的涌流和过电压，其大小与感性负载的大小(如变压器的短路容量)、阻抗、电容器的容量，交流接触器的性能有关。切除时易产生电弧，触点易于烧毁、寿命较短，不适用于频繁投切的场合。

电容器投切专用交流接触器是为了减轻涌流对交流接触器的影响而设计的，其与普通交流接触器的不同之处是将普通接触器触点加以改善，配上抑制投切电流的电阻，采用并联开关分步投切的方法，先合上带电阻的开关再合上不带电阻的开关来减少投切过程中产生的涌流和过电压。由于其只能降低投切过程中产生的涌流和过电压，并不能从根本上解决问题，在电容器容量相对较大时，仍然会产生很大的涌流，因而其应用仍然受到一定的限制。

由于上述两种交流接触器在应用于低压并联电容器投切时存在着不可克服的涌流问题和触点的烧蚀问题，对电容器和装置的寿命有较大的影响，所以其在电容器投切领域的应用越来越少，正逐步被功率电子开关所替代。但由于其价格低廉，在某些技术要求较低、电网波形畸变严重不适于应用电力电子开关的场合仍有使用，需安排人巡查、定时更换。

3.2.2 可控硅开关、固态继电器

反并联可控硅开关加上具有过零检测功能的驱动电路，即成为一个典型的具有“零压差”投入，零电流退出功能的电力电子投切开关，具有较高的dV/dt和dI/dt承受能力，可有效的抑制电容器投入时的浪涌电流和过电压的产生及退出时的拉弧电流。常规的做法是将反并联的可控硅模块外部配装专用的触发线路板。

投切专用的固态继电器是将上述开关的反并联的可控硅模块及外部配装专用的触发线路板的全部器件以固态继电器的标准封装形式封装在一个壳体内，内置阻容吸收，故结构紧凑，综合成本较低，外形上有方型或长条型以适合不同用户的联接需要。具有体积小、耐蚀防潮、安装使用方便等特点，是目前可控硅开关的常用封装形式。

上述两种电力电子投切开关的工作原理完全相同，都是以具有零检测功能的触发电路控制反并联的可控硅无触点开关。优点是投切电容器时“零压差"投入、零电流切除，实现无涌流或小涌流投切，提高了电容器寿命，无触点无拉弧，开关速度高、反应时间快，干扰小、体积小、耐腐蚀，寿命长、可靠性高，易于与计算机接口、适用于智能型无功控制器或配电综测仪对电网进行动态无功补偿和远程控制。另外可方便地实现单相分相补偿或三相共补。缺点是工作中功耗较大，使用时需加装散热器，成本也比适用交流接触器高许多。但由于其性能优越，应用者众多。

3.2.3复合投切开关、复合固态继电器

交流接触器投切开关压降小、发热少，但涌流大、寿命短，电力电子投切开关涌流小、寿命长，但压降高、功耗大、需要散热，各有优缺点。能否整合它们的优点，优势互补，制造出具有“零压差”投入、零电流切除、低压降保持特性的投切开关，科技人员采用电力电子开关负责控制电容器的投入和切除，交流接触器负责保持电容器投入后的接通的方法制造出了复合投切开关。这种投切开关同时具备了交流接触器和电力电子投切开关的优点，不但抑制了涌流，避免了拉弧，而且功耗较低，不再需要配备笨重的散热器和冷却风扇。尤其是复合固态继电器将复合投切开关集成一体，体积小、重量轻、性能优良，是低压无功自动补偿装置中并联补偿电容器的理想投切开关。

4补偿容量测量与计算

4.1测量方法

采用双钳相位表测量（以单相为例）A相电流、电压值以及电流电压角，譬如电流53A、电压224V、电压超前45°，则：

总功率S=I*U=53*224=11.87(kW)

有功功率P=I*U*COSΦ=53*224*COS45°=8.393(kW)

无功功率Q=I*U*SINΦ=53*224*SIN45°=8.393 (kva)

若将功率因数由目前的0.707分别提高到0.9和1需要并联多少千乏电容器， Q1=P*SINΦ/ COSΦ=8.393*0.43/.09=4.06(kva)

ΔQ=8.393-4.06=4.333(kva)

故：提高到0.9和1需要并联4.333和8.393千乏电容器，由上式可知功率因数由0.707提高到0.9需要4.333千乏功率因数由0.9提高到1需要4.06千乏。这说明功率因数由低提高到高投入容量较小，而由较高水平提高到更高则投入容量大。所以，要合理选择功率因数提高的水平。

4.2 根据电度表及负荷工作时间计算方法

已知：某工厂有功功率月耗电量15000kWh，月平均功率因数为0.65，30天日平均负荷工作时间为6小时。欲把功率因数提高到0.95，需配多大容量电容器。

平均有功功率P=15000/30*6=83.33kW

无功功率Q=P*tgφ=83.33*1.169=97.42(kav)

功率因数提高到0.95时，S=P/COSφ=83.33/0.95=87.72KVA

Q=S*SINφ=87.72*0.31=27.2(kva)

故补偿电容量ΔQ=97.42-27.2=70.22（kva）

5 无功补偿投资与经济效益

以上述为例，选择20kva，380V，50Hz电容器6只（每千乏10元），控制器一只（约700元），FKA系列智能复合开关6只（每只300元），控制屏一个（约1200元），共计4900元，每月无功功率调整电费15000*0.6*0.15=1350（元）

投资回收期（月）=4900/1350=4（月）

一般来说无功补偿投资回收期应小于2年为宜。

结语

随着电力电子技术的迅猛发展，造价低廉，控制精度高，稳定性好的可控硅开关、固态继电器、复合固态继电器将不断面世，为无功功率补偿的应用提供了更好的前景。大力推广无功功率补偿技术必将为企业带来良好的经济效益和创建节约型社会做出贡献。

参考文献：

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[2] 黄坚主编.自动控制原理极其应用[M].北京:高等教育出版社，2001.

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