无功补偿自动控制中电工电子技术的应用分析

周丽娟

（江苏省宿迁经贸高等职业技术学校，江苏宿迁，223800）

0 引言

近年来，随着我国对电能的需求与日俱增，对于电力系统的高效性、可靠性、安全性及稳定性等方面提出了更高的要求。电力系统作为现代社会中不可或缺的基础设施，其重要性不言而喻。在电力系统中，输变电设备的主要功能将电力能源输送到目的地，实现对电力能源的合理分配，实效高效地用电。然而，在一些比较老旧的电力设施传输过程中会出现无功功率的问题，不仅降低了电力系统的整体供电能力，给电网正常运行带来巨大威胁，影响了电能输送的安全性和经济性，对电力企业的良好经济效益造成了影响。在电力系统中科学合理的选择无功补偿装置，能降低电力系统运输线路及电变压器的损耗，改善电网运行环境，可以有效保障电力供应的稳定性，满足人们对用电的实际需求。

1 无功补偿的工作原理

良好的电力负荷能力是确保电网良好运行的重要前提，在电力系统供电过程中，不同型号的电能设备因其耗电方式不同，因而其用电功率也会存在较大差异。在电力系统中，电网输出的功率主要包括有功功率和无功功率两个部分，其中，无功功率，是指发电机、线路电容等设备消耗电能并转化为另一种形式的能量，对电网的正常运行会造成直接影响。当无功电源无法满足电网无功功率时，最有效的解决方式就是运输系统的补偿，在多数情况下，就需要运用到无功补偿设备来确保电力系统的效率及其稳定性，从而减少电能的损耗，维持电路系统的平衡。

图1 无功补偿装置的发展现状

无功补偿装置主要包括：电力系统、补偿设备及负载设备三个部分，其主要作用是提高电能传输的功率因素、改善线路电压质量、减少不同线路电力损耗、延长电力设备的使用年限等。无功补偿装置的工作原理如图2所示。

图2 无功补偿工作原理

根据图2可得：

其中，U0——系统在无功功率时的电压；Ssx——系统的短路容量。

对式（1）进行变换可以得到式（2）：

根据式（2）可知：当电路系统电压的无功功率发生变化时，系统也会随之发生变化，此时，无功功率等于补偿设备和负载的无功功率之和，当电路系统处于正常状态时，如果负载的无功功率发生变化，补偿设备的无功功率大小完全能够确保系统的稳定运行，且这时供电系统的无功功率值也不会发生变化。在电力系统中，变压器、电动机等供电设备在正常工作时都会产生一定的电力负荷，并吸收无功功率，在供电设备中安装无功补偿自动控制装置，能实现对能源损耗的有效控制，补偿效果显著。

2 无功补偿自动控制中电工电子技术的应用

■2.1 机械式接触设备的应用

一般来说，在供电网络系统中，无功补偿装置通常安装在低压或高压并联的电容器电路上中，并通过并联电容器的开发接触和开关方式而实现，具有开关自动化的功能。在电力系统电网运行中，无功补偿自动控制装置在补偿输入时的电压初始值较低，在合闸后，会出现电压值大量增加的情况，这种情况下会导致电容器出现涌流现象，缩短供电设备的使用时间，从而降低电力企业经济效益，甚者可能会造成短路大面积停电。为此，必须应用电工电子技术，适当引入机械式接触设备，采用并联的方式进行连接。通常来说，并联电容器的补偿成本比较低，且补偿效果较为显著，能有效控制涌流的现象，这样可以延长电气设备的使用年限，提高企业经济效益。

■2.2 无触点晶闸管的应用

当电容器出现涌流现象时，容易造成接触器触头上的盒子烧毁，在传统无功补偿控制中，主要是依靠并联电容器来控制涌流现象，但这种控制方法易于受到多种因素的影响，控制效果较差。但通过电子技术的无功补偿自动控制，运用无触点晶闸管可以有效利用可控硅实现电流为0时的自动断开控制，把无功补偿自动控制的风险降至最低，这样可以有效避免电容器在投切过程可能造成的线路和设备烧毁等问题的产生。但在实际应用过程中，由于无触点晶闸管的电容器在运行时，在可控硅处会产生0.7V的结压降，从而影响电容器的正常工作，因此，需要对无功补偿自动控制装置进行进一步的优化与改善。

■2.3 复合开关的应用

一般来说，可控硅与交流接触器之间采用复合开关并联起来，其主要作用是能够更好、及时地控制可控硅的开关，并保护电网系统的正常运行。当电路中电流为零时，可控硅开关会及时的、自动地断开，有效降低无功损耗。但由于在复合开关的实际应用过程中，当发生涌流时，复合开关可能会无法及时断开，从而难以有效发挥复合开关的作用。因此，需要根据电网系统的实际需求和无功补偿自动控制装置的性能需求选择合适的复合开关，切实保障电力系统的电路无功补偿效果。

■2.4 电路仿真的应用

伴随着电工电子技术的飞速发展，利用计算机辅助电工电子设计与分析已经成为一种常态。基于计算机进行辅助仿真分析，可以通过搭建仿真电路系统，及时发现无功补偿自动控制中存在的问题，并进行修改，在确定电路不存在问题后，再开展具体的实施工作，这样可以有效提高电力系统的自动控制效果，尽可能地降低运输线路的损耗。

3 基于电工电子技术的无功补偿自动控制装置在电力系统中的应用案例

■3.1 在电力系统自动启动中的应用

电力系统是由自动发电、自动电压和自动稳定三个控制系统所组成，近年来，随着电工电子技术的快速发展，单片机、微处理器、功率管、功率开关管等设备及其技术在也都得到了广泛的应用，从而为实现无功补偿的自动控制提供了基础条件。在无功功率自动控制补偿器的开发过程中，电工电子技术的应用，助推了很多新技术的诞生，比如，补偿控制器、补偿电容器的链接方法、并联电容器投切开关等，可以实现对电路中涌流现象的有效控制和消解。此外，随着现代科学技术的发展，电动电子的各种元器件及设备的体积逐渐变小、功率逐渐变大，能够在一定程度上弥补传统电力系统无功补偿存在的弊端，充分体现无功补偿自动控制装置的及时性。

■3.2 在电力系统发电环节中的应用

在电力系统供电过程中，许多设备与发电环节有着十分密切的关系，所以，这些设备的运行状态是否最佳，将会直接影响这整个电力系统的供电效率和质量。通常来说，利用数字技术可以实现对可控硅静止励磁的优化与改善，这样可以避免电压波动带来的负面影响。在电力系统的发电环节中，运用基于电工电子技术的无功补偿自动控制装置，可以让发电设备的运行效率实现最佳，从而达到降低能源损耗、实现电力系统节能的目的。例如，在发电环节中，使用风机水泵的能耗通常比较大，若使用变频调节技术，可以很好地调节风机水泵的速率，这样就能有效控制风机水泵的能耗问题。

■3.3 应用案例

图3为110KV/10KV降压电站系统的示意图，该系统的主要功能是对发电机经过降压变压器后负荷供电。下面笔者结合该例对基于电工电子技术的无功补偿自动控制装置在电力系统中的应用进行阐述。

图3 110KV/10KV降压电站系统的示意图

结合已有文献资料，可以得到电容器的补偿容量为：

在公式（3）中，电容器的补偿容量部主要取决于变压器的变比及电路的调压要求。

由于电容器组在实际运行过程中消耗的只有“容性无功”，且只能提供“感性无功”，这样就导致电容器组难以通过吸收“感性无功”来达到降压的目的。

为解决上述问题，如图4所示，对于电容器组的补偿容量和变压器的分接头分别按照最大负荷调压要求和最小负荷电容器退出运行进行计算，首先将电路中的全部电容进行切除，此时电路中为最小负荷电容器退出运行状态，负荷大小为：

图4 110KV/10KV变电仿真系统

接着，对变压器的档位进行适当调节，使其能够最接近低压侧的调压要求，为：

然后，利用Powergui Steday Tool就能计算出变电站的低压侧母线电压大小为10.4KV，从而就能够计算出相应的电压偏移率：

该值的大小在调压要求范围之内，符合电力系统正常运行要求，此时，电路系统的实际变比为：k=10.841。得到变比后，可以利用Powergui Steday Tool计算在将全部电容切除后的最大负荷：

其相应的低压侧母线电压大小为9.042KV。这样就能根据公式（3）计算出Qc=8.75Mvar ，根据计算结果应该考虑无功电源的备用。

计算出电路中所投入电容器组的额定功率大小为9Mvar，所以，可以将电容器分为10组，其中每一组的额定功率为9Mvar。

通常来说，电力系统在每晚八点时的负荷最大，且为：S=18+j15MVA，此时，未投入电容器组的变压器分接头电压为110×(1+1×2.5%)=112.75KV，利用Powergui Steday Tool进行分析，可知整个电力系统的运行状态处于区域4的范围内。

根据区域4的控制策略，计算投入电容器大小为：

所以，在电路系统中，可以投入2-10组的电容器组，其对应的Qc(Mvar)、U2(KV)、cosφ1如表1所示。

表1

在这一过程中，利用电工电子对无功补偿自动控制装置进行了电路仿真，在不同的电网运行状态下，影响功率的因素也不同，为此，需要对系统的运行区域进行精准定位和分析，然后根据其相应的控制策略来确定需要投入电容器组的数量，从而实现对电路系统电压及其功率的有效调节，以确保系统运行的稳定性和安全性。

4 结束语

无功补偿自动控制在电力系统中的应用十分广泛，不仅能有效降低电力设备所产生的能耗，提高电力设备传输能力，而且大大提升了电力系统的稳定性、安全性和经济性，有利于企业实现企业良好的经济效益，为实现持续稳定的电力传输和电力供应提供了强有力的保障，具有高度实用价值。