时间：2022-07-16 18:50:25
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇无功功率补偿，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
中图分类号：TM46文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）07-0110-02
一、无功功率和功率因数的定义
（一）有功功率和无功功率
在交流电路中，由电源供给负载的电功率有两种：一种是有功功率，一种是无功功率。有功功率是保持用电设备正常运行所需的电功率，也就是将电能转换为机械能、光能、热能等的电功率。无功功率比较抽象，它是用于电路内电场与磁场的交换，并用来在电气设备中建立和维持磁场的电功率。它不对外做功，但是只要有电磁线圈的电气设备，就要消耗无功功率。
（二）功率因数
电网中的电力负荷如电动机、变压器等，属于既有电阻又有电感的电感性负载。电感性负载的电压和电流的相量间存在着一个相位差，这个相位差（Φ）的余弦叫做功率因数，用符号cosΦ表示，在数值上功率因数是有功功率和视在功率的比值，即cosΦ=P/S。功率因数反映了电源输出的视在功率被有效利用的程度，我们希望的是功率因数越大越好。只有把电路中的无功功率降到最小，才能将视在功率大部分用来供给有功功率，改善供电效率。
二、无功功率的产生和作用
（一）无功功率的产生
在具有电感或电容的电路中，在每半个周期内，电感（或电容）把电源能量变成磁场（或电场）能量贮存起来，然后再把贮存的磁场（或电场）能量释放返回给电源。这种情况下只是进行能量的交换，并没有真正消耗能量，我们把这个交换的功率值称为无功功率。正因为如此，无功功率比较抽象，它在电路中来回流动。尽管无功功率说明一个元件的平均功率为零，但它代表了在电感或电容中储存及释放磁场能量或电场能量所需要的真实功率。电力网中，在电源、电感元件和电容元件之间发生能量的交换。与无功功率相关的能量是储存的电感性及电容性能量之和。
（二）无功功率的作用
无功功率决不是无用功率，它的用处很大。电动机需要建立和维持旋转磁场，使转子转动，从而带动机械运动，电动机的转子磁场就是靠从电源取得无功功率建立的。变压器也同样需要无功功率，才能使变压器的一次线圈产生磁场，在二次线圈感应出电压。因此，没有无功功率，电动机就不会转动，变压器也不能变压，交流接触器不会吸合。
三、无功功率的危害
尽管无功功率说明一个元件的平均功率为零，但它代表了在电感或电容中储存及释放磁场能量或电场能量所需要的真实功率。电力系统中某些点之间由于无功功率不断来回地交换引起发电、输电及供配电设备上的电压损耗及功率损失。由于电力系统的效率及电压调整十分重要，因此无功功率在电力系统的传输是头等重要的。
无功功率的增加，会导致电流增大和视在功率增加，从而使发电机、变压器及其他电气设备容量和导线容量增加，也降低了发电机的有功功率的输出，降低了输变电设备的供电能力。无功功率的增加，使总电流增大，因而使设备及线路的损耗增加，这是显而易见的。无功功率的增加，使线路及变压器的电压降增大，如果是冲击性无功功率负载，还会使电压产生剧烈波动，使供电质量严重降低。
无功功率还造成了低功率因数运行和电压下降，使电气设备容量得不到充分发挥。所以我们要尽量减小无功功率的影响：（1）大量的电感性设备，如异步电动机、感应电炉、交流电焊机等设备是无功功率的主要消耗者。所以要改善异步电动机的功率因数就要防止电动机的空载运行并尽可能提高负载率；（2）变压器消耗的无功功率一般约为其额定容量的10%～15%，它的空载无功功率约为满载时的1/3。因而，为了改善电力系统和企业的功率因数，变压器不应空载运行或长期处于低负载运行状态；（3）供电电压超出规定范围也会对功率因数造成很大的影响。当供电电压高于额定值的10%时，由于磁路饱和的影响，无功功率将增长得很快，所以应当采取措施使电力系统的供电电压尽可能保持稳定。
当然，上述这些措施只是从一定程度上减小了无功功率的危害，如果要从根本上减小无功功率的影响，改善功率因数的话，我们需要引入无功功率补偿技术。
四、无功功率补偿
（一）无功功率的补偿原理
设补偿后无功功率为Qc,使电源输送的无功功率减少为Q’=Q-Qc,功率因数由cosΦ提高到cosΦ’,视在功率S减少到S’,视在功率的减小可相应减小供电线路的截面和变压器的容量，降低供用电设备的投资。
可知，采用无功补偿措施后，因为通过电力网无功功率的减少，降低了电力网中的电压损耗，提高了用户的电压质量。由于越靠近线路末端，线路的电抗X越大，因此越靠近线路末端装设无功补偿装置效果越好。
（二）无功补偿的作用
1．提高电网及负载的功率因数，降低设备所需容量，减少不必要的损耗；
2．稳定电网电压，提高电网质量，而在长距离输电线路中安装合适的无功补偿装置可提高系统的稳定性及输电能力；
3．在三相负载不平衡的场合，可对三相视在功率起到平衡作用。
（三）低压网无功补偿的一般方法
低压无功补偿我们通常采用的方法主要有三种：随机补偿、随器补偿、跟踪补偿。下面简单介绍这三种补偿方式的适用范围及使用该种补偿方式的优缺点：
1．随机补偿。随机补偿就是将低压电容器组与电动机并接，通过控制、保护装置与电机，同时投切。随机补偿适用于补偿电动机的无功消耗，以补偿磁无功为主，此种方式可较好地限制农网无功峰荷。
随机补偿的优点是：用电设备运行时，无功补偿投入，用电设备停运时，补偿设备也退出，而且不需频繁调整补偿容量。具有投资少、占位小、安装容易、配置方便灵活、维护简单、事故率低等特点。
2．随器补偿。随器补偿是指将低压电容器通过低压保险接在配电变压器二次侧，以补偿配电变压器空载无功的补偿方式。配变在轻载或空载时的无功负荷主要是变压器的空载励磁无功，配变空载无功是农网无功负荷的主要部分，对于轻负载的配变而言，这部分损耗占供电量的比例很大，从而导致电费单价的增加，不利于电费的同网同价。
随器补偿的优点是：接线简单、维护管理方便、能有效地补偿配变空载无功，限制农网无功基荷，使该部分无功就地平衡，从而提高配变利用率，降低无功网损，具有较高的经济性，是目前补偿无功最有效的手段之一。
3．跟踪补偿。跟踪补偿是指以无功补偿投切装置作为控制保护装置，将低压电容器组补偿在大用户0.4kv母线上的补偿方式。适用于100kVA以上的专用配变用户，可以替代随机、随器两种补偿方式，补偿效果好。
跟踪补偿的优点是：运行方式灵活，运行维护工作量小，比前两种补偿方式寿命相对延长、运行更可靠。但缺点是控制保护装置复杂、首期投资相对较大。但当这三种补偿方式的经济性接近时，应优先选用跟踪补偿方式。
五、结论
本文简单讨论了无功功率的定义、产生，分析了无功功率的作用及危害，并从原理上分析了无功补偿技术，探讨了几种低压无功补偿技术的优缺点。本文对于了解无功功率以及进行无功补偿具有一定的指导意义。
参考文献
[1]陈允平，等．基于任意周期电压电流的无功功率定义及其数学模型[J]．中国电机工程学报，2006，26（4）．
[2]吴捷，等．交流异步电动机无功功率补偿的技术探讨[J]．云南电力技术，2007，35（4）．
关键词：电网；无功补偿；方法
中图分类号：F407.6文献标识码： A
许多用电设备均是根据电磁感应原理工作的，如配电变压器、电动机等，它们都是依靠建立交变磁场才能进行能量的转换和传递。为建立交变磁场和感应磁通而需要的电功率称为无功功率，因此，所谓的“无功”并不是“无用”的电功率，只不过它的功率并不转化为机械能、热能而已；因此在供用电系统中除了需要有功电源外，还需要无功电源，两者缺一不可。 在功率三角形中，有功功率P与视在功率S的比值，称为功率因数cosφ，其计算公式为：cosφ=P/S。在电力网的运行中，功率因数反映了电源输出的视在功率被有效利用的程度，我们希望的是功率因数越大越好。这样电路中的无功功率可以降到最小，视在功率将大部分用来供给有功功率，从而提高电能输送的功率。
1影响功率因数的主要原因
（1）大量的感性设备，如异步电动机等设备是无功功率的主要消耗者。异步电动机的无功消耗占了60%～70%；而在异步电动机空载时所消耗的无功又占到电动机总无功消耗的60%～70%。所以要改善异步电动机的功率因数就要防止电动机的空载运行并尽可能提高负载率。
（2）变压器消耗的无功功率一般约为其额定容量的10%～15%，它的空载无功功率约为满载时的1/3。因而，为了改善电力系统和企业的功率因数，变压器不应空载运行或长期处于低负载运行状态。
（3）供电电压超出规定范围也会对功率因数造成很大的影响。当供电电压高于额定值的10%时，由于磁路饱和的影响，无功功率将增长得很快，据有关资料统计，当供电电压为额定值的110%时，一般无功将增加35%左右。当供电电压低于额定值时，无功功率也相应减少而使它们的功率因数有所提高。但供电电压降低会影响电气设备的正常工作。所以，应当采取措施使电力系统的供电电压尽可能保持稳定。
2无功补偿的一般方法
无功补偿通常采用的方法主要有3种：低压个别补偿、低压集中补偿、高压集中补偿。简单介绍这3种补偿方式的适用范围及使用该种补偿方式的优缺点。
（1）低压个别补偿。低压个别补偿就是根据个别用电设备对无功的需要量将单台或多台低压电容器组分散地与用电设备并接，它与用电设备共用一套断路器。通过控制、保护装置与电机同时投切。随机补偿适用于补偿个别大容量且连续运行(如大中型异步电动机)的无功消耗，以补励磁无功为主。低压个别补偿的优点是：用电设备运行时，无功补偿投入，用电设备停运时，补偿设备也退出，因此不会造成无功倒送。具有投资少、占位小、安装容易、配置方便灵活、维护简单、事故率低等优点。
（2）低压集中补偿。低压集中补偿是指将低压电容器通过低压开关接在配电变压器低压母线侧，以无功补偿投切装置作为控制保护装置，根据低压母线上的无功负荷而直接控制电容器的投切。电容器的投切是整组进行，做不到平滑的调节。低压补偿的优点：接线简单、运行维护工作量小，使无功就地平衡，从而提高配电变压器利用率，降低网损，具有较高的经济性，是目前无功补偿中常用的手段之一。
（3）高压集中补偿。高压集中补偿是指将并联电容器组直接装在变电所的6～10kV高压母线上的补偿方式。适用于用户远离变电所或在供电线路的末端，用户本身又有一定的高压负荷时，可以减少对电力系统无功的消耗并可以起到一定的补偿作用；补偿装置根据负荷的大小自动投切，从而合理地提高了用户的功率因数，避免功率因数降低导致电费的增加。同时便于运行维护，补偿效益高。
3采取适当措施，设法提高系统自然功率因数
提高自然功率因数是不需要任何补偿设备投资，仅采取各种管理上或技术上的手段来减少各种用电设备所消耗的无功功率，这是一种最经济的提高功率因数的方法。
（1）合理使用电动机。
（2）提高异步电动机的检修质量。
（3）采用同步电动机：同步电动机消耗的有功功率取决于电动机上所带机械负荷的大小，而无功功率取决于转子中的励磁电流大小，在欠励状态时，定子绕组向电网"吸取"无功，在过励状态时，定子绕组向电网"送出"无功。因此，对于恒速长期运行的大型机构设备可以采用同步电动机作为动力。异步电动机同步运行就是将异步电动机三相转子绕组适当连接并通入直流励磁电流，使其呈同步电动机运行，这就是"异步电动机同步化"。
（4）合理选择配电变压器容量，改善配电变压器的运行方式：对负载率比较低的配电变压器，将其负载率提高到最佳值，从而改善电网的自然功率因数。
4无功电源
电力系统的无功电源除了同步电机外，还有静电电容器、静止无功补偿器以及静止无功发生器，这4种装置又称为无功补偿装置。除电容器外，其余几种既能吸收容性无功又能吸收感性无功。同步电机。同步电机中有发电机、电动机及调相机3种。
（1）同步发电机。同步发电机是唯一的有功电源，同时又是最基本的无功电源，当其在额定状态下运行时，可以发出无功功率： Q＝S×sinφ＝P×tgφ
其中：Q、S、P、φ是相对应的无功功率、视在功率、有功功率和功率因数角。
发电机正常运行时，以滞后功率因数运行为主，向系统提供无功，但必要时，也可以减小励磁电流，使功率因数超前，以吸收系统多余的无功。
（2）同步调相机。同步调相机是空载运行的同步电机，它能在欠励或过励的情况下向系统吸收或供出无功，装有自励装置的同步电机能根据电压平滑地调节输入或输出的无功功率，这是其优点。但它的有功损耗大、运行维护复杂、响应速度慢，近来已逐渐退出电网运行。
（3）并联电容器。并联电容器补偿是目前使用最广泛的一种无功电源，由于通过电容器的交变电流在相位上正好超前于电容电压，滞后于电感电压，由此可视为向电网提供无功功率： Q=U/Xc其中：Q、U、Xc分别为无功功率、电压、电容器容抗。
并联电容器本身功耗很小，装设灵活，节省投资；由它向系统提供无功可以改善功率因数，减少由发电机提供的无功功率。
（4）静止无功补偿器。静止无功补偿器是由晶闸管所控制投切电抗器和电容器组成，由于晶闸管对于控制信号反应极为迅速，而且通断次数也可以不受限制。当电压变化时静止补偿器能快速、平滑地调节，以满足动态无功补偿的需要，同时还能做到分相补偿；对于三相不平衡负荷及冲击负荷有较强的适应性；但由于晶闸管控制对电抗器的投切过程中会产生高次谐波，为此需加装专门的滤波器。
（5）静止无功发生器。它的主体是一个电压源型逆变器，由可关断晶闸管适当的通断，将电容上的直流电压转换成为与电力系统电压同步的三相交流电压，再通过电抗器和变压器并联接入电网。适当控制逆变器的输出电压，就可以灵活地改变其运行工况，使其处于容性、感性或零负荷状态。 与静止无功补偿器相比，静止无功发生器响应速度更快，谐波电流更少，而且在系统电压较低时仍能向系统注入较大的无功。
5结束语
分析了影响功率因数的主要因素，并提出了提高功率因数的几种方法，讨论了目前所通用的几种无功电源及其特点。探讨了功率因数对广大供电企业的影响以及提高功率因数所带来的经济效益和社会效益。
关键词：煤矿井下；无功功率；检测与补偿
Abstract: combining the current situation of the coal mine underground power grid, to all sorts of reactive compensation schemes are compared, in the instantaneous reactive power theory basis, put forward based on the thyristor controlled reactor compensation scheme. The circuit structure is simple, fast dynamic response, can improve the whole underground power grid power factor.
Keywords: coal mine underground; Reactive power; Detection and compensation
中图分类号 TM714.3 文献标识码 A 文章编号2011-03（03）1821
在煤矿用电负荷中,提升机、皮带运输机等频繁启动的大功率冲击负荷,会对煤矿电网造成无功冲击,而这些大功率冲击负荷必须要提供无功功率。因此,如何解决好无功补偿问题对煤矿具有极为重要的意义。目前，一般煤矿电网的无功补偿是在地面上中央变电站母线上装设电容器组进行集中补偿,其主要缺点是只能补偿10kV母线前供电线路上的无功功率，母线后的井下电网并没有得到补偿；并且这种补偿方式只能输出固定无功功率，对于煤矿大量短时循环工作制的负载，会出现过补偿或欠补偿。
煤矿大功率、冲击性负荷必须就地补偿无功功率，随着电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，交流无触点开关SCR、GTR、GTO等的出现，将其作为投切开关，速度可以提高到10us以下，对任何系统参数，无功补偿都可以在一个周波内完成，而且可以进行单相调节[2,3]。本文采用晶闸管控制电抗器(TCR)进行动态无功补偿，它可根据负载无功的变化进行动态补偿，使电网始终处于最佳状态。
1 无功功率对煤矿井下电网的影响
煤矿井下电网的安全稳定运行，与无功功率调节是分不开的。无功功率的增加，会导致电流增大，因而使设备及线路的损耗增加，使线路及变压器的电压降增大，如果是冲击性无功功率负载，还会使电压产生剧烈波动，导致供电质量严重降低。电压是衡量电能质量的一个重要指标。当电压过高时，会对负荷的运行带来不良影响，有时会引起电力系统电压崩溃；电压降低时，会使电网中的有功功率损耗和能量损耗增加，危及电力系统稳定性。以煤矿中大量应用的异步电动机为例，其功率因数随电压变化而变化，电压下降时，由于异步电动机转矩与电压的平方成正比，电压下降越大，电动机的转差率越大，定子和转子的电流就越大，电动机温度上升的也越快，严重时可烧坏电动机；电压升高时，电动机铁芯中的磁通密度增大，逐渐趋于饱和，从而导致激磁电流与铁芯损耗大大增加，使设备过热，效率下降，电气设备加速老化和损坏。从以上分析可以看出，电压偏移对电网和电力设备的影响非常大，维持电压在合理的范围内，关系到煤矿井下各种供电设备的安全运行。
2 各种无功补偿方式
2.1同步调相机
同步调相机是空载运行的同步电机，它装有自励装置，能在欠励或过励的情况下吸收或发出无功功率，主要优点是能根据电压大小平滑地调节输入和输出无功功率；其主要缺点是投资大、有功损耗大、运行维护复杂、响应速度慢、只能固定安装在中心变电站，应用有较大的局限，现已逐渐退出运行。
2.2并联电容器
并联电容器是用得最多的一种无功功率补偿设备，它应用范围广，既可以集中安装在中心变电站，也可以分散安装在电力负荷处；可根据所需无功的多少，自动切投电容，是一种性能优越的无功补偿方法。但是电容器的投切是有限的，它不能动态跟踪系统所需无功功率的变化，易出现过补偿或欠补偿现象。
2.3并联电抗器
为了防止线路轻负荷运行时，线路电压升高，一般装设并联电抗器吸收线路的无功功率，同时，并联电抗器也可用来限制由于突然减负荷或接地故障引起的过电压，保护设备的绝缘安全。
2.4静止补偿器
调相机、电容器、电抗器是对电力系统静态无功功率的补偿，静止补偿器主要用于动态无功功率的补偿，它最大特点是调节快速。静止补偿器实际上是将可控电抗器与电容器并联使用，电容器发出无功功率，电抗器吸收无功功率，其控制系统由可控电子器件实现，响应速度快，主要用于动态冲击负荷的补偿，迅速改变所输出无功功率的性质，保持电压恒定。
3 瞬时无功功率的检测
瞬时无功功率理论亦称p-q理论，是以电压和电流在α-β坐标系下进行坐标变换为基础，建立瞬时有功功率p和无功功率q。
设三相电压和电流的瞬时值分别为νa，νb、νc和ia、ib、ic。把它们转换到α-β两相正交的坐标系下，可得两相瞬时电压να、νβ、和两相瞬时电流iα、iβ，矢量图如图l所示，其转换公式如下：
式中
由矢量图l可知，在α-β坐标系下，να、νβ和iα、iβ又可由矢量V和I表示：
ν=να+νβ=V∠φe
i=iα+iβ=I∠φi
式中V、I分别是ν、i的模，φe和巾φi分别为电压电流的幅角。
图1α-β正交坐标系
由有功功率和无功功率的定义可知，有功功率p和无功功率q如下式表示：
p=νicosφ
q=νisinφ(4)
式中φ=φe-φi。
把(3)代入(4)可得：
式中
基于瞬时无功功率理论的无功电流检测原理图如图2所示，它可根据瞬时无功功率定义计算出瞬时有功功率p和无功功率q。
图2瞬时无功功率检测图
4动态无功补偿装置原理
对煤矿大功率、冲击性负荷，必须就地补偿无功功率，就地无功补偿的优点是能够针对负荷的运行情况进行无功补偿，减小了井上变电站向大功率、冲击性负荷输送的无功功
率，同时也能够减少冲击性负荷向矿井电网中注入的谐波。本文采用TCR动态无功补偿装置，TCR的单相原理图如图3所示，它能根据冲击性负荷的工作特点随时调整所补偿的无功功率。
图3 TCR补偿器结构图
图3中，两个反并联的晶闸管与一个电抗器相串联，分别作单相交流半波开关运行，其三相多接成三角形，这样的电路并入到电网中相当于交流调压器电路接电感性负载。晶闸管
T1在电压的正半波导通，而晶闸管T2在供电电压的负半波导通，晶闸管的触发角以其两端之间电压的过零时刻作为计算的起点，触发角α的可控范围是90°~180°。当触发角从90°变到接近180°时，TCR中的电流呈非连续脉冲形，对称分布于正半波和负半波。当触发角为180°时，电流减少到零，此时电抗器吸收的无功电流最大。当触发角低于90°时，将在电流中引入直流分量，从而破坏两个反并联阀支路的对称运行。通过控制晶闸管的触发延迟角，可以连续调节流过电抗器的电流，相当于改变电抗器的等效电抗器。所以通过调整触发角的大小就可以改变补偿器所吸收的无功分量，达到调整无功功率的效果，电压电流特性如图4所示。
图4 TCR电压电流特性
5结论
通过对各种无功补偿的优缺点阐述，详细描述了煤矿电网中冲击性负荷进行动态就地补偿的原因，叙述了瞬时无功功率检测的基本原理，提出了对冲击负荷进行动态就地补偿的想法，该技术的应用可对煤矿电网的良好运行起到很大作用。
参考文献
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关键词:无功功率;功率因数;动态补偿;投切方式
中图分类号:TM761文献标识码:A
文章编号:1009-2374 (2010)24-0109-03
无功功率补偿装置在电力供电系统中承担着提高电网的功率因数、降低损耗、提高效率、改善供电环境的重要作用,我国的电力浪费是很惊人的。有些地区电网质量严重超标,要改善这一状况,从电力设计部门到供电部门,再到用户都要认真对待,对于所处的供电系统,它所提供的电网质量如何?电损多少?这个系统的负载对电网造成什么样的影响等,掌握了这些就可以做到合理的设计或改造这个供电系统。其中重要的一环就是选择无功功率补偿装置。合理选择补偿装置,可以做到最大限度的减少网络损耗,使电网质量提高。若选择或使用不当,则可能造成供电系统电压波动,谐波增大等。下面仅就低压无功补偿装置的特点及其使用注意事项做一些描述。
1按投切方式分类
1.1延时投切方式
延时投切方式即人们熟称的”静态”补偿方式。这种投切依靠于传统接触器的动作,当然用于投切电容的接触器专用的,它具有抑制电容的涌流作用,如CJ-19、CJX-2C等,延时投切的目的在于防止接触器过于频繁的动作时,电容器造成损坏,更重要的是防备电容不停的投切导致供电系统振荡,这很危险。当电网的负荷呈感性时,如电动机、电焊机等负载,这时电网的电流滞后电压一个角度,当负荷呈容性时,如过量的补偿装置的控制器,这时电网的电流超前于电压的一个角度,即功率因数超前或滞后,是指电流与电压的相位关系。通过补偿装置的控制器检测供电系统的物理量,来决定电容器的投切,这个物理量可以是功率因数或无功电流或无功功率。下面就以功率因数型举例说明。当这个物理量满足要求时,如cosΦ超前且>0.98,滞后且>0.95,在这个范围内,此时控制器没有控制信号发出,这时已投入的电容器组不退出,没投入的电容器组也不投入;当检测到cosΦ不满足要求时,如cosΦ滞后且
1.2瞬时投切方式
瞬时投切方式即人们熟称的“动态”补偿方式,应该说它是半导体电力器件与数字技术综合的技术结晶,实际就是一套快速随动系统,控制器一般能在半个周波至1个周波内完成采样、计算,在2个周期到来时,控制器已经发出控制信号了。通过脉冲信号使晶闸管导通,投切电容器组大约20～30毫秒内就完成一个全部动作,这种控制方式是机械动作的接触器类无法实现的。动态补偿方式作为新一代的补偿装置有着广泛的应用前景。现在很多开关行业厂都试图生产、制造这类装置且有的生产厂已经生产出很不错的装置。当然与国外同类产品相比从性能上、元器件的质量、产品结构上还有一定的差距。
动态补偿的线路方式:
(1)LC串接法原理如图1所示,这种方式采用电感与电容的串联接法,调节电抗以达到补偿无功损耗的目的。从原理上分析,这种方式响应速度快,闭环使用时,可做到无差调节,使无功损耗降为零。从元件的选择上来说,根据补偿量选择1组电容器即可,不需要再分成多路。
这应该是非常理想的补偿装置。但由于要求选用的电感量值大,要在很大的动态范围内调节,所以体积也相对较大,价格也要高一些,再加一些技术的原因,这项技术到目前来说还没有被广泛采用或使用者很少。
(2)采用电力半导体器件作为电容器组的投切开关,较常采用的接线方式如图2。图中BK为半导体器件,C1为电容器组。这种接线方式采用2组开关,另一相直接接电网省去一组开关,有很多优越性。
作为补偿装置所采用的半导体器件一般都采用晶闸管,优点是选材方便,电路成熟又很经济;不足之处是元件本身不能快速关断,在意外情况下容易烧毁,所以保护措施要完善。当解决了保护问题,作为电容器组投切开关应该是较理想的器件。
动态补偿的应用范围前面已做了简单介绍,但就其实际的补偿效果还要看控制器是否有较高的性能及参数。很重要的一项就是要求控制器要有良好的动态响应时间,准确的投切功率,还要有较高的自识别能力,这样才能达到最佳的补偿效果。
当控制器采集到需要补偿的信号发出一个指令(投入一组或多组电容器的指令),此时由触发脉冲去触发晶闸管导通,相应的电容器组就并入线路运行。需要强调的是晶闸管导通的条件必须满足其所在相的电容器的端电压为零,以避免涌流造成元件的损坏,半导体器件应该是无涌流投切。当控制指令撤消时,触发脉冲随即消失,晶闸管零电流自然关断。关断后的电容器电压为线路电压交流峰值,必须由放电电阻尽快放电,以备电容器再次投入。
1.3混合投切方式
它是静态与动态补偿的混合,一部分电容器组使用接触器投切,而另一部分电容器组使用电力半导体器件。这种方式在一定程度上可做到优势互补,但就其控制技术,目前还见到完善的控制软件,该方式用于通常的网络如工矿、小区、域网改造,比起单一的投切方式拓宽了应用范围,节能效果更好。补偿装置选择非等容电容器组,这种方式补偿效果更加细致,更为理想。还可采用分相补偿方式,可以解决由于线路三相不平行造成的损失。
在无功功率补偿装置的应用方面,选择那一种补偿方式,还要依电网的状况而定,首先对所补偿的线路要有所了解,对于负荷较大且变化较快的工况,电焊机、电动机的线路采用动态补偿,节能效果明显。对于负荷相对平稳的线路应采用静态补偿方式,也可使用动态补偿装置。对于一些特殊的工作环境就要慎重选择补偿方式,尤其线路中含有瞬变高电压、大电流冲击的场合是不能采用动态补偿的。一般电焊工作时间均在几秒钟以上,电动机启动也在几秒钟以上,而动态补偿的响应时间在几十毫秒,按40毫秒考虑则从40毫秒到5秒钟之内是一个相对的稳态过程,动态补偿装置能完成这个过程。如果线路中没有出现这么一段相对的稳态过程并能量又有较大的变化,我们把它称为瞬变或闪变,采用动态补偿就要出问题并可能引发事故。
2无功功率补偿控制器
无功功率补偿控制器有三种采样方式:功率因数型、无功功率型、无功电流型。选择那一种物理控制方式实际上就是对无功功率补偿控制器的选择。控制器是无功补偿装置的指挥系统,采样、运算、发出投切信号,参数设定、测量、元件保护等功能均由补偿控制器完成。
2.1功率因数型控制器
功率因数用cosΦ表示,它表示有功功率在线路中所占的比例。当cosΦ=1时,线路中没有无功损耗。提高功率因数以减少无功损耗是这类控制器的最终目标。这种控制方式也是很传统的方式,采样、控制也都较容易实现。
“延时”整定,投切的延时时间,应在10～120s范围内调节“灵敏度”整定,电流灵敏度,不大于0～2A。
投入及切除门限整定,其功率因数应能在0.85(滞后)～0.95(超前)范围内整定。过压保护设量、显示设置、循环投切等功能。
这种采样方式在运行中既要保证线路系统稳定、无振荡现象出现,又要兼顾补偿效果,这是一对矛盾,只能在现场视具体情况将参数整定在较好的状态下工作。即使调整的较好,也无法祢补这种方式本身的缺陷,尤其是在线路重负荷时。举例说明:设定投入门限;cosΦ=0.95(滞后),此时线路重载荷,即使此时的无功损耗已很大,再投电容器组也不会出现过补偿,但cosΦ只要不小于0.95,控制器就不会再有补偿指令,也就不会有电容器组投入,所以这种控制方式建议不作为推荐的方式。
2.2无功功率(无功电流)型控制器
无功功率(无功电流)型的控制器较完善的解决了功率因数型的缺陷。一个设计良好的无功型控制器是智能化的,有很强的适应能力,能兼顾线路的稳定性及检测及补偿效果,并能对补偿装置进行完善的保护及检测,这类控制器一般都具有以下功能:四象限操作、自动、手动切换、自识别各路电容器组的功率、根据负载自动调节切换时间、谐波过压报警及保护、线路谐振报警、过电压保护、线路低电流报警、电压、电流畸变率测量、显示电容器功率、显示cosΦ、U、I、S、P、Q及频率。
由以上功能就可以看出其控制功能的完备,由于是无功型的控制器,也就将补偿装置的效果发挥得淋漓尽致。如线路在重负荷时,即使cosΦ已达到0.99(滞后),只要再投一组电容器不发生过补,也还会再投入一组电容器,使补偿效果达到最佳的状态。采用DSP芯片的控制器,运算速度大幅度提高,使得傅里叶变换得到实现。当然,不是所有的无功型控制器都有这么完备的功能。国内的产品相对于国外的产品还存在一定的差距。
2.3用于动态补偿的控制器
对于这种控制器要求就更高了,一般是与触发脉冲形成电路一并考虑的,要求控制器抗干扰能力强,运算速度快,更重要的是有很好的完成动态补偿功能。由于这类控制器也都基于无功型,所以它具备静态无功型的特点。
3结论
【关键词】井下供电系统；SVC无功补偿；TCR
1.矿山井下供电系统进行无功功率补偿的原因
在矿山井下供电系统中大量使用非线性电力负荷，如大功率变压器、电动机、整流设备、变频调速设备以及以电力电子器件为核心的电气设备，这些感性负荷在其运行过程中不仅会消耗大量无功功率，降低功率因数，同时还会产生高次谐波电流，造成供电质量下降，并影响供电系统供电可靠性。
另一方面无功电流的增大还会促使供电线路、用电设备绝缘的加速老化，最终造成供电设备的漏电和短路故障的发生。
2.功率因数与无功功率补偿概念
2.1 功率因数
矿山井下供电系统中电动机、变压器等感性负载，在运行过程中电压和电流相量间存在着一个相位差，此相位角的余弦cosφ即是通常所说的功率因数，也是供电系统运行有功功率与视在功率间的比值，即cosφ=P/S。功率因数是衡量电力用户用电设备合理使用状况、供电电能质量、电能利用效益以及用电管理水平的重要技术和经济指标。
2.2 无功功率补偿
把具有容性负荷的电气装置与具有感性负荷的电气装置联接于同一个供电网络中，当容性装置释放能量时，感性负荷吸收能量；而感性负荷释放能量时，容性装置也吸收能量，即通过容性和感性装置的合理搭配，实现能量在装置间的相互转换，实现感性负荷在运行过程中所吸收的无功容量由容性装置输出的无功功率进行补偿，以确保供电系统平衡关系。
3.传统的无功功率补偿方式
传统的无功功率补偿是在供电系统中固定安装或自动投切方式接入并联电容器等容性设备。这种无功功率补偿方式属于静态无功补偿方式，其结构简单，这种补偿方式在负荷较为平稳的供电系统中广泛的应用。但是对于矿山井下供电系统中其改善无功功率的作用非常有限，首先在矿山供电系统中用电负荷随着采掘面地质条件的不同，负荷变化很快，而并联补偿电容器组，需待放电完全后才能再次投入，至少需要数十秒以上，所以这种无功补偿响应时间较长。其次在井下供电系统中无功功率的产生是不断变化的，而固定投切的并联补偿电容器组其补偿能力是固定不变的，无法平滑线性调节无功输出。第三由于井下地质条件的不同，三相供电系统会出现负载的不平衡现象，即负载电流的偏移，而并联补偿电容器组是三相完全平衡的，这种无功补偿无法解决和改善井下供电系统的不平衡度。
4.新型TCR型SVC无功补偿
4.1 TCR型SVC无功补偿工作原理
TCR型SVC无功补偿装置主要由无源滤波器FC和晶闸管控制电抗器TCR共同组成。谐波滤波回路的主要工作原理为：当LC调谐于高次特征谐波频率，进而形成高次谐波电流的短路通道，达到谐波滤波抑制效果；对于基波而言，LC回路则会对供电系统提供一定容量的容性无功进行补偿，进而起到无功功率动态补偿作用。当LC回路在空负荷运行工况下，会出现严重过补偿问题，因此，采用一个可调电抗（电感）来产生与LC回路产生容性功率相匹配的感性无功功率，从而抵消容性无功功率对供电系统的冲击作用，确保供电系统运行稳定。TCR型SVC无功补偿装置由3组反向并联的晶闸管阀、3组并联电抗器、以及调节控制器3部分共同组成，其工作原理是：利用调节控制器自动跟踪供电系统中负荷波动情况，然后自动形成调控策略发出与冲击负荷相匹配的PTCR触发脉冲，通过触发脉冲改变晶闸管触发角，实现改变电抗器的电流量，进而对供电系统实现动态平滑无功功率补偿功能。
4.2 TCR型SVC无功补偿的特性
4.2.1响应速度
由于TCR型SVC设备采用动态补偿方式，由触发脉冲信号控制晶闸管电抗器，同时SVC设备自身的专用算法及DSP控制芯片等专有技术， SVC设备从脉冲信号产生到晶闸管的补偿动作响应时间小于10ms。 4.2.2谐波的治理 TCR型SVC设备中LC调谐于高次特征谐波频率，进而形成高次谐波电流的短路通道，达到谐波滤波抑制效果，因此SVC设备可以对有效的治理负载产生的谐波。 4.2.3三相不平衡的治理 TCR型SVC设备采用STEINMETZ理论，当电网中三相负荷不平衡时，将不对称的电流进行分解，通过改变电抗器的电流量，产生正序和负序电流，这当中的负序电流可以起到保护由电力系统中起动元件和自动装置的负电流产生的误动作。同时SVC设备还具有良好的分相调节能力，抑制负序电流达70%以上。
4.2.4 设备损耗
由于SVC设备直接安装在高压侧，工作靠脉冲信号触发。其工作电流小，其自身的平均损耗为设备补偿容量的0.2%～0.3%，这相对于传统固定电容组的补偿模式要节能的多。 4.2.5 调节特性 TCR型SVC通过调节晶闸管的触发角来改变TCR的无功输出，其控制精度可以小于0.1电角度，所以可以得到线性平滑的无功输出。
5.低压无功功率的补偿
上面我们对供电系统的高压无功功率补偿做了阐述，但是矿山井下电动作业设备也许要进行无功功率补偿，对于低压无功功率补偿一般采用就地补偿，将单台或多台低压电容器组与用电设备并连，通过控制、保护装置与电机同时投切。随机吸收电感性设备的无功能量，转换成有功能量反送回电感设备。这样从源头上转化了无功能量，能够减少大量的线路损耗能量，提高配变利用率，降低了视在功率。
6.结束语
矿山企业作为传统的电力消耗大户，面对我国节能减排重大国策时，矿山企业通过正确选择矿山井下供电系统的无功补偿装置和技术，不仅可以提高矿井供电系统可靠性和电能利用率，也可以促进矿山企业技术进步，提高和改善自身运营社会经济效益。我们通过对传统静态无功补偿与TCR型SVC设备无功补偿装置等比较，并就TCR型SVC设备无功补偿的各项性能进行分析，争取为为矿山供电系统无功功率补偿和谐波治理探索出一条成功之路。
【关键词】无功功率；补偿；单片机
1.引言
由于电网中大量使用感性负载，使得大量的无功功率在电网中流动，造成了电能的浪费和电压的不稳定，甚至损坏设备，无功功率是影响电力系统稳定的一个关键因素。它关系到整个系统能否安全稳定运行。因此，在讨论无功功率补偿基本理论的基础上，研究基于单片机的无功功率补偿装置，对维持电压水平和提高电力系统运行的稳性，降低网损，使电力系统能够安全经济运行具有十分重要的意义。
2.无功功率补偿的原理和意义
2.1 无功补偿的基本原理和概念
在整个电力系统中，由于输送部门三相电传送质量不高以及用户的普通电气设备的性能存在缺陷，所以导致在电网中存在无功不平衡。为保证电网的高质量运行，供电电压和频率必须在一定的区间为维持一个正常的水平，否则电力系统的运行就会受到影响。而频率的控制以及电压控制都与电力系统的无功功率控制紧密联系，所以，研究无功功率的补偿就显得尤为重要。
无功补偿的基本原理是：在电力系统中，把具有容性功率负荷的设备与感性功率负荷并联接在同一电路中，使得能量能够在两种负荷之间交换，在这种情况下，感性负荷所需的无功功率就可由容性负荷输出的无功功率补偿，这就是无功功率补偿的基本原理，设计无功功率补偿装置的出发点和基本思路需要遵照此原理。
2.2 无功功率补偿的意义和作用
无功功率补偿关系到电力系统和电气设备的安全运行，一直以来，无功补偿都是电气自动化及电力系统领域的一个重要研究课题。研究无功功率补偿的意义在于：提供稳定的网间电压，保证供电的质量和稳定性；较少电能的线路损耗，提高输电网络的有功传输水平；在较高的程度上平衡三相电的有功和无功功率；提高发电机的有功功率输出水平；改善电气系统的整体性能和稳定；有效减少电气元件的发热，使设备保持较高的可用性，提高设备的使用寿命；提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减小功率损耗；增强电气系统的安全性，提高安全运行系数，避免整个系统发生电压崩溃和稳定破坏事故。
2.3 无功功率补偿装置的分类
无功功率补偿装置的研究已经持续了数十年，在数十年的研究过程中，有不同种类、不同针对性的无功功率补偿装置诞生，形成了多种分类标准和体系。比较常见的分类标准有装置是否具备运动部件、开始使用的时间、电压的等级、装置本身是否带电源等。
3.基于单片机的无功功率补偿装置设计
3.1 系统总体设计及参数要求
本次设计研发的无功功率补偿装置具有无触点、低发热量、小冲击、过零投切、安全性可靠性高、无需维护的特点，能够实现自动补偿、实时补偿、自动无触点投切、无人值守等功能。系统采用80C196KC单片机为控制核心，设计一款大功率晶闸管电路来实现无功功率自动补偿。系统的核心参数包括补偿后功率因数≥0.95，同时系统能够在交流电20毫秒的周期内对三相电压、电流进行至少100次的采样。该系统可解决传统的补偿器可靠性差、故障多、维护工作困难且工作量大、使用时间短等缺点。
3.2 控制方式的选择
控制方式主要由功率因数控制、无功功率控制、多变量综合控制、基于瞬时无功功率理论的控制四种，最合理的补偿方式应该能够在最大程度上利用补偿设备提高电网功率因数、避免发生过补偿、无投切振荡和无冲击投切现象。综合考虑多方面的因素和系统设计要求，考虑采取功率因数控制方法，通过测量电网电压和电流的过零时间差，通过计算求解功率因素。同时过零时间差还可以用来判断是过补偿还是欠补偿。
3.3 补偿方式的选择
补偿方式有三相共补、单相补偿、共补、分补相结合三种方案可供选择，通过对系统的设计需求的分析，本次设计拟采用三相共补的方案，因为该方法简单且容易控制。同时可以有效的减少硬件资源的投入成本，避免过、欠补现象发生，节省补偿电容容量，使整个系统都具有很好的经济性。
3.4 投切方式的选择
投切方式主要有晶闸管和二极管反并联、晶闸管反并联、双向晶闸管三种。在三种投切方式中，晶闸管反并联在可靠度方面更具有优势，但双向晶闸管方式结合了另外两种方式的优点，可以保证系统能够获得不错的可靠度和安全稳定性，同时，设备投入少，控制的难度适中，所以应选择采用双向晶闸管作为投切方式。
4.硬件电路及整体软件设计
4.1 硬件电路设计基本要求
根据系统功能要求及核心技术参数要求以及控制方式、补偿方式、投切方式的选择方案，需要对系统电路的器件选择、数量以及电路的设计等做总体规划，以实现通过最少最节省的部件和最优的电路设计达到最经济资源实现最好电路功能的目的。本次电路设计主要包含以下几个方面的内容，输入接口电路，单片机80C196KC最小工作电路，基于MOC3061芯片的输出驱动电路，输出电容器组电路。主要需要解决以下几个方面的问题：首先需要综合考虑硬件设备和软件编程之间的耦合度和关联性问题，实现“能软不硬,软硬适中”；其次，单元电路的设计要力求简单合理，技术先进适用，避免复杂电路导致系统控制条件复杂，参数繁琐等问题；第三，尽量采用当前流行的新工艺、新技术、新方法，优先考虑采用标准成熟模块，同时，使用标准接口，增强系统的通用和稳定性；最后，整体电路的设计要遵循“自顶向下”，“自底向上”的总体原则，核心展开，系统集成法兼顾。
4.2 软件系统设计
软件是整个单片机控制自动补偿装置的核心和灵魂。软件系统设计的好坏直接决定了系统的稳定性以及可控性。因此，必须对软件系统的功能做深入探讨和分析，对软件系统的设计方法和控制策略做详细说明。首先，软件系统控制能力好坏的最重要标准就是实时性，在动态无功补偿装置控制系统中，要求用最短的时间，完成软件处理的过程。其次，可靠性，包括两方面的内容，一是运行中避免发生故障的能力二是，发生故障后的解脱和排除的能力。第三是软件系统的程序设计的可读性。要求控制系统程序用模块化设计方法，采用C语言和汇编语言混合编制，同时保留好软件设计日志以保证后期的维护查找。
5.结论
无功功率补偿问题对整个电网的安全、稳定运行的意义不言而喻。传统的无功功率补偿装置安全可靠性差，自动化程度低，无法实现自动投切。本文研究的基于Intel公司80C196KC单片机为控制核心的无功功率自动补偿装置，对提供整个电网运行的安全稳定性，提高无功功率补偿的稳定性和自动化程度都具有十分重要的意义。
参考文献
[1]葛军,陈琦.低压无功补偿的新技术一智能分相补偿技术[J].华东电力,2002,3:45-46.
[2]刘黎明,刘涤尘,史进.智能式动态无功补偿装置的研究[J].电力情报,2002,1:15-19.
关键词：无功功率补偿 故障 安全运行
中图分类号：TM53 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）07（b）-0108-01
为了减少电力系统无功损耗、改善电能质量、提高功率因数，我单位在10 kV变配电所低压侧采用并联电容器组，安装低压智能无功功率补偿控制柜的方法对无功功率进行补偿，从而实现节能降耗的目的。低压智能无功功率补偿控制柜主要由智能无功功率补偿控制器、切换电容器交流接触器、自愈式电容器、放电指示灯及熔断器等其他电气元件组成。
1 设备异常现象及常见故障检修示例
在工作实践中，设备有以下几种常见的异常现象及故障需要设备运行人员及维修人员加以了解掌握。
1.1 智能控制器不能正常工作
（1）控制器不工作。通常是接线错误或连接导线开路造成的。接线错误一般发生在设备安装阶段，能够在电容柜投入试运行时发现并及时排除。连接导线开路故障通常是在设备运行一段时间后，紧固导线 的接线端子松动引起导线接触不良或开路。所以在对故障排查时要仔细检查导线连接回路中每一个接线端子，对松动的接线端子加以紧固并更换损坏的接线端子。
（2）欠补偿或过补偿。此种现象通常是参数设置不恰当造成的。智能无功功率补偿控制器的投入门限在0.80～0.99范围内可调，切除门限在滞后0.91～超前-0.90之间可调。如是欠补偿可检查投入门限设定值是否偏低，将设定值适当调高后检验补偿效果。如是过补偿可将切除门限设定值向低调，减小电容器切除门限。如果在过补偿状态下，电容器还继续投入，直至全部投入并保持下去，则需考虑是智能控制器本身过于灵敏原因造成的。当投入多组电容器后，电网负荷突然停运，无功迅速变化，如控制器来不及反应，电容器则会在电网中继续运行，形成过补偿。控制器自动相序判断功能会把过补误判为欠补偿运行而继续投入电容器组，直到电容器组全部投入。
1.2 交流接触器故障
（1）限流电阻烧坏。切换电容器交流接触器加装有一组限流装置，限流装置主要由限流触点和限流电阻构成，其功能是抑制合闸涌流。在电容器投入时，如果浪涌电流过大，超过了接触器本身的抑制能力，则会出现限流电阻烧坏的情况。针对这种故障，维修人员可采用更换限流电阻的方法进行修复。
（2）接触器噪声大。交流接触器在运行过程中，如果电磁铁振动严重、噪声过大，则需考虑下列因素。
①接触器铁芯极面磨损过度或异物侵入铁芯极面导致极面接触不平产生较大噪声。可拆下线圈检查铁芯动、静端面的平整度，用什锦锉将端面锉平，清理侵入铁芯极面的异物。如果铁芯极面磨损严重，则需更换铁芯。②机械部分卡涩或磁系统歪斜使铁芯不能吸平原因致使噪声过大。主要检查机械部分运动是否顺畅，修复机械损伤部分。检查衔铁与机械部分的连接销是否松动，对夹紧螺丝进行紧固。③接触器线圈电气回路路部分故障导致线圈电压不稳定，电磁铁振动噪声过大。主要原因是紧固导线的螺丝松动，在接触器线圈工作时形成断续供电打火现象，造成线圈两端电压不稳。可通过检查接触器线圈与导线连接端子以及导线回路中各连接端子紧固螺丝是否松动，对松动的接线端子进行紧固处理即可排除故障。④触头超行程或触头弹簧压力过大造成噪声大。可通过调整减小超行程和触头弹簧压力的方法，降低或消除其产生的噪声。
（3）主触头过热、熔焊。
主要有下列因素。
①接触器限流装置损坏引起主触头过热、熔焊。电容器合闸涌流较大，如限流装置损坏，则浪涌电流全部由主触头承受，造成触头过热，甚至熔焊。通过对接触器限流装置进行维修更换，即可消除该故障。
②触头弹簧压力过小。采用经验测量方法，在动、静触头间放一厚度约0.1 mm，宽度比动、静触头接触面稍宽的纸条，在接触器通吸合电状态下抽拉纸条。如果是100 A以上的接触器，在纸条抽出时有撕裂现象，则可判定弹簧压力为合适压力。③触头容量减小。接触器在投、切电容器组过程中，触头表面会产生电弧形成烧灼麻点，随着麻点的逐渐增多，触头容量逐渐减小。如果接触器工作环境灰尘较大，则触头的烧损速度会更快。当触头容量不能满足工作需求时，则会产生过热现象。
1.3 自愈式电容器故障
（1）外壳温度过高。电容器外壳温度超过铭牌标注额定温度常见有以下原因。
①变电所内环境温度过高。测量所内日平均温度超过30 ℃或时平均温度达到40 ℃，需采用强排风或空调制冷方法降低工作环境温度使电容器外壳温度降至允许温度范围内。②电容器接线柱连接松动。如果螺丝没有拧紧，接线柱与导线连接松动，则连接点会发热，引起外壳温度也升高。连接点发热严重时，还会烧断导线，引发事故。
（2）电容器发出异常声响。
①电容器发出放电声响，时间比较短、声音比较闷。这是电容器内部绝缘介质击穿短路发出的声音。自愈式低电压电容器有自愈功能，在介质击穿后会自动恢复绝缘，通常无需采取措施。②电容器在运行中如发出电磁力振动声，时有时无，则有谐波电流流过电容器。一般谐波电流在允许范围内不需理会。如谐波电流过大，则必须采取在电容器回路串电抗器或装滤波器措施抑制谐波。
2 注意事项
（1）维修人员在修复接触器铁芯极面和触头时，不得使用砂纸进行打磨，以免金刚砂嵌入影响其接触。（2）因熔断器熔丝熔断通常是电容器内部故障引起的，所以在熔丝熔断后应先对电容器进行仔细检查，然后再作出相应处理。（3）因电容器在故障情况下存在燃烧、爆破的危险，所以值班人员应熟知电容器的工作特性。通过听其声音、观察各指示仪表的方法，对电容器的运行状态进行分析判断。当发现三相电流明显不平衡或运行参数超出电容器的工作条件等异常情况时，应及时退出电容器组进行检查。
关键词：无功功率补偿谐波危害低压无源滤波低压有源滤波
中图分类号：C35文献标识码： A
前言：
近年来，随着全球工业化进程的不断加快，对地球环境的污染和破坏也空前加剧。为此，在全世界范围内掀起了环境保护的热潮，电力系统也是一种“环境”，也面临着污染，公用电网中的谐波电流和谐波电压就是对电网环境最严重的一种污染。
1996年10月08日水利电力部了文号为电力工业部令第8号《供电营业规则》国家法律法规。《供电营业规则》受电设施建设和维护管理中规定：“无功电力应就地平衡。”“除电网有特殊要求的用户外，用户在当地供电企业规定的电网高峰负荷时的功率因数，应达到下列规定：100千伏.安及以上高压供电的用户功率因数为0.9以上；其他电力用户和大、中型电力排灌站、趸购转售电企业，功率因数为0.85以上；农业用电，功率因数为0.8。凡功率因数不能达到上述规定的新用户，供电企业可拒绝接电。”供电质量与安全供用电中规定：“电网公共连接点电压正弦波畸变率和用户注入电网的谐波电流不得超过国家标准GB/T14549-93的规定。”若不满足要求，“供电企业可中止对其供电。”
一、无功功率补偿和谐波的简述
1.1无功功率补偿介绍
无功功率对供电系统和负荷的运行都是十分重要的，电力系统网络元件的阻抗主要是电感性的。在电力系统中，粗略的说，为了输送有功功率，就要加送电端和受电端的电压有一相位差，这在相当宽的范围内可以实现，而为了输送无功功率，则要求两端电压有一幅值差，这只能在很窄的范围内实现。不仅网络元件消耗无功功率，大多数负载也需要消耗无功功率，网络元件和负载所需要的无功功率必须从网络中获得。显然，如果这些无功功率都是由发电机提供并经过长距离的传输是不合理的，也是不可能的，所以最合理的方法是需要消耗无功功率的地方进行无功功率补偿。
1.2无功功率对公用电网的影响
增加设备容量
增加设备及线路损耗
使线路及变压器的电压降增大，电压产生剧烈波动，供电质量严重降低。
1.3无功功率补偿的作用
提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗。
稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。
在长距离输电线路中可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力。
1.4补偿方式
根据系统负载情况的不同和需要达到的补偿效果的不同，按照电容器安装的位置不同，无功功率补偿方式分为三种：
（1）集中补偿（2）分组补偿（3）就地补偿
补偿容量示意图
1.5补偿容量的计算
如果已知负荷的有功功率P和补偿前的功率因数cosΦ1中，现将功率因数提高到cosΦ2中，所需补偿的无功功率Q可按下式计算：
1.5.1低压集中补偿
需补偿的无功功率：
上式中：P-负荷的有功功率，千瓦；
cosθ1-补偿前负荷的自然功率因数；
cosθ2-补偿后负荷要求达到的功率因数；
1.5.2电机就地补偿
需补偿的无功功率：
上式中：P-负荷的有功功率，千瓦；
cosθ1-补偿前负荷的自然功率因数；
cosθ2-补偿后负荷要求达到的功率因数；
η-电机的效率；
1.5.3电容器额定电压
在380V电网系统中，本公司建议使用450V电压等级产品，以适应中国国情的电网。也是今后加装电抗器的需要，串联电抗器后电容器两端电压升高，电容器额定基波电压Un=Uo（系统基波电压）（1-λ），λ为电抗率。
2.1谐波定义
供电系统谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅里叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量称为谐波。谐波频率与基波频率的比值（n=fn/f1）A称为谐波次数。电网中有时也存在非整数倍谐波，称为非谐波或分数谐波。谐波实际上是一种干扰量，使电网受到污染。电工技术领域主要研究谐波的发生，传输，测量，危害及抑制，其频率范围一般为2≤n≤50。
2.2谐波源
用户向公用电网注入谐波电流的电气设备或在公用电网中产生谐波电压的电气设备，统称谐波源。
常见的谐波源主要有：换流设备、电弧炉、铁芯设备、照明设备、某些生活日用电器等非线性电气设备。
2.3谐波的危害
使旋转电机效率降低，发热增加，并且由于集肤效应，在转子表面形成环流，造成局部发热，缩短使用寿命。
变压器由于谐波电流产生大的附加损耗，引起过热，从而使绝缘介质老化加速，导致绝缘损坏。谐波电流还能引起变压器铁芯的磁滞伸缩和噪声。
谐波易引发并联电容器的过载发热，易构成谐波谐振，当谐波电压与基波电压峰值发生叠加时，易引起电容器介质的局部放电，同时缩短并联电容器的绝缘寿命。
断路器由于谐波的存在会降低热元件的发热动作电流，断路器的开断能力降低，当存在严重的谐波电流时，某些断路器的磁吹线圈不能正常工作。
电子设备受到谐波干扰易误动作。
继电保护由于谐波引起的相位变化会产生误动或拒动。
谐波对通信线路、信息线路产生噪声，甚至造成故障。
2.4电力系统抑制谐波的措施
为了把谐波对电力系统的干扰（污染）限制在系统可以接受的范围内，我国和国际上分别颁布了电力系统谐波管理暂行规定和IEC标准，明确了各种谐波源产生谐波的极限值。
电力系统抑制谐波的主要措施有：
2.4.1在补偿电容器回路中串联一组电抗器如果对应某次谐波有Xin-Xcn=0即发生谐振，其谐波电流、电压都趋于无穷大。为了摆脱这一谐振点，通常在电容器支路串联电抗器，其感抗值的选择应使在可能产生的任何谐波下，均使电容器回路的总电抗为感抗而不是容抗，从根本上消除了产生谐振的可能性。
2.4.2装设由电容，电感及电阻组成的单调谐滤波器和高通滤波器。
单调谐滤波器是针对某个特定次数的谐波而设计的滤波器，高通滤波器是为了吸收若干较高次谐波的滤波器。应装设滤波器的类型、组数及其调谐频率（滤波次数）可由具体计算决定。
2.4.3增加整流相数
高次谐波电流与整流相数密切相关，即相数增多，高次谐波的最低次数变高，则谐波电流幅值变小。一般可控硅整流装置多为6相，为了降低高次谐波电流，可以改用12相或24相。当采用12相整流时，高次谐波电流只约占全电流的10％，危害性大大降低。
2.4.4当两台以上整流变压器由同一段母线供电时，可将整流变压器一次侧绕组分别交替接成Y型和型，这就可使5次、7次谐波相互抵消，而只需考虑11次，13次谐波的影响，由于频率高，波幅值小，所以危害性减小。
二、无功功率补偿和谐波抑制的设置
现阶段，低压电力电网中，无功功率补偿和谐波抑制主要分三种方案：（一）低压无功功率补偿装置，（二）低压无源滤波补偿装置，（三）低压有源滤波补偿装置。
（一）低压无功功率补偿装置
1.1无功补偿的基本原理：
电网输出的功率包括两部分;一是有功功率;二是无功功率。直接消耗电能,把电能转变为机械能,热能,化学能或声能,利用这些能作功,这部分功率称为有功功率;不消耗电能;只是把电能转换为另一种形式的能,这种能作为电气设备能够作功的必备条件,并且,这种能是在电网中与电能进行周期性转换,这部分功率称为无功功率,如电磁元件建立磁场占用的电能,电容器建立电场所占的电能。
电流在电感元件中作功时,电流滞后于电压90°.而电流在电容元件中作功时,电流超前电压90°.在同一电路中,电感电流与电容电流方向相反,互差180°.如果在电磁元件电路中有比例地安装电容元件,使两者的电流相互抵消,使电流的矢量与电压矢量之间的夹角缩小。无功补偿的具体实现方式：把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并联接在同一电路，能量在两种负荷之间相互交换。这样，感性负荷所需要的无功功率可由容性负荷输出的无功功率补偿。
1.2低压无功功率补偿的功能特点：
（1）结构简洁，操作方便，运行安全可靠；
（2）模块化结构，随着企业的发展，无功补偿容量不足时，可随时增加模块进行扩容；
（3）装置补偿方式灵活，依据实际需求可以选择三相补偿、分相补偿、混合补偿，达到
补偿最佳效果；
（4）采用智能型控制，容量相同的电容器按循环投切原则，容量不同的电容器按适补原则投切，具有循环休息功能；
（5）装置能够有效改善电能质量，提高功率因数，降低电能功耗，节能效果明显。
（二）低压无源滤波补偿装置
2.1无源滤波的基本原理：
无源滤波的本质是阻抗分流。滤波器由滤波电容器和滤波电抗器串联组成，并调谐在某个特定的谐波频率。滤波器对其所调谐的特征次谐波来说呈现一个低阻抗通路，分流掉对应的大部分谐波。无源滤波在满足滤波效果的同时可以满足无功补偿要求，因此滤波装置的分组及电气元件的参数需要精确的计算及选型。
2.2低压无源滤波装置的功能特点
（1）即能治理谐波又能补偿无功，治理后谐波达到国家标准要求，并可节约电费开支10~30%。
（2）滤波效率高，可滤除3、5、7、11、13等各次特征谐波，谐波滤除率可高达60~75%。
（3）快速跟踪系统负荷无功变化，实时动态响应投切，系统响应时间≤10ms。
（4）采用先进的设计手段，可滤除大部分谐波电流、降低谐波电压畸变率、抑制谐波危害、具备防止谐波放大的功能，避免系统谐振。
（5）改善电压质量，减小负载引起的电流冲击，减少电压波动和抑制电压闪变，提高系统稳定性。
（6）有效降低系统损耗，功率因数可提高到0.96以上，使用户线损降低可提高配电变压器的承载效率，经济效益明显。
（三）低压有源滤波装置
3.1有源滤波的工作原理
有源滤波装置由谐波电流检测回路、补偿电流控制电路和驱动电路三个主要部分组成。谐波电流检测电路实时监视线路中的电路，并将模拟电流信号转换为数字信号，送入高速数字信号处理器(DSP)对信号进行处理，将谐波与基波分离，并以脉宽调制（PWM）信号形式向补偿电流控制电路送出驱动脉冲，驱动IGBT或IPM功率模块，生成与电网谐波电流幅值相等、极性相反的补偿电流注入电网，对谐波电流进行补偿或抵消，实现滤波功能。
3.2低压有源滤波装置的功能特点
（1）滤波范围广，可同时滤除2~50次谐波或选择2~50次内任意次数谐波进行补偿。
（2）响应速度快，可以1ms内检测到谐波的变化，对阶跃变化的谐波完全补偿时间小于10ms(1/2周波)。
（3）谐波滤除率高，采用全数字控制方式，可迅速、精确消除谐波，谐波消除率在95%以上。
（4）具有补偿谐波，同时补偿无功和负载三相电流不平衡三种工作模式。
（5）自动消除谐振，不受电网阻抗和系统阻抗变化影响。
（6）单相动态注入电流，不受系统不平衡的影响。
（7）设计选型简单，不需要进行详细的电网分析，只需要测量谐波电流的大小。
三、综述
谐波抑制和无功功率补偿是涉及电力电子技术、电力系统、电气自动化技术、理论电工等领域的重大课题。由于电力电子装置的应用日益广泛，使得谐波和无功问题引起人们越来越多的关注。同时，也由于电力电子技术的飞速进步，在谐波抑制和无功补偿方面也取得了一些突破性的进展。我们在设计过程中要准确合理地根据工程的具体情况选择好谐波抑制和无功功率补偿的原器件或成套装置。
参考文献:
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[2]工业与民用配电设计手册（第三版），北京：中国电力出版社，2005
【关键词】无功补偿 功率因数 损耗
1 无功补偿的原理
一般说来，使用无功功率来产生所需的磁场所需要的电气设备，特别是电动机和其他感应装置。无功功率不是消耗电能，所谓的无功功率。但没有它，电气设备（特别是电机和其他感应设备）不能正常工作。在配电网中，我们需要一种补偿电容器，也称为功率电容器。线的电流与电感电流相反。只要连接到线路号的电容器和负载电感元件来匹配，他产生的电容电流可以很有效地消除或减小线路电感电流，即是消除或减小负载对电网无功。这将减少电力线路和变压器设备的负担，提高电力线路和变压器设备的利用率，减少电线路的加热量。然后，在电气线路上的补偿电容器的安装被称为无功功率补偿，也被称为无功功率优化。
电网中的电力负荷，如电动机、变压器等，大部分都是感应电抗，在运行过程中，需要对这些设备提供相应的无功功率。电容式设备在电网中安装后，由感应电抗消耗的无功功率小功率可以被提供给感应负载，以提供无功功率。减小了电网中的无功功率，降低了输电线路的传输损耗，提高了电网的运行条件。这种方法被称为无功功率补偿。
2 影响功率因数的主要因素
功率因数的产生主要是由于在电力设备工作在沟通的过程中，除了积极的功耗，但也需要无功功率。当有功功率的确定，如无功功率、功率因数将会改善。在极端情况下，当一个问题= 0时，功率因数为1。它的本质是提高功率因数较低的电力设备的无功功率需求
2.1 异步电动机和电力变压器是耗用无功功率的主要设备
异步电动机定子和转子之间的气隙是异步电动机的无功功率的主要因素。无功功率和无功功率负载无功功率异步电动机，附加价值两部分组成。无功功率消耗的主要成分是空载无功功率，它与负载的大小无关的因素。因此，为了提高电力系统的功率因数和企业的功率因数，变压器不应该在低负荷运行和低负荷操作。
2.2 供电电压超出规定范围也会对功率因数造成很大的影响
当电源电压高于10%的评级，因为磁饱和的影响，无功功率会增加很快，据相关统计，当电源电压等级是110%，一般工厂的无功功率将增加约35%。低于额定电压和无功功率相应降低，从而提高功率因数。但低电压会影响电气设备的正常运行。因此，应采取措施保持电力系统电压的稳定。
2.3 异步电动机和变压器励磁无功功率波动的电网频率降低
异步电动机的励磁电流和变压器有很大的影响，导致系统无功功率损耗增加，从而导致更低的功率因数。
3 无功补偿的合理配置原则
从电力网无功消耗的基本情况看，各级电网无功功率消耗的网络和输电和配电设备消耗一定量的无功功率，特别是在低压配电网络。为了减少无功功率的传输，提高输电和配电设备的效率，无功补偿设备的配置应根据以下原则合理布局：
（1）总体平衡和局部平衡的组合；
（2）电力部门和用户的组合补偿。在低压配电网无功功率用户的消费约占50% ～ 60%，剩下的在配电网络无功功率消耗。因此，为了减少网络中的无功功率尽可能实现补偿和平衡，必须由电力部门和用户一起进行补偿；
（3）结合色散补偿和集中补偿，传播是耶和华说的。色散补偿，指的是在配电网络无功补偿，如配电线路、配电变压器，电力设备的用户。集中安装在变电站集中补偿高容量电容器补偿，主要是主变压器本身没有功率损耗补偿，并减少输电线路没有电，这减少了供电网络无功功率损失，但这并不减少配电网的无功功率损失。
4 配电网中常用的无功补偿方式
无功功率补偿可以提高电压质量，提高功率因数，是电网所采用的节能措施之一。配电网无功补偿系统各部分的变化，在各用户安装无功功率补偿装置；在高、低压配电线路分散安装的并联电容器；配电变压器低压侧与厂房配电网之间的并联电容器和并联电容器安装在单电机附近，集中或分散就地补偿。
4.1 就地补偿
地方补偿是最经济、最简单、最有效的方式来补偿。在局部补偿方式中，电容器直接连接到电气设备，中间只对熔断器保护、电气设备输入电容器随着投入、切除的一个方面，实现最方便的自动无功功率补偿，用电气设备切除线圈电容放电线圈。它的优点在于：
（1）就地无功补偿、谐波无功功率补偿，减小了补偿点对高压共接点的功率分配损耗，节能效果明显；
（2）就地补偿，解决了低压电网电压波动引起的负荷冲击，无法解决高电压补偿问题；
（3）降低了供电和配电系统的实际输出容量，提高了低压变压器的供电能力，保证了设备的可靠性；
（4）局部补偿几乎没有受到背景谐波的影响，从而保证了补偿装置工作的可靠性和设计的准确性。
4.2 分散补偿
4.3 集中补偿
5 无功补偿的效益
（1）提高用户的功率因数，提高电气设备的利用率。
（2）减少能源消耗，因为线太长，节约电能。
（3）减少无功功率消耗的主变压器容量，提高变压器供电的能力。
（4）合理控制电力系统的无功功率，提高电力系统的电压水平，提高电力系统的电能质量，提高系统的抗干扰能力。
（5）在动态无功补偿设备，适当的控制器，可以改善电力系统的动态性能，提高输电线路的传输容量和稳定性。
（6）静态无功补偿器安装（SVS）也可以提高电网的电压波形，减少谐波和负序电流的问题来解决。电容器、电缆、电机、变压器、等，以避免高次谐波造成的额外的功率损耗、局部过热，提高设备运行的稳定性，先进性。
参考文献
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[2]何仰赞.电力系统分析（下册）[M].武汉：华中科技大学出社，2002.
[关键词]无功功率；无功补偿；节能；分组补偿
中图分类号：TM714.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）18-0079-02
随着国民经济的快速发展，人们对于物质生活的需求越来越高，对于石油的需求量也随之变大，陆地资源的枯竭逐步增大了海洋石油的开采力度，来满足人们日常生产生活的需求。海洋石油开采平台是个相对独立的环境，电力系统亦是如此，它不仅要承担平台上所有设备的变电配电工作，更要完成发电输电的功能，从而使得海上石油平台的电力系统变成了一个非常复杂的系统，设备之间耦合性强，一个负载投切时都会引起电力系统幅度较大的波动，所以对于要确保做好海上石油平台电力系统的无功补偿工作，确保平台的电力系统能为各个设备提供稳定的电压和功率，从而缓解电站的压力，提高供电效率和系统稳定性，达到改善供电环境和节能降耗的作用，来为海上石油平台上的设备提供安全稳定可靠的运行环境。
1.海上平台电力系统无功补偿及其必要性
海上石油平台内有很多非线性负载设备，如异步电动机、变压器、荧光灯等感性负载设备，由于这些设备自身的工作原理，决定了他们只有在无功功率的情况下才能正常工作，同时，海上石油平台的电力系统中，很多非线性的电器元件，如相控装置等，也需要消耗大量的无功功率，此外，电力系统内非线性设备产生的高次谐波也会消耗一部分的无功功率，所以，对于海上平台的电力系统来说，需要输送大量的无功功率才能保证各个非线性设备的正常工作。假如由海上平台的电力系统来产生无功功率并长距离输送的话，需要输电电缆两侧产生一定的电压差，然而这只能在一个很窄的范围内才能实现，所以对于非线性设备来说，所需要的无功功率必须在电网系统的消耗无功功率的地方产生，这就需要无功补偿的方式来实现。
当前，随着科学技术和生产工艺的不断提升，很多大容量的电潜泵投入到了海上石油平台的生产中，这给电站容量提出了很大的挑战，而无功补偿的方式不仅可以缓解电站容量的需求度，还可以提升设备的功率因数，对于提升电网稳定度和电能利用率具有很大的作用。
1.1.无功补偿的基本原理
对于电力系统而言，输出的功率包括有功功率和无功功率，海上石油平台的电力系统亦是如此。海上平台电力系统的输出功率一部分转化成了机械能和热能，驱动相应的设备进行石油开采相关的工作，另一部分的输出功率是不做功的，而是从电能转化成另外一种形式的能量存储起来并和电能实现周期性的转换，如电磁能。从能量学的角度来讲，电力系统中电流幅值与电压幅值的成绩为视在功率，而视在功率、有功能率以及无功功率又存在一些特殊关系，构成一个功率直角三角形，如图1.所示。
通常，又被成为功率因数，也就是电力系统输出功率的利用率，而无功补偿的目的就是提升设备的功率因数，提升电能的利用率，所以在电路中设计相应的装置，减少电流矢量与电压矢量之间的夹角，即可提升电路中设备的功率因数，这就是无功补偿的基本原理。
1.2.无功补偿的的必要性
对于海上平台电力系统的无功功率补偿是非常有必要的，首先由于平台内有很多非线性设备，必须在无功功率情况下才能正常工作，而电力系统不可能直接输送无功功率为其设备提供能量，所以必须在非线性负载消耗无功功率的地方进行无功补偿。同时，很多海上石油平台很多工作设备的功率因数较低，无功功率的会增加输电线总电流量和系统视在功率的，增加了变压器的容量消耗，引起变压器过载而发热，损耗其使用寿命，同时也降低了设备的功率因数，而总电流量的增加也增大了其他设备的电能损耗，造成电能浪费。此外，无功功率会增大电力系统的电压幅度变化，造成电网电流波动，从而降低电能供应的质量。所以对于海上平台电力系统内的无功补偿措施是非常有必要的。
2.海上平台电力系统无功补偿
对于海上平台电力系统的无功功率补偿，一般的方法是安装无功补偿电容和LC滤波器，这是传统的用来进行谐波抑制的无源滤波器，通过无功补偿电容和LC滤波器内的电感进行补偿使得电路中电流矢量和电压矢量的夹角变小，进而对电路进行无功补偿，提升电路设备的功率因数。但是这种无功补偿的方式容易受电网系统参数和运行状态的影响，很难对动态的无功功率进行动态补偿，所以必须采用新的设备装置来进行无功功率补偿。
2.1.无功补偿设备的安装
由于无功功率的输送不易实现，所以无功补偿设备的安装主要是针对无功功率消耗大或者设备功率因数较低的地方进行无功功率补偿。首先要对系统进行潮流计算，并根据结果确定电力系统中功率因数较低以及设备电压较低的地方，安装根据海上石油平台的环境的实际情况以及经济成本来选择是低压母线补偿或是中压补偿。同时，根据无功补偿装置的安装位置不同，可将无功补偿方式分为集中补偿、分组补偿以及低压就地补偿。比如针对很多小功率的异步电动机，单个安装无功补偿装置进行就地补偿不太现实，则可以采用分组补偿的方式，按照区域特性或者供电特性分组，然后对每组的电动机群进行无功补偿，从而将无功电流限制在小的区域内，由于海上平台的电能输送距离较近，在此区域内的无功电流造成的损耗还是可以接受的。
2.2.无功补偿装置
作为海上平台电力系统无功补偿的装有有同步调相机、并联电容器、并联电抗器以及静止补偿器。其中同步调相机是一个去掉机械动力传送装置的同步电动机，它可以通过判断无功功率的需求来通过励磁发出其额定值的无功功率或者吸收电网内的其额定值一半的无功功率进行无功补偿。并联电容器是通过电容器件实现对电网无功补偿的设备，由于其补偿效率高、功耗低，操作简单，安装调试方便等优点使其成为当前电网中进行无功补偿的首选设备。并联电容器是通过吸收无功功率来进行无功补偿的装置，同时也用来限制电网系统内负荷的冲击性变化，从而增加了电网系统电能利用率和安全性。静止补偿器是一种对电力系统的冲击性负荷进行动态无功补偿的设备，通过可控电子器件来调节控制的电抗器与电容器并联，从而根据电网系统的负荷变化迅速调节电抗器，来实现电网系统的无功补偿以减弱电压波动，改善电网电能。如图1.所示，为常见的四中静止补偿器的基本形式。，从而对电力系统实现动态的无功负荷功率补偿，减少电力系统的过电压现象。
2.3.无功补偿分析
无功补偿最终的表现是提升了设备的功率因数，所以可以根据功率因数的改变来计算无功补偿节约的电能。
设P为有功功率，Q补偿前的无功功率，为补偿前的功率因数，QC为补偿后的无功功率，为补偿后的功率因数。
则有
通过Q与QC二者相减，即可算出无功功率的减少量，进而建设了系统输出功率的视在功率，节约了电能的消耗。
3.总结
海上平台电力系统的无功补偿主要是通过相应的无功补偿装置来改变电力系统中的电流矢量和电压矢量角来提升设备的功率因数，节约电能输出，同时通过无功补偿装置进行无功功率输出，为非线性设备提供能量，使其正常工作，从而确保海上平台的电力系统能够稳定正常节能高效地工作。
参考文献
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关键词：功率、措施、无功补偿
宁夏固海扬水工程位于宁夏回族自治区中部干旱带，是我区装机容量最大、扬程最高、输水最远、规模最大的电力提灌工程之一，绝大部分泵站用电设备都是电感性，都需要从电力系统吸收无功功率。
中图分类号：U464.138+.1文献标识码：A
一、无功功率补偿的主要作用及意义。
无功功率补偿（简称无功补偿）在电力供电系统中处在一个不可缺少的非常重要的位置，其作用就是在电力供电系统中起提高电网的功率因数，这样就能降低输送线路和变压器的损耗，达到提高供电效率和质量，改善供电环境的目的。因此选择合适的无功补偿装置，可以做到最大限度的减少网络的损耗，提高电网的供电质量。无功补偿的意义如下：
第一、无功功率补偿可以增加电网中有功功率的比例常数。
第二、减少发电和供电设备的设计容量以及投资，比如当设备的功率因数从cosΦ=0.8增加到cosΦ=0.95时，装1Kvar电容器可节省设备容量0.52KW；反之，增加0.52KW对原有设备而言，相当于增大了发、供电设备容量。所以对新建、改建和扩建的工程，应充分考虑无功功率补偿，这样既可以减少设计容量，又可以减少投资。
第三、降低线路损耗，根据公式ΔΡ%=（1-cosΦ1/cosΦ2）×100%，得出其中cosΦ1为补偿后的功率因数，cosΦ2为补偿前的功率因数则：cosΦ1>cosΦ2，所以提高功率因数后，线损率也下降了，减少设计容量、减少投资，增加电网中有功功率的输送比例，以及降低线损都直接决定和影响着供电企业的经济效益。所以功率因数是考核经济效益的重要指标，规划、实施无功补偿势在必行。
第四、无功功率增大将引起：总电流增加，系统中电器元件容量增大，投资费用增加；在输送同等有功功率的情况下总电流增大，系统中损耗增加；电压损失增大，变压器调压困难；增大电费，加大成本。
二、无功功率补偿的原理
电网输出的功率包括两部分;一是有功功率;二是无功功率.直接消耗电能,把电能转变为机械能,热能,化学能或声能,利用这些能作功,这部分功率称为有功功率;不消耗电能;只是把电能转换为另一种形式的能,这种能作为电气设备能够作功的必备条件,并且,这种能是在电网中与电能进行周期性转换,这部分功率称为无功功率,如电磁元件建立磁场占用的电能,电容器建立电场所占的电能.电流在电感元件中作功时,电流超前于电压90o.而电流在电容元件中作功时,电流滞后电压90 o.在同一电路中,电感电流与电容电流方向相反,互差180 o.如果在电磁元件电路中有比例地安装电容元件,使两者的电流相互抵消,使电流的矢量与电压矢量之间的夹角缩小,从而提高电能作功的能力,这就是无功补偿的道理。
当电网电压的波形为正弦波，且电压与电流同相位时，电阻性电气设备如白炽灯、电热器等从电网上获得的功率P等于电压U和电流I的乘积，即： P=U×I。
电感性电气设备如电动机和变压器等由于在运行时需要建立磁场，此时所消耗的能量不能转化为有功功率，故被称为无功功率Q。此时电流滞后电压一个角度ф。在选择变配电设备时所根据的是视在功率S，即：
有功功率和无功功率的几何和： S =（P2 + Q2）1/2
无功功率为: Q=（S2 - P2）1/2
有功功率与视在功率的比值为功率因数: cosф=P/S
无功功率的传输加重了电网负荷，使电网损耗增加，故需对其进行就近和就地补偿。并联电容器可补偿或平衡电气设备的感性无功功率。当容性无功功率QC等于感性无功功率QL时，电网只传输有功功率P。根据国家有关规定，高压用户的功率因数应达到0.9以上，低压用户的功率因数应达到0.85以上
三、无功功率补偿措施
电网中常用的无功补偿方式包括： 集中补偿：在高低压配电线路中安装并联电容器组； 分组补偿：在配电变压器低压侧和用户车间配电屏安装并联补偿电容器；单台电动机就地补偿：在单台电动机处安装并联电容器等。
加装无功补偿设备，不仅可使功率消耗小，功率因数提高，还可以充分挖掘设备输送功率的潜力。确定无功补偿容量时，应注意以下两点：
第一在轻负荷时要避免过补偿，倒送无功造成功率损耗增加，也是不经济的。
第二功率因数越高，每千伏补偿容量减少损耗的作用将变小，通常情况下，将功率因数提高到0.95就是合理补偿
就三种补偿方式而言，无功就地补偿克服了集中补偿和分组补偿的缺点，是一种较为完善的补偿方式。因电容器与电动机直接并联，同时投入或停用，可使无功不倒流，保证用户功率因数始终处于滞后状态，既有利于用户，也有利于电网。有利于降低电动机起动电流，减少接触器的火花，提高控制电器工作的可靠性，延长电动机与控制设备的使用寿命。
无功就地补偿容量可以根据以下经验公式确定：Q≤UI0式中：Q---无功补偿容量（kvar）；U---电动机的额定电压（V）；Ι0---电动机空载电流（A）；但是无功就地补偿也有其缺点：⑴不能全面取代高压集中补偿和低压分组补偿；众所周知，无功补偿按其安装位置和接线方法可分为：高压集中补偿、低压分组补偿和低压就地补偿。其中就地补偿区域最大，效果也好。但它总的电容器安装容量比其它两种方式要大，电容器利用率也低。高压集中补偿和低压分组补偿的电容器容量相对较小，利用率也高，且能补偿变压器自身的无功损耗。为此，这三种补偿方式各有应用范围，应结合实际确定使用场合，各司其职。扬水泵站无功功率人工调整两种方法来提高功率因数。
人工调整功率因数的措施有：安装静电电容器，这是提高功率因数最经济和最有效的方法。使大容量绕线或异步电动机同步运行。采用同步电动机使其过励运行。
四、静电电容器的补偿方法
泵站中采用静电电容器补偿，是由于每台静电电容器的无功功率很小，容易组成所需要的补偿容量，而电容器本身消耗的功率很小。组装成的电容器可以实行个别补偿、分组补偿和集中补偿的形式，容易拆装等优势。组装形式与补偿容量的大小，取决于电力负荷的大小和功率因数的高低。计算公式是：
Q=QL-QC =P(tgΦ1-tgΦ2)
式中：QL―感性无功功率； QC―容性无功功率；Φ1―补偿总功率因数角；
Φ2―补偿后功率因数角；Q―补偿容量，千乏（kvar）
在电力系统中，无功功率的平衡是电能质量的重要保证。因此，相关能快速有效补偿电网无功负荷的无功补偿装置的设计和制造就成为了一个亟待解决的问题，而无功补偿控制器作为无功补偿装置的核心部件，其控制策略的改进和研究更是一个很实际的问题。
【关键词】无功补偿 控制器 控制策略
1 无功补偿装置简介
1.1 同步调相机
同步调相机作为早期的无功补偿技术，其结构与同步电动机基本相同，其运行维护比较复杂，技术上已经显得落后。所以，同步调相机目前虽仍有使用，但已不再发展。
1.2 固定补偿电容器
在供电电网系统中，固定补偿电容器需要的无功功率，与电机等感性负载需要的无功功率，在时间上正好相反。但当电容器补偿系统无功时，其供给的无功功率对电压的变化非常敏感，其无功功率调节能力比较差。可因为其补偿容量装设比较灵活，维修保养上也比较方便，分散集中装设均可，在我国电网系统中，固定补偿电容器仍然在大量使用。
1.3 动态无功功率补偿装置
随着电力电子技术的发展，柔流输电系统（FACTS）在电力系统中得到了广泛的应用。目前，基于FACTS技术且应用于无功补偿最为广泛的是动态无功功率补偿装置（SVC）。与同步调相机相比，SVC是完全静止的设备，但它的补偿过程却是动态的，即可根据系统无功功率的需求或电压的变化自动跟踪补偿。
1.4 其它无功功率补偿装置
由于SVC的一些缺陷，随后，人们又研发出了静止无功发生器（SVG），SVG采用新型电力电子器件和检测技术，其既可以提供滞后的无功功率，又可提供超前的无功功率。不过由于投资巨大，目前SVG距离大规模应用还有很长的路要走。随着电力电子逆变技术的迅速发展，电力无源滤波器、电力有源滤波器和单位功率因数变流器等新型补偿形式的研究应用已成为无功补偿控制领域的研究热点。
综上所述，在现实供电电网系统中应用最为广泛的还是动态无功功率补偿装置（SVC）。SVC虽然有其自身控制上的一些缺陷，但因其性价比适中且技术上还有很大的改进空间，因此其发展潜力也是不容小视。动态无功补偿控制器是SVC的核心组成部分。本文主要研究低压动态无功补偿控制器的控制策略问题。
2 低压动态无功补偿控制器的控制策略
目前国内生产的低压无功补偿控制器一般采用8位、16位单片机或DSP为核心进行无功补偿控制。控制器可以用户设定的功率因数为投切参考限量，计算出所需供给的无功功率，之后智能选择合适的电容组进行投切。对于控制方式，一般来说，根据实际情况的不同，控制策略也要有所调整。
2.1 单变量控制
2.1.1 按电压变量控制
在电网系统中，无功功率一旦有大的波动，就会严重降低电网电压的质量。按电压变量控制的控制器优点是：控制实现方式比较简单，造价比较低，且便于维护管理。但是当电网系统电压出现较快波动时，容易出现投切振荡现象，因此补偿效果并不理想。
2.1.2 按功率因数变量控制
采用此种控制方式，需要提前设置一个合理的功率因数变量控制区间。其优点是：无功控制灵敏度较高，但是当系统的负载较小且功率因数较低时电容器组可能频繁投切，就容易产生投切振荡。
2.1.3 按无功功率变量控制
按无功功率变量控制即是以电网系统无功功率作为被控制的变量，使其作为电容组投切的判据。采用此种控制方式，需要不断的监测电网系统中的无功功率，并且与所设置电容器组的补偿值进行比较，此种控制方式的优点是：其可以实现补偿电容器组无功补偿投切一次到位，基本上可以避免投切振荡。可是，本控制方式在电网系统负载不足时比较容易造成补偿装置的投切振荡问题。
2.2 复合变量控制
2.2.1 按功率因数变量、电压变量复合控制
按供电电网系统功率因数变量、电压变量复合控制的控制方式主要有两种：其一是把电压变量和功率因数变量作为两个级别相同的并行判据，此种控制方式下，电网系统电压即使在合理的工作范围内，而功率因数值一旦进入电容器组投切控制区间，控制器则仍然发出投电容器指令。其二是以电网电压变量为主控判据，以功率因数变量为辅助判据，但经实践检验这种复合控制方式的无功补偿效益效果不是太理想。
2.2.2 按电压变量、无功量复合控制
根据电网系统的实际需要，可提前设置好电网系统控制电压和控制无功的上限和下限，之后依据相应的控制需要，可再将无功补偿控制装置的运行区域再划分为九个不同的控制区，每一个区域都对应着相应不同的控制方式，这也即是目前较为流行的“九区图”控制方式。这种控制方式的最大缺点是：控制装置一旦进入第9区立即会停滞下来，从而不会再监测调节电网系统参数，因此可能造成电网系统长时间运行在低质量甚至不合格的电压环境之中。
除上述控制方式外，基于人工智能的控制策略也在不断研究和进步之中。比如采用相关模糊控制理论的无功补偿控制方式、基于专家系统的无功控制和基于遗传算法的电压无功控制等。但这类基于人工智能的控制策略异常复杂，成本非常高，而且功能上也不是太完善，目前正处于实验研究阶段，并没有规模化应用，本文不再叙述。
综合以上无功补偿控制方式，本文对控制器控制策略进行了改进，即根据无功功率大小，功率因数和电压范围，控制器进行综合分析判断，自动控制电容器投切，从而补偿系统所需要的无功。根据现场实际的需要，还可以设置为电压优先或无功优先。对电压要求比较稳定的地区，可在电压优先控制投切的情况下，兼顾无功对系统的影响。
3 结束语
经过实践开发，采用无功功率大小，功率因数和电压范围三控制量进行无功补偿控制的控制器运用于三相四线制的低压配电网后，能随时监测配电变压器、配电线路运行状态及补偿电网无功，从而有效的提高了电网供电电压质量、提高配电网络的安全稳定及经济运行水平。
参考文献
[1]赵新卫.中低压电网无功补偿实用技术[M].北京：电子工业出版社，2011.
[2]栗时平.刘桂英.静止无功功率补偿技术技术[M].北京：中国电力出版社，2006.
作者简介
劳胜领（1982-），男，河南省周口市人。学士学位。现为周口职业技术学院机电工程系助教，研究方向为控制工程。
董会锦（1983-），女，河南省周口市人。学士学位。现为周口职业技术学院机电工程系助教。研究方向为嵌入式系统开发。
