范志铭，赵勇，刘阳

(1.ABB(中国)有限公司，辽宁 沈阳 110025;2.新东北电气集团电器设备有限公司，辽宁 沈阳 110025)

1 引言

要改善电力浪费，电网质量严重超标的状况，其中重要的一环就是选择无功功率补偿装置。图1所示，当功率因数为1.0时，有功功率100kW和视在功率都为100kVA，而功率因数为0.6时，所需要的视在功率为167kVA，而有功功率也为100kW。这就说明相同有功功率负荷，功率因素为0.6的在电缆和变压器上的电流是功率因素为1.0的负载的1.67倍。因此，在使用低功率因素负荷时，从发电站到工厂支路的整个电气网络，必须能承载比需要的还要大的电流负荷。因此，在选择设备时需要更大的设备，增加投资成本，造成更大的浪费。

2 无功补偿技术综述

电力电容器作为配电网无功补偿的重要设备，在配电系统中被广泛使用。主要优点:

(1)电力电容器是提供极简单的改善功率因数;

(2)能有效配合感应电动机低功率因数运行负荷的需要;

(3)电容器没有转动的部分，使用维护简单;

(4)不需要复杂的基础结构;

(5)增加负荷时利用增加电容器办法能有效把功率因数提高到所要求的水平;

(6)电容器的本身损耗很低。

图1

可是目前市场无法提供电容容量能够连续可调的电力电容，因此不能直接利用成熟的线性控制理论来设计功率因素补偿器。而功率因素补偿器是无功补偿的重要组成，通过它合理地控制电容器，优化投切电容器，来决定配电系统中已安装的电容器组在不同负荷状态下的投切策略(决定投切的组数)，以达到减小系统运行时功率或能量损耗目的。可以提高配电系统的电压质量，改善功率因素，降低网络损耗，增加系统容量。

3 静止电容器的控制

静止电容器可以改善线路参数，减少线路感性无功功率，补偿系统无功。但由于提供的无功功率Qc与节点电压U平方成正比:

Qc=2πfCU210－9(kvar)

当节点电压下降时，它提供的无功功率会大大减小，因此静止电容器的无功功率调节性能较差。由于维护方便，装设容量可大可小，既可集中使用，又可分散安装。一般的功率因数检测方法是，检测电流与电压信号过零的时间差，算出相应的功率因数角和功率因数。当cosφ=1时，线路中没有无功损耗。

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，也无法弥补这种方式本身的缺陷，尤其是在线路重负荷时。举例说明:

图2

图2所示，表示了电容补偿有功、无功的相量关系。其中，Φn是系统的自然功率数角;Φ1为控制器设计的下限功率因素角;Φ2为控制器的上限功率角，在此之前系统的容量用OA表示，已投入电容器容量为CC(用AB表示)，将功率因素提高到下限之上;当负载增加到OC时(此时有功P用OF表示，原有的电容器容量QC不能将功率因素补到下限之上，而稍低于下限，这时系统总容量由OD表示，如果即将投入的一组电容器容量Qci大于DE，那么投入后就将系统的功率因素越过上限，这时就造成振荡。投切振荡很容易造成控制设备和电容器的损坏，必须予以避免。

设定投入门限;cosΦ=0.95(滞后)此时线路重负荷，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，但只要cosΦ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做为推荐的方式。

4 补偿器进行无功补偿应用实例分析

无功补偿情况简介，现场多台电机分散分部，且在不同的时段不同负荷(白天工作时间负载比较大，夜间电流比较小)，谐波含量小。因此，集中补偿点在变压器出线处，总的补偿无功功率为360kvar，分12组，每组电容容量为30kvar。

电网无功功率经控制器采样、运算，发出不同的电容的投入或切除信号，通过投入或切除电容器来改变电网中的无功电流，最后电网的无功补偿达到目标设定值。整个无功补偿控制过程是属于闭环控制。图2所示，电容的投入或切除是通过补偿器的输出端子1～12号端子来控制接触器分合，来实现电容器的投入或切除。

图3

图3所示，电容补偿过程电压、电流变化过程，从自然功率因数到目标功率因数的过程，在开始补偿前，电压的平均值为217.9V，电流平均值为1080A，而补偿后电压的平均值为222.3V，电流平均值为915A。

(1)说明在使用低功率因数负荷时，从发电站到工厂支路的整个电气网络，承受的负载比需要的还要大的电流负荷。而经无功补偿后电流减小。电流减小时，从电网到工厂支路的整个电气网络的线路损耗将有所降低，降低线路的电压降，从而电压有所提高。

图4

(2)在无功补偿过程，电压逐渐平滑上升和电流逐渐平滑下降过程，补偿过程电压、电流基本不发生突变，也没有大冲击电流和电压。补偿器是逐级投入电容器组，根据检测的无功功率和目标值对比，决定投入或切除一组电容，投入或切除一组电容器后再检测的无功功率，决定投切一组电容。补偿器不是一次性地输出控制量，每次控制量的输出需要一定的时间才能完成。以免了大冲击电流和电压的波动，无功功率调节近似是平滑调节。

(3)从补偿过程图4观察，自然功率因数接近目标功率因数时，电流和电压接近稳定值。虽然负荷有点波动，但只有波动在一定范围，补偿器不会再投切电容器组。

图5

图5所示，补偿前电网中的自然功率因数为0.85，有功功率为204kW无功功率为126kvar，视在功率240kVA;现场设定目标功率因数为0.98，补偿器是通过逐级投入或切除电容器来实现无功功率控制，控制器敏感度C/k=0.62×Q=19kvar。也就是说，当目标无功功率和和实际无功相差大于C/K时，控制器才会投入或切除电容器，否则，将不投切。

当功率因数补偿到0.97时，不会再投入一组电容补偿，因为实际无功功率为58kvar－目标无功功率43kvar=15kvar小于控制器的敏感度19kvar。

5 有谐波电流下无功补偿实例分析

负荷主要是开关电源，3次谐波电流严重。为了减小谐波对电容器的影响，在电容上串联一个电抗，如图6所示。选好电容器和电抗器的值，来保证回路在基波频率(50Hz)下，为容性阻抗，在3次谐波频率下(150Hz)，为零阻抗或感性阻抗。这样经投切串有电抗的电容器，对于3次谐波150Hz下，既有有滤波功能，也有防止谐波造成电网中电抗和电容形成谐振，损坏电容功能。

图6 三相电容加电抗示意图

图7 补偿前后电能质量图

图8

图8所示，补偿前后的电流谐波含量图，补偿前电流为1337A，谐波的总含量THD=24.0%，补偿后电流为1306A，电流谐波的总含量THD=1.6%。

图9所示，补偿前电网电压为220.1V，电压谐波的总含量THD=3.0%，补偿后电压为219.8V，电压谐波的总含量THD=1.2%。

图9

(1)从无功补偿效果看，补偿器在谐波下，能控制电容器组正常的投切，实现准确无功补偿。

(2)在谐波比较大的系统进行无功补偿，在每组电容器和一定比例k值的电抗器串联，既实现了无功补偿，又滤除电网中谐波电流。

5 结语

本文用实际应用验证了无功补偿器的性能，由无功补偿器控制电容器投入前后的电压、电流波形和电容投入过程电压、电流幅值变化，可明显看出无功补偿器效果;在系统谐波电流比较大时，无功补偿回路的电容器和电抗器串联，投入后系统无功功率得到补偿，电流中所含谐波电流成分及系统接入点电压的谐波含有率均大大降低，系统电压、电流质量均有明显改善。