关于无功补偿的发展趋势
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摘要：通过对目前应用于低压配电网中的低压并联电容器装置及其主要部件进行分类比较，剖析了各类产品各自的特点及存在的问题；并对低压并联电容补偿装置及控制器产品的发展趋势提出一些看法。
关键词：谐波；并联电容器；控制器；技术特点；发展趋势
中图分类号： U665.12文献标识码：A 文章编号：
1. 何为谐波？
谐波（harmonic）是一个周期电气量的正弦分量，其频率为基波频率的整数倍。一个周期电气量按傅立叶级数展开而获得的，其谐波频率与基波频率的比值(n=fn/f1)称为谐波次数，谐波实际上是一种干扰量，使电网受到污染。
2. 谐波和无功功率的产生
在工业和生活用电负载中，阻感负载占有很大的比例。异步电动机、变压器、荧光灯等都是典型的阻感负载。异步电动机和变压器所消耗的无功功率在电力系统所提供的无功功率中占有很高的比例。电力系统中的电抗器和架空线等也消耗一些无功功率。阻感负载必须吸收无功功率才能正常工作，这是由其本身的性质所决定的。
电力电子装置等非线性装置也要消耗无功功率，特别是各种相控装置。 如相控整流器、相控交流功率调整电路和周波变流器，在工作时基波电流滞后于电网电压，要消耗大量的无功功率。另外，这些装置也会产生大量的谐波电流，谐波源都是要消耗无功功率的。二极管整流电路的基波电流相位和电网电压相位大致相同，所以基本不消耗基波无功功率。但是它也产生大量的谐波电流，因此也消耗一定的无功功率。
3.谐波的危害
理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅值。谐波电流和谐波电压的出现，对公用电网是一种污染，它使用电设备所处的环境恶化，也对周围的能耐电力电子设备广泛应用以前，人们对谐波及其危害就进行过一些研究，并有一定认识，但那时谐波污染还需要严惩没有引起足够的重视。近三四十年来，各种电力电子装置的迅速使得公。用电网的谐波污染日趋严重，由谐波引起的各种故障和事故也不断发生，谐波危害的严重性才引起人们高度的关注。谐波对公用电网和其他系统的危害大致有以下几个方面。
（1）谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。
（2）谐波影响各种电气设备的正常工作。 谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏。
（3）谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就使上述（1）和（2）的危害大大增加，甚至引起严重事故。
（4）谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不准确。
（5）谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重者导致住处丢失，使通信系统无法正常工作。
4. 无功补偿
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。因此，粗略地说，为了输送有功功率，就要求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。不仅大多数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某个地方获得。显然，这些无功功率如果都要由发电机提供并经过长距离传送是不合理的，通常也是不可能的。合理的方法应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。
无功补偿的作用主要有以下几点：
（1） 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。
（2） 稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。在长距离输电线中合适的地点设置动态无功补偿装置还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力。
（3） 在电气化铁道等三相负载不平衡的场合，通过适当的无功裣可以平衡三相的有功及无功负载。
二、无功补偿发展趋势——动态补偿
无功功率补偿装置在电子供电系统中所承担的作用是提高电网的功率因数，降低供电变压器及输送线路的损耗，提高供电效率，改善供电环境。所以无功功率补偿装置在电力供电系统中处在一个不可缺少的非常重要的位置。合理的选择补偿装置，可以做到最大限度的减少网络的损耗，使电网质量提高。反之，如选择或使用不当，可能造成供电系统，电压波动，谐波增大等诸多因素。目前，市场上不同类型和不同型号的低压并联电容器装置成套产品已达数百种之多。
1 按控制方式分类
装置主要通过安装于内部的控制器来实现控制功能，从低压，电流信号采样，然后对采样的模拟量进行运算并作出合理的判断，直至发送投切信号。故控制器可谓是装置的指挥系统，谈到装置的控制方式，就不能不提及控制器的技术特点。
1.1控制物理量
装置的控制方式主要取决于控制器所采用的控制物理量。目前控制器采用的控制物理量有两种：功率因数，无功功率（无功电流）。
采用功率因数作为控制物理量是传统的控制方式，早期的产品大多采用这种控制方式。它存在的最大不足之处便是：控制不够精确。尤其在电网负荷较轻时，极可能发生不投则欠补偿，投了又过补偿这样的投切振荡现象，使电网处于欠补或过补状态，不但会对电容器造成损坏，而且导致供电网络振荡。
1.2 采样运算环节
控制器的采样和运算方式直接影响测量精度，从而关系到装置的补偿效果。早期的产品大多采样电网的线电压和相电流，如UBC，IA，RH然后折算成相位角即而得到相应的功率因数，无功功率。以功率因数为控制物理量的控制器大多采用此采样运算方式，容易受到波形畸变的影响譬如频率变化，电网谐波等因素的干扰，从而影响测量结果。
1.3补偿方式
低压配电网中，民用负载占了很大的比例，而其组成又以单相负荷为主。由于各项负载的使用时间不同，造成了三相负荷不平衡，因此采用三相共补的方式，极有可能会导致某两相补偿不当的现象。故现在已出现了分相补偿或三相共补与分相补偿相结合的控制器与电容器补偿装置，且有逐渐成为主流产品的趋势。
2 按投切方式分类
2.1.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的接触器的动作，但由于此类产品在投切过程中，电容组的初始电压为零，而在合闸瞬间，电网电压又往往不为零，使加在电容组两端的电压突然升高，进而产生一个很大的电流，即我们常说的合闸涌流。
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，这是很危险的。当电网的负荷呈感性时，如电动机、电焊机等负载，这时电网的电流滞带后电压一个角度，当负荷呈容性时，如过量的补偿装置的控制器，这是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。
2.2. 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。
2.3.混合投切方式
总结机械式接触器开关和无触点晶闸管开关各自的特点及弊端，出现了接触器和可控硅并联工作的开关，即我们所称的复合开关。复合开关的工作原理是：在投切电容器瞬间，利用可控硅检测过零点的特性，使电容器无冲击投入和切除；而稳态运行时，接触器投入工作，避免了由可控硅引起的大功耗和电压电流谐波。复合开关关合电容器时既无合闸涌流，而在运行时又无明显波形畸变。但复合开关的设计必须注意以下几点，否则非但起不到作用，反而会给装置的运行带来不便：①可控硅和接触器的动作时序问题，即必须保证在可控硅检测到电压过零点投入后，接触器触点才能闭合；②开关在平时闭合工作时，必须保证可控硅的维持电流足够大，而不致使可控硅关断；③当开关的电源突然断电时，须配有后备电源或采取相应的措施，使可控硅能正常工作，以保证开关仍能按正常时序切除电容器。
3 存在问题和建议
经过这几年来对低压并联电容器补偿装置及控制器产品的测试，我们可以看到，产品在不断地改进和更换新代，但装置（尤其是控制器）在实际运行中仍存在一些问题：控制器应能适应恶劣的工作环境。由于我国地域辽阔，南北气候差异大。在南方，夏季气温高，湿度大，更何况安装于装置内的控制器;而在北方，冬季又极其寒冷，温度很低。因此，控制器中的电子元件必须经受如此严酷的环境的考验。但目前，有些厂家为了降低生产成本，选择质劣价低的元器件，影响了控制器的正常工作。随着科学技术的进步，大量电力电子产品应运而生，而其使用不可避免地对电网造成污染，再加上装置安装于变压器的低压侧，而其本身又使用了可控硅等电力电子元件，因此这些电磁场所产生的干扰时刻地影响着控制器的正常工作。针对如今装置运行中存在的问题，为提高装置工作的可靠性，应着重注意以下几点：
①提高控制器的质量。a）制造厂家必须结合配电网的实际运行条件，对控制器内的电子元器件进行严格把关，使其能在高低温（-20℃～65℃）环境下正常工作；b）合理设计控制器的电路，增加必要的措施，提高其抗扰能力。把电磁兼容性试验作为控制器的型式试验项目之一已是必然的趋势。
②发展多功能的控制器产品。随着用户对电能质量的要求越来越高，对控制器的功能也提出了相应的要求。要求其不但能监测电网电压，电流，功率因数，有功功率，无功功率及各次谐波量，并能统计电压合格率，电压超限率及有功电度和无功电度。这样，控制器集电压电流表，电压监测仪，功率因数表，有功电度表，无功电度表等等的功能于一体，性价比高，更能节省空间，成为一台低压配电网的智能测量监测管理的仪器。
③装置可以打破传统的控制器与装置一体安装的方式，而采用监测采样部分和装置分别安装的方式。目前已有此类产品出现，其安装方式是：在变压器的低压侧首端安装监测仪来监测电网参数，把装置安装于低压线路2/3处或离大负载较近的地方，这样的补偿效果更佳。控制器通过低压载波通讯装置接收检测仪发射来的数据，并发出指令投切电容器。
结论：随着电力电子技术及电力系统的迅速发展，动态无功补偿技术值得进一步深入研究和大力推广应用。
参考文献：
[1]何善瑾，电力系统设计手册，北京：中国电力出版社，1998（6）
[2]孙树勤，无功补偿的矢量控制[M]，北京：中国电力出版社，1998
[3]JB／T 9663-1999 低压无功功率自动补偿控制器