介绍一种低压配电系统无功补偿综合控制的方法

无功补偿是低压配电系统电能质量治理的重要环节。在现有的无功补偿技术中，针对多个无功补偿柜采用多个独立的无功补偿控制器，正常工作时各个控制器之间无法实现有效调配，造成柜内电容不断反复投切，从而导致满负荷的无功柜过快老化甚至损坏；同时，柜内的静止无功发生器（SVG）无法与电容进行整体控制，其毫秒级的响应速度使自身一直处于满负荷工作状态，无法发挥其优势。

随着经济的不断发展，医疗、商业、生产制造等行业的整体用电量激增，变压器扩容后所需的无功功率补偿容量随之增加，每台变压器所配置的无功补偿柜也不断增多。无功补偿设备不仅有传统的LC，静止无功发生器（static var generator, SVG）的用量也在逐年递增。在这种情况下，用户不仅希望能够灵活均衡地控制各个无功补偿柜内的电容电抗，还希望能够实时有效调配电容和SVG的工作比例，实现综合控制，从而保证整个系统工作在一个有序健康的环境中。

国内外学者对低压配电系统无功补偿综合控制方法开展了深入的研究和分析。

• 有文献提出一种SVG+晶闸管投切电容器（transistor switched capacitor, TSC）的混合补偿器及基于专家决策的混杂控制方法，充分利用SVG和TSC的优势，解决了SVG在复杂环境中的稳定性和鲁棒性问题；
• 有文献结合原有LC电容器组补偿设备的特性，提出基于SVG+LC的混合补偿系统，该系统能够协调控制LC与SVG对负载无功功率进行精确补偿；
• 有文献提出一种SVG+LC的混合补偿器，既可利用小容量SVG的快速精确动态补偿，又可利用原有LC应对三相不平衡补偿中的粗补偿需求，并研究了其总体协调与子系统的控制策略；
• 有文献提出一种新型无功功率补偿主电路形式，将无功补偿装置SVG与LC无源滤波器并联使用，详细分析了该主电路形式并给出了实例验证；
• 有文献提出一种由H桥级联型SVG与晶闸管控制电抗器（thyristor controlled reactor, TCR）型静止无功补偿器（static var compensator, SVC）组成的新型拓扑，结合SVG的快速可控性和SVC大容量的优势直接对高压配电网的大容量无功、谐波同时进行治理。

基于上述参考文献，结合LC补偿和SVG补偿各自的优劣，本文提出一种低压配电系统无功补偿综合控制方法，给出综合控制的工作原理和操作流程，以期为综合无功补偿控制系统的研究提供参考。

1 无功补偿概述

从能量角度进行分析，电力系统中大多数的非线性负载是感性负载，比如变压器、电动机、压缩机、空调等。传统的无功补偿是将感性负载与提供容性功率负荷的设备（如并联电容器或同步调相装置）并联在同一电路中，从而为感性负载提供所需的无功功率。无功能量流动示意图如图1所示。

图1 无功能量流动示意图

从无功相位角度（感性/容性）进行分析，纯阻性负载的电压和电流同相位，感性负载的电压超前电流，容性负载的电压滞后电流。无功相位分析如图2所示。

图2 无功相位分析

图3 分析电路

图4 相量图

2 无功补偿形式

2.1 LC补偿控制

GB/T 15576—2020《低压成套无功功率补偿装置》对“低压成套无功功率补偿装置”的描述为：由一个或多个低压开关设备、低压电容器和与之相关的控制、测量、信号、保护、调节等设备，由制造厂家负责完成所有内部的电气和机械的连接，用结构部件完整地组装在一起的一种组合体。

LC电容电抗补偿整柜并联在整个供电系统中，集无功补偿、电网监测功能于一体，通过互感器采集电流并输入功率因数控制器进行功率因数高低的判断，进而控制开关投切电容器。无功补偿电气原理图如图5所示。

图5 无功补偿电气原理图

2.2 SVG补偿控制

SVG将三相桥式电路通过电抗器直接并联在电网，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值或直接控制其交流侧电流，使该电路吸收或发出满足要求的无功电流，从而实现动态无功补偿的目的。SVG工作原理如图6所示。

图6 SVG工作原理

2.3 LC与SVG补偿对比

在成本价格方面，LC补偿比SVG更经济，但在功能和产品性能方面，LC补偿相对较差。例如，LC补偿柜采用多个独立的无功补偿控制器，正常工作时各个控制器之间无法有效调配，造成柜内电容不断重复投切；在负荷变化较快或存在冲击负荷时，由于电容器内部放电影响无法做到快速响应补偿；控制器控制投切开关反复投切，出现分组投切阶梯式无功输出，容易出现过补偿或欠补偿的问题。同时，LC补偿装置中的并联电容器对谐波电流具有放大作用，一般可放大2～3倍，谐振（串/并联谐振）时可放大20倍以上。

SVG作为一种新型电力电子动态无功补偿装置，可对大小变化的感性/容性无功及负序量进行连续快速的补偿（连续可调），避免过补偿和欠补偿情况的发生，且不会与系统或负载设备产生谐振，适用于负载快速变化的场合，但其成本也相应较高。

3 无功补偿综合控制方法

结合LC和SVG补偿各自的优势及现场应用特点，本文提出一种无功补偿综合控制方法，该方法主要包括以下内容：

• 1）实时采集电力系统中的电参量。电参量包括三相电压、三相电流、三相有功功率、三相无功功率、三相视在功率、三相功率因数、谐波电压畸变率、谐波电流畸变率等。
• 2）实时检测电力系统中的电气告警保护。电气告警保护包括过电压告警、欠电压告警、过电流告警、过电压谐波告警、过电流谐波告警、过频告警、欠频告警、过温告警、电网断相告警、电网错序告警等。
• 3）实时判断是否存在电气告警。
• 4）保护动作。保护动作包括电容器组保护（快速切除工作的电容器组）、SVG保护（控制SVG进入关机模式）、需要重新进行无功补偿初始化标记。
• 5）计算无功补偿分配方案。包括剩余无功功率计算和SVG补偿系数修正。剩余无功功率计算是根据实时采集数据和预设目标功率因数，以及LC已投入容量，计算电力系统中需要补偿的剩余无功功率；SVG补偿系数修正是根据剩余无功功率和系统中负载侧总无功功率，计算出SVG补偿系数，并进行实时修正。
• 6）无功补偿初始化。包括LC补偿初始化，此时LC响应速度大于SVG响应速度，LC补偿电力系统负载侧大部分无功功率，补偿稳定后，LC补偿初始化结束；SVG补偿初始化，此时SVG响应速度大于LC响应速度，SVG补偿系统中剩余的无功功率。
• 7）SVG补偿功率实时检测模块。包括SVG补偿功率大小检测（实时检测SVG输出无功功率大小）和SVG补偿功率方向检测（实时检测判断SVG输出无功功率是容性还是感性）。
• 8）SVG补偿功率反馈比较模块。包括判断SVG输出功率大小SVG_I是否大于设定的容性无功功率反馈值m，并且持续时间T是否大于时间设定值t1；判断SVG输出功率大小SVG_I是否大于设定的感性无功功率反馈值n，并且持续时间T是否大于时间设定值t2。
• 9）LC补偿控制模块。包括电容队列投切模块，在有效电容器组序列中投入一组电容器组或在有效电容器组序列中切除一组电容器组；电容有效性判定模块，判断电容器组投入是否有效，并进行有效或无效标记。
• 10）SVG补偿控制模块。包括SVG关机模块、SVG待机模块、SVG补偿模块。SVG关机模块控制SVG进入关机模式，停止运行；SVG待机模块控制SVG进入待机模式，降低补偿响应速度，进入补偿等待状态；SVG补偿模块控制SVG进入补偿模式，提高响应速度，实时补偿无功功率。SVG补偿控制模块用于补偿负载侧剩余的无功功率，减小因负载波动而引起的系统功率因数波动，在提高功率因数的同时，维持和稳定系统侧功率因数。

4 无功补偿综合控制方法步骤

无功补偿综合控制方法主要包括实时采集、实时保护模块、计算无功补偿分配方案、SVG补偿功率实时监测模块、SVG补偿功率反馈比较模块、无功补偿综合控制模块6个流程，其详细流程如图7所示，具体步骤说明如下。

图7 无功补偿综合控制方法详细流程

• 步骤1：实时采集电力系统中的电参量。
• 步骤2：实时检测电力系统中的电气告警保护。
• 步骤3：实时判断是否存在电气告警。
• 步骤4：在电气告警的情况下执行保护动作。
• 步骤5：在不存在电气告警的情况下，计算无功补偿分配方案。
• 步骤6：判断是否需要无功补偿初始化。
• 步骤7：在需要无功补偿初始化的情况下，执行无功补偿初始化。
• 步骤8：SVG补偿功率方向检测，实时检测判断SVG输出无功功率是容性或是感性。
• 步骤9：在SVG输出无功功率是容性无功的情况下，判断SVG输出功率大小SVG_I是否大于设定的容性无功功率反馈值，并且持续时间是否大于时间设定值t1。
• 步骤10：在SVG输出无功功率是感性无功的情况下，判断SVG输出功率大小SVG_I是否大于设定的感性无功功率反馈值，并且持续时间是否大于时间设定值t2。
• 步骤11：在SVG输出功率大小SVG_I大于设定的容性无功功率反馈值，并且持续时间大于时间设定值t1的情况下，判断是否有待投入电容器组。应注意容性无功功率反馈值、感性无功功率反馈值、时间设定值t1、时间设定值t2都需要提前设置。
• 步骤12：在SVG输出功率大小SVG_I大于设定的感性无功功率反馈值，并且持续时间大于时间设定值t2的情况下，判断是否有待切除电容器组。
• 步骤13：在有待投入电容器组的情况下，执行SVG待机模块，控制SVG进入待机模式，降低补偿响应速度，进入补偿等待状态。
• 步骤14：在有待切除电容器组的情况下，执行SVG待机模块，控制SVG进入待机模式，降低补偿响应速度，进入补偿等待状态。
• 步骤15：电容队列投切模块，遵循循环投切算法，在有效电容器组序列中投入一组电容器组。
• 步骤16：电容队列投切模块，遵循循环投切算法，从有效电容器组序列中切除一组电容器组。
• 步骤17：SVG补偿模块，控制SVG进入补偿模式，提高响应速度，实时补偿无功功率。

电容队列投切模块在有效电容器组序列中投入一组电容器组后，还会进行电容有效性判定，在电容器组投入前记录无功功率有效值，电容器组投入10s（可设置，设置范围在2～30s）后记录无功功率有效值（应该对应分补或混合补的情况），如果前后无功功率差值小于该电容器组设定值的20%，则相关计数器加1，否则相关计数器清零。如果相关计数器连续累加计数超过5，就说明连续5次出现该电容器组的投入基本无效，则生成相关故障记录，并将该电容器组脱离有效电容器组序列。

5 实际工程案例

本文所提无功补偿综合控制方法已应用于无功补偿综合控制器单元产品中，下面结合实际工程应用案例分析其优越性。

江苏某生产陶瓷厂的主要负荷为球磨机，球磨机采用变频驱动。由于原材料体积不规则，导致球磨机在运行时的电流冲击很大，影响电力系统的稳定状态，致使无功补偿电容器损坏较多、系统功率因数较低。现场变压器容量为1600kV∙A，负荷率较低，现场原电容柜容量300kV·A。无功补偿综合控制装置投入前的电能质量如图8所示。

图8 无功补偿综合控制装置投入前的电能质量

无功补偿容量按照变压器容量的30%进行配置，预估整柜容量为500kvar（两套250kvar），采用SVC+SVG综合控制器控制的混合无功补偿方案，考虑到现场谐波主要以3次、5次和7次谐波为主，电容电抗SVC应配置14%的串抗率，单套250kvar整柜配置方案见表1。

表1 单套250kvar整柜配置方案

图9 无功补偿综合控制装置投入后的电能质量

无功补偿综合控制装置投入后的电能质量如图9所示。通过采用SVC+SVG综合控制器控制的混合无功补偿方案，协调SVC和SVG的无功输出，对比无功补偿综合控制装置投入前后数据可以看到，功率因数由0.86提高到0.98以上，由于SVG装置在补偿无功功率的同时也可以治理3次、5次、7次和11次以内的谐波，电流畸变率由原来的23.28%降低到9.06%，效果较明显。

6 结论

本文提出的无功补偿综合控制方法，通过实时采集电力系统中的电流、电压及功率，实时控制LC补偿控制模块和SVG补偿控制模块对电力系统进行无功补偿。参考实际工程应用案例，选用综合补偿控制装置，对比前后的治理效果，解决了现有技术中LC和SVG无法统一调配而导致的空载或满载问题，以及LC频繁投切的问题，能够灵活均衡地控制各个无功柜内的电容电抗，同时电容和SVG的工作比例也可进行实时有效调配，从而改善了供电品质，提高了功率因数。